​燃气轮机的主要结构和工作原理（工业机械中的巨兽）

燃气轮机的主要结构和工作原理（工业机械中的巨兽）

想知道燃机和达芬奇有什么关系么？想知道如今的燃气轮机哪家强？快来看史上最全图说！先来一睹真容↓↓↓

为了缓解雾霾，“减煤增气”已经成为了能源结构调整的大趋势，而燃气轮机在天然气发电、输送、交通领域都是不可或缺的动力支持。随着中国天然气网络的逐步完善，未来东线、西线、中亚、海上的天然气资源将源源不断的进入中国，用“气源不足”为借口保护“煤炭老大哥”可能会站不住脚了，而更干净的电也意味着更干净的天空~

↓↓↓燃气轮机用于发电↓↓↓

气 火=动力：燃气轮机原理大解剖

燃气轮机（GasTurbine）是什么？顾名思义，就是气体燃烧后推着涡轮转的机器。更确切的说，燃气轮机是一种通过燃烧，将连续流动的气体作为工质带动叶轮高速旋转，即将热能转换为机械工的旋转式热力发动机。

燃气轮机内空气和燃气的主要流程中，由压气机（Compressor），燃烧室（Combustor）和燃气透平（Turbine）三大部分组成的燃气轮机循环（如下图），通称为简单循环，这也是大多数燃气轮机采用的循环方案，此外还有回热循环和复杂循环。

如今，燃气轮机已经成为工生产领域不可或缺的工业设备，主要用于天然气发电、天然气压缩输送、交通等领域。燃气轮机占地面积较小，在用于车、船等运输机械时，既可节省空间，也可装备功率更大的燃气轮机以提高车、船速度。而且，随着联合循环技术的开发和推广，燃气轮机的效率从一般的30%~40%提升到了60%上下。如果采用热电联供，燃气轮机对天然气的使用效率最高能到90%左右！

燃气轮机进化史：达芬奇也曾是燃气轮机设计师！

虽然中国在现代燃气轮机发展上比国外的小伙伴们落后了一些，但是聪明的华夏儿女早就把燃气轮机的原理“玩”在手上呢：早在公元12世纪南宋高宗年间的走马灯是燃气轮机透平（Turbine）的最早雏形。3个世纪后，意大利人达芬奇设计出了和走马灯原理相似的烟气转动装置。直到17世纪中叶，透平原理才在欧洲得到了较多应用。

↓↓↓达芬奇烟气转动装置手稿，大约1500年↓↓↓

1791年，英国人John Barber申请获得了第一项燃气轮机发明专利：《获取和应用动力能，一种使易燃气体上升获取动力和提高冶金效率的方法论》，这也是历史上第一次对燃气轮机的工作原理进行了科学描述。

↓↓↓John Barber专利示意图↓↓↓

随后，德国人Franz Stolze在1872年设计了一台燃气轮机，并在1900～1904年进行了试验，但因始终未能脱开起动机独立运行而失败。1905年，法国的Armengaud Lemale制成第一台采用离心式压缩机的能输出功的燃气轮机，但因效率太低未获得实用。1903年，Stanford Moss 博士加入通用电气（General Electric Company）并在1918年在GE成立燃气轮机部门，这也就不奇怪为什么GE在如今的燃气轮机领域的领先地位。

↓↓↓当时的GE燃气轮机“先锋”们↓↓↓

1920年，德国人Holzwarth制成第一台功率为370千瓦的实用燃气轮机，效率为13％、，但因存在许多重大缺点而被人们放弃。终于，1939年，世界上第一台用于发电的四兆瓦燃气轮机由瑞士Brown Boveri公司研制成功，效率达18%。要知道这台“老古董”一直用到了2002年！

↓↓↓1939年，燃气轮机负荷试验↓↓↓

（图片来源：MIT GASRURBINE LABORATORY）

↓↓↓1939年，第一座工业用燃气轮机示意图↓↓↓

（图片来源：MIT GASRURBINE LABORATORY）

还记得前面通用电气的那个燃气轮机部门么？美国第一座用于商业发电的燃气轮机就是GE研发的。这座 3.5兆瓦的燃气轮机于1949年开始在美国奥克百丽岛发电站运行，也成为了美国历史上第一座用于发电的燃气轮机。1950年后，燃气轮机的使用开始逐渐普及。

↓↓↓位于美国奥克百丽岛发电站的GE燃气轮机，如今已成为展品↓↓↓

燃气轮机也能大数据？

脱胎于蒸汽轮机和内燃机，现代燃气轮机主要依照两种技术路径发展：重型燃气轮机和以航改机为主的轻型燃气轮机。

↓↓↓复杂而庞大的重型燃气轮机↓↓↓

前者动辄上百吨，功率在3万到50万千瓦不等，寿命可达10万小时以上，一般用于发电、气体压缩和机械驱动。而轻型燃机最大功率在几万千瓦左右，除了发电和压缩气体，还多用在交通领域。其中主流的航改机指的是从航空发动机基础上改型后的燃机。（有业内人士对能豆君说：区分航改机和航空发动机只要看两点：一是看有没有“外壳”，二是看是不是“喷气”）

↓↓↓精密轻巧的航改机↓↓↓

一般来说，工业燃气轮机和航改机的生产企业不同，前者往往出自汽轮机厂，后者则多出自航空发动机厂。当然，也有例外，比如GE就是两者“通吃”，是目前世界上唯一一家同时提供大型商用航空发动机和电站燃气轮机的厂商，也拥有产品门类和系列最齐燃气轮机产品。

