一文全方位對(duì)比燃?xì)廨啓C(jī)與汽輪機(jī)的差異

燃?xì)廨啓C(jī)與汽輪機(jī)是兩種最為常見的熱力渦輪機(jī)械，二者工作原理類似，它們均在人類工業(yè)生產(chǎn)與社會(huì)活動(dòng)中發(fā)揮了重要作用，二者在實(shí)際應(yīng)用中也有不少共同之處。本文詳盡比較了二者在整機(jī)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行方向的異同，分析闡述了其差異，并且作出了未來展望。

燃?xì)廨啓C(jī)與汽輪機(jī)是兩種最為常見的熱力渦輪機(jī)械，它們?cè)诠I(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。二者工作原理相類似，但在技術(shù)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)等方面也存在差異。

汽輪機(jī)是將蒸汽的能量轉(zhuǎn)換成為機(jī)械功的旋轉(zhuǎn)式動(dòng)力機(jī)械。又稱蒸汽透平。主要用作發(fā)電用的原動(dòng)機(jī)，也可直接驅(qū)動(dòng)各種泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和船舶螺旋槳等。還可以利用汽輪機(jī)的排汽或中間抽汽滿足生產(chǎn)和生活上的供熱需要。

燃?xì)廨啓C(jī)（Gas Turbine）是一種以連續(xù)流動(dòng)的氣體作為工質(zhì)、把熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的旋轉(zhuǎn)式動(dòng)力機(jī)械。在空氣和燃?xì)獾闹饕鞒讨?，只有壓氣機(jī)（Compressor）、燃燒室（Combustor）和燃?xì)馔钙剑═urbine）這三大部件組成的燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)，通稱為簡(jiǎn)單循環(huán)。大多數(shù)燃?xì)廨啓C(jī)均采用簡(jiǎn)單循環(huán)方案。壓氣機(jī)從外界大氣環(huán)境吸入空氣，并經(jīng)過軸流式壓氣機(jī)逐級(jí)壓縮使之增壓，同時(shí)空氣溫度也相應(yīng)提高；壓縮空氣被壓送到燃燒室與噴入的燃料混合燃燒生成高溫高壓的燃?xì)猓蝗缓笤龠M(jìn)入到透平中膨脹做功，推動(dòng)透平帶動(dòng)壓氣機(jī)和外負(fù)荷轉(zhuǎn)子一起高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了氣體或液體燃料的化學(xué)能部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械功，并輸出電功。從透平中排出的廢氣排至大氣自然放熱。這樣，燃?xì)廨啓C(jī)就把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，又把部分熱能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。通常在燃?xì)廨啓C(jī)中，壓氣機(jī)是由燃?xì)馔钙脚蛎涀龉韼?dòng)的，它是透平的負(fù)載。在簡(jiǎn)單循環(huán)中，透平發(fā)出的機(jī)械功有1/2 到2/3 左右用來帶動(dòng)壓氣機(jī)，其余的1/3 左右的機(jī)械功用來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。在燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)時(shí)，首先需要外界動(dòng)力，一般是起動(dòng)機(jī)帶動(dòng)壓氣機(jī)，直到燃?xì)馔钙桨l(fā)出的機(jī)械功大于壓氣機(jī)消耗的機(jī)械功時(shí)，外界起動(dòng)機(jī)脫扣，燃?xì)廨啓C(jī)才能自身獨(dú)立開始工作。

比較汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的差異將有助于我們對(duì)其特征技術(shù)與結(jié)構(gòu)的了解，并在實(shí)際應(yīng)用中揚(yáng)長(zhǎng)避短。

1. 燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

燃?xì)廨啓C(jī)作為一種常見的動(dòng)力裝置，相比于汽輪機(jī)動(dòng)力裝置具有以下的技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)：

• 結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕；

• 噪音低，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，振動(dòng)較小。燃?xì)廨啓C(jī)是一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)低頻振動(dòng)較少；

