摘　要：作為一種新型熱機，微小型燃氣輪機具有清潔、可靠、多用途等特點，近年來得到了廣泛關(guān)注和快速發(fā)展。介紹微小型燃氣輪機的技術(shù)特點，對以微小型燃氣輪機為核心的分布式發(fā)電和車輛動力系統(tǒng)進行研究，并展望微小型燃氣輪機的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：微小型燃氣輪機；分布式發(fā)電；車輛；動力

微小型燃氣輪機是近年來迅速發(fā)展起來的一種小型熱機，其單機功率在1000kW以內(nèi)。受技術(shù)、材料、加工手段等條件的制約，早期的微小型燃氣輪機發(fā)展較為緩慢，存在制造復(fù)雜、壽命短、可靠性差、熱效率低、費效比高等諸多缺點，嚴重制約了微小型燃氣輪機的發(fā)展。隨著技術(shù)的不斷進步，特別是小型回?zé)崞鞯膽?yīng)用，微小型燃氣輪機的技術(shù)難度逐漸降低，與無回?zé)崞鞯膫鹘y(tǒng)燃氣輪機相比，其熱效率大幅提高，接近或者超過內(nèi)燃機水平。此外，隨著能源與動力需求的全球化，特別是發(fā)電機組和車輛動力環(huán)保要求的普及化，微小型燃氣輪機在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

隨著技術(shù)的進步，微小型燃氣輪機在經(jīng)濟性、可靠性、維護性及排放性方面都有了較大的進步。其具有體積小、質(zhì)量輕、噪聲低、排放低、適合多種燃料并且燃料消耗率低、維護費用經(jīng)濟、不需冷卻液、可靠近終端用戶安裝等一系列優(yōu)勢，可以廣泛應(yīng)用于分布式發(fā)電及熱電聯(lián)供。同時，微小型燃氣輪機在軍民用交通運輸?shù)确矫嬉簿哂幸欢▋?yōu)勢。目前，基于微小型燃氣輪機的分布式供能技術(shù)已被列入我國《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》。

1 微小型燃氣輪機基本原理及結(jié)構(gòu)

微小型燃氣輪機的基本原理及結(jié)構(gòu)與大中型燃氣輪機一致，主要由壓氣機、燃燒室、渦輪、動力渦輪等結(jié)構(gòu)組成。微小型燃氣輪機功率較低，如果單純采用簡單循環(huán)會導(dǎo)致熱效率偏低。所以在微小型燃氣輪機中通常采用間冷、回?zé)?、補燃等復(fù)雜循環(huán