↓↓↓GE燃气轮机家族：数字打头为重型燃气轮机，LM打头的是航改机↓↓↓

如今的燃气轮机不单单是会闷头“作功”，也开始拥抱互联网来提高能效了。以GE为代表的燃气轮机主要生产商也纷纷通过大数据对燃气轮机的运行进行监测，并对运行中的潜在问题进行预判和诊断。

下面的界面显示GE在全世界大约有7000台燃气轮机运转。数据系统在15天内，每隔15分钟就会从其中713台轮机中收集数据。下图中的每一根闪光代表着某地的一台燃气轮机开启。图中圆形的大小由每个轮机的容量决定，高度由每个轮机的最大输出功率决定。如今已经有累计3万小时的系统统计数据。

↓↓↓未来的工业互联世界，燃气轮机也是一部分呢↓↓↓

燃气轮机哪家强？

哒哒哒~ 说了这么多，让我们快来看看目前市场上那些大牛的燃气轮机制造商都在干什么吧~一大波美图即将袭来！

GE：重型燃气轮机是我们的，航改机也是我们的

作为世界上最大的燃气轮机生产销售商，GE拥有的产品门类和系列最齐全的燃气轮机产品。2014年全球燃气涡轮提供的电力中，GE占比51%位列第一，远高于分别占比23%、13%和7%的第二、三、四位。

目前世界上最先进的GE 9HA燃气轮机是GE目前主推的一款产品，具有先进的空气冷却技术，可承担基本负荷和调峰负荷。简而言之，9HA的特点就是：效率高，尾气净，还有配有6个传感器进行每秒8000个数据点的监测。截止2015年4月，9HA燃气轮机已经接到了10亿美元的订单。

↓↓↓9HA 研发路径↓↓↓

↓↓↓GE 9HA 燃气轮机↓↓↓

↓↓↓GE 9HA 燃气轮机↓↓↓

↓↓↓9HA在运输途中↓↓↓

↓↓↓9HA连接到驱动列车试验台（全球唯一全速满载测试平台）↓↓↓

而作为开发航空发动机的公司，GE有航改式燃气轮机开发的先天优势，以LM系列航改机为例，它传承了航空发动机的优势，结构轻巧、外形尺寸小、能在基本负荷和频繁起停时均保持高效稳定运行，而且具有大修间隔长且维修停机时间短等特点，使其非常适用于分布式能源站，而分布式能源也正式GE目前非常重视的业务板块之一。

↓↓↓LM2500系列航改机↓↓↓

↓↓↓LM6000系列航改机↓↓↓

30年前，GE作为全球最大的燃气轮机供应商进入了中国燃气轮机市场，与南京汽轮电机集团有限责任公司和哈尔滨电气集团公司相继进行合作。

如今，GE在中国市场上销售的燃气轮机包括9E.03、9E.04、6F.01、6F.03、9HA.01/.02、9F.05、9F.03/04等多种型号。北京的高井电厂、桂林世界旅游城，上海漕泾热电厂都成为了GE重型燃气轮机的用户。

阿尔斯通：燃气轮机技术牛到“抢手”

阿尔斯通的燃气轮机技术也在行业中占有重要地位，可谓老牌燃气轮机生产商之一。早在1986年，阿尔斯通就从法国电力公司处获得当时世界上最大的燃气轮机（212MW）订单。

1999年，阿尔斯通能源部门与ABB合资成立ABB阿尔斯通电力公司，同时将其重型燃气轮机业务出售给美国通用电气公司。而去年6月，阿尔斯通被通用电气收购，除了将收购阿尔斯通的燃气轮机业务，GE将以合资的形式入股蒸汽轮机，新能源以及电网业务。GE、阿尔斯通强强联手，别人家燃气轮机的日子……

阿尔斯通旗下的燃气轮机结合了效率、稳定性和灵活度。其中用于60HZ的GT24和用于50赫兹的GT26可谓精品：满荷载与荷载低时相对效率高，灵活性较高且维护简单↓↓↓

↓↓↓阿尔斯通在中国市场主要销售的是其最具代表性的GT13E2燃气轮机↓↓↓

↓↓↓阿尔斯通燃气轮机功率比较↓↓↓

西门子：一座城市靠一台燃气轮机供电就够了！

同样在燃气轮机领域扎根已久，截至2013财年，西门子已为全世界提供了约3000台发电用燃气轮机，包括1400多台中小型燃气轮机和1500多台大型燃气轮机。西门子在华销售的燃气轮机单机功率涵盖5~375MW。

如今，8000H级燃气轮机作为西门子先进燃气轮机技术的代表，其单循环输出功率达375 MW，联合循环净功率超过60%，已取得了累计超过9万等效运行小时的业绩。从2014年1月起，西门子开始采用3D打印技术制造燃气轮机的金属零部件，从而成为全球工业制造业第一个在金属零部件实际生产中应用3D技术的公司。

目前西门子最热门的SGT5-8000H燃气轮机重390吨（相当于一架加满油的空客A380），长13.1米，宽4.9米，高4.9米 ，功率为375MW。而一台SGT5-8000H的发电量，足够1个工业化大城市用电量。涡轮叶片，要承受超过1500°C的高温，且叶片叶尖转速超过1700公里/小时！

↓↓↓西门子SGT5-8000H↓↓↓

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