• SOx，NOx 等有害氣體排放少；

• 功率重量比大，單機(jī)功率大，啟動(dòng)加速性好；

• 潤(rùn)滑油消耗低，保養(yǎng)量小，管理人員少；

• 少用或不用冷卻水；

• 初期投資費(fèi)用較低。

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

汽輪機(jī)有著大量的附屬機(jī)械設(shè)備，諸如泵，風(fēng)機(jī)，冷凝器，真空設(shè)備，以及龐雜的管系各類的附屬設(shè)備占據(jù)較大的空間，并且質(zhì)量較大。而燃?xì)廨啓C(jī)相比于汽輪機(jī)有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，于所占空間和機(jī)件質(zhì)量，均小于汽輪機(jī)裝置。在輸出功率相近的前提下，燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)裝置的質(zhì)量，大約為汽輪機(jī)裝置的1/3，約為柴油機(jī)裝置的1/5~1/2。航空燃?xì)廨啓C(jī)的研制方向重點(diǎn)在于整機(jī)輕量化，相比于陸用和船用燃?xì)廨啓C(jī)而言，質(zhì)量更輕。燃?xì)廨啓C(jī)的內(nèi)部流通部分結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，應(yīng)為不同于汽輪機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)通常沒有中間抽汽與調(diào)節(jié)級(jí)。此外，燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)排氣裝置尺寸均較大，往往會(huì)占用相當(dāng)?shù)目臻g。

2.2 可靠性

汽輪機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)通常都能以穩(wěn)定工況進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)于汽輪機(jī)而言，其輔助機(jī)械設(shè)備構(gòu)造簡(jiǎn)單，并且技術(shù)成熟。其循環(huán)壽命與平均大修間隔都較長(zhǎng)。如蒸汽溫度保持在1000°F以下，會(huì)更有利于汽輪機(jī)保持長(zhǎng)期平穩(wěn)而安全的運(yùn)行。燃?xì)廨啓C(jī)的平均大修間隔通常較短，而其原因主要源自燃?xì)獾母邷兀谶@樣的高溫之下，運(yùn)行一定的時(shí)長(zhǎng)之后，即使采用了較好的葉片涂層，依然易于導(dǎo)致高溫部件工作情況惡化。需要注意的是，燃?xì)廨啓C(jī)的故障產(chǎn)生通常較為迅速，往往出現(xiàn)于數(shù)秒之中，而汽輪機(jī)的故障通常出現(xiàn)較為緩慢，易于阻止災(zāi)難性破壞的產(chǎn)生。由于相對(duì)于整個(gè)能量轉(zhuǎn)換體系來講，汽輪機(jī)的動(dòng)力裝置部分是很小的一部分而燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)子和燃?xì)獍l(fā)生器構(gòu)成了能量轉(zhuǎn)換的主體部分，因此其故障或者機(jī)件的損壞，往往是致命的，相比于汽輪機(jī)來說更為嚴(yán)重。

2.3 零件供應(yīng)

汽輪機(jī)裝置通常采用相近的機(jī)件，需要大型且復(fù)雜的后方零部件供應(yīng)體系。而燃?xì)廨啓C(jī)的制造通常采用批量生產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn)廠商可以提供具有較好互換性的零件、部件和模件。不論燃?xì)廨啓C(jī)是航改型，船用型，高參數(shù)型，其所需的零部件總量是相對(duì)較少的，隨著模件所需范圍的擴(kuò)大，更加需要簡(jiǎn)化維護(hù)保養(yǎng)的程序，降低運(yùn)行成本。燃?xì)廨啓C(jī)裝置，尤其像航改型，其購(gòu)置及安裝費(fèi)用，都比同等功率的汽輪機(jī)與柴油機(jī)裝置更為便宜。

2.4 進(jìn)排氣道

燃?xì)廨啓C(jī)通常需要大尺寸的進(jìn)排氣管道，而汽輪機(jī)則不然。燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣口通常會(huì)產(chǎn)生大量噪音，為了保證運(yùn)行環(huán)境和工作人員舒適度，有必要采用降噪設(shè)備。通常船用燃?xì)廨啓C(jī)需要于進(jìn)氣口布置懸浮微粒分離裝置，從而保障整機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)安全與穩(wěn)定。

3.1 工質(zhì)

燃?xì)廨啓C(jī)的工質(zhì)為高溫燃?xì)?/span>，形態(tài)上更接近于理想氣體，無物態(tài)變化，并且工作初溫相對(duì)較高，通常需要使用耐熱合金或者耐熱鋼材來進(jìn)行制造，材料對(duì)耐高溫與腐蝕都有一定要求。汽輪機(jī)的工質(zhì)通常為過熱蒸汽，通常會(huì)在排氣口出現(xiàn)液化現(xiàn)象。燃?xì)廨啓C(jī)在較低的初溫下工作，其工質(zhì)膨脹過程中燃?xì)獗热輹?huì)增大5~20 倍，而汽輪機(jī)內(nèi)部工質(zhì)的比容則會(huì)增大數(shù)百倍。因此，燃?xì)廨啓C(jī)第一級(jí)與最末級(jí)葉片的高度差，相比于汽輪機(jī)中會(huì)小得多，對(duì)應(yīng)而言，其各級(jí)的徑高比都比較小，并且流通部分變化較為平緩。燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)庵泻邢喈?dāng)數(shù)量的氧氣，如燃料中含有鈉、汞、硫化物等時(shí)，高溫燃?xì)膺€可能會(huì)侵蝕葉片。因此燃?xì)廨啓C(jī)流通部件所采用的金屬除了需具有較高的熱強(qiáng)度之外，還應(yīng)具有較高的熱穩(wěn)定性，耐高溫腐蝕性等

3.2 燃料消耗

目前航空燃?xì)廨啓C(jī)的比燃料消耗與柴油機(jī)、汽輪機(jī)相比，已不相上下，重型燃?xì)廨啓C(jī)裝置，通常燃用重質(zhì)燃油，比燃料消耗更低。而在功率偏離設(shè)計(jì)指標(biāo)之時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的比燃料消耗則迅速增加，而汽輪機(jī)則以相當(dāng)小的速率增加。這主要是因?yàn)槠啓C(jī)在此種情況下，通常會(huì)采取部分進(jìn)汽、旁通調(diào)節(jié)等措施，而燃?xì)廨啓C(jī)則不然。通?？蓪⑷?xì)廨啓C(jī)與其他動(dòng)力裝置聯(lián)合，以克服這個(gè)缺點(diǎn)，如與汽輪機(jī)聯(lián)合形成燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)等。

3.3 響應(yīng)性

雖然汽輪機(jī)發(fā)出的功率較為平穩(wěn)，但是其改變功率大小的能力相對(duì)遲緩燃?xì)廨啓C(jī)則具有良好的高速性能和良好的運(yùn)轉(zhuǎn)響應(yīng)性能，短時(shí)間內(nèi)即可發(fā)出全功率。汽輪機(jī)從金屬冷態(tài)到正常運(yùn)轉(zhuǎn)，通常需要數(shù)十小時(shí)，在緊急情況下，一般也需要3~4 小時(shí)。而燃?xì)廨啓C(jī)則可以在數(shù)分鐘內(nèi)從惰轉(zhuǎn)停車狀態(tài)過渡到全速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

3.4 監(jiān)護(hù)管理要求

燃?xì)廨啓C(jī)通常更易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，有著自動(dòng)數(shù)據(jù)顯示、記錄、控制等特點(diǎn)，值班監(jiān)視任務(wù)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，而汽輪機(jī)由于系統(tǒng)龐雜，附屬設(shè)備眾多，通常需要更多的值班監(jiān)護(hù)人員

3.5 振動(dòng)與噪聲

如果不采用任何的消音措施，一般情況下燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)排氣噪聲會(huì)相當(dāng)高，但是在排氣道以及圍繞著發(fā)動(dòng)機(jī)外殼處所安裝的抑制聲音裝置，已能將噪音降低到實(shí)際要求的安全水平范圍內(nèi)。汽輪機(jī)由于泵、風(fēng)機(jī)等輔助裝置眾多，因此一般都存在流體噪聲和結(jié)構(gòu)振動(dòng)的情況

3.6 燃料適應(yīng)性

曾經(jīng)認(rèn)為，可以將燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)成可以燃用任何一種燃料的熱機(jī)，從人造黃油至人造煤氣。但是對(duì)于燃?xì)獬鯗赜休^高要求的燃?xì)廨啓C(jī)而言，實(shí)際上需要特別注意選擇及處理其燃料，因此，諸如航空燃?xì)廨啓C(jī)通常選擇燃用輕質(zhì)燃油，而重型燃?xì)廨啓C(jī)可燃用重油以及渣油。汽輪機(jī)作為靠燃料加熱水形成過熱蒸汽而做功的外燃式動(dòng)力機(jī)械，對(duì)燃料則幾乎沒有要求，燃用煤時(shí)，通常需要進(jìn)行脫硫脫硝處理。

3.7 環(huán)境適應(yīng)性

有別于汽輪機(jī)裝置，燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)于進(jìn)口環(huán)境條件的變化異常的敏感，尤其是進(jìn)口溫度。由于燃?xì)廨啓C(jī)是直接對(duì)工作流體進(jìn)行加熱，因此高進(jìn)口溫度通常會(huì)降低其功率輸出。對(duì)于汽輪機(jī)而言，則需要監(jiān)控給水狀況，以免損壞鍋爐等設(shè)備

3.8 裝置效率

燃?xì)廨啓C(jī)中，渦輪的效率對(duì)整機(jī)的效率影響更為顯著，渦輪效率減少1%時(shí)，整機(jī)效率往往會(huì)減少2%~4%，因此，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部流通部分進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，往往比汽輪機(jī)的要求更高

3.9 各種損失

燃?xì)廨啓C(jī)的級(jí)內(nèi)損失與汽輪機(jī)相類似，其中不存在濕汽損失，但是卻有葉片冷卻損失。燃?xì)廨啓C(jī)末端葉片排氣軸向分速可達(dá)到150~200m/s，此時(shí)的排氣余速可達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)可用能的10%，存在著一定程度的余速損失

3.10 裝機(jī)容量

燃?xì)廨啓C(jī)可用的焓降大約為汽輪機(jī)的1/5~1/3，因此其級(jí)數(shù)與軸向尺寸與汽輪機(jī)相比有所減少和縮短。為了達(dá)到與汽輪機(jī)相同的功率，燃?xì)廨啓C(jī)需要更多的流量，因此其第一級(jí)通常高于汽輪機(jī)的對(duì)應(yīng)級(jí)數(shù)。燃?xì)廨啓C(jī)渦輪大部分的功率通常用于驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)，大約只有1/3~2/5 的功率可對(duì)外輸出。綜合來講，現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)的最大裝機(jī)容量遠(yuǎn)小于汽輪機(jī)的裝機(jī)容量

燃?xì)廨啓C(jī)是一種先進(jìn)而復(fù)雜的成套動(dòng)力機(jī)械裝備，是典型的高新技術(shù)密集型產(chǎn)品。作為高科技的載體，燃?xì)廨啓C(jī)代表了多理論學(xué)科和多工程領(lǐng)域發(fā)展的綜合水平，是21世紀(jì)的先導(dǎo)技術(shù)。發(fā)展集新技術(shù)、新材料、新工藝于一身的燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)，是國(guó)家高技術(shù)水平和科技實(shí)力的重要標(biāo)志之一，具有十分突出的戰(zhàn)略地位。由于多方面的原因，我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)同國(guó)際先進(jìn)水平相比仍存在很大差距。因此，我們要重視民族燃機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，優(yōu)先發(fā)展重型燃?xì)廨啓C(jī)，不斷地提高與完善燃?xì)廨啓C(jī)與汽輪機(jī)的動(dòng)力性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和靈活性，以適應(yīng)和滿足不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，為推動(dòng)機(jī)械工業(yè)的不斷發(fā)展而努力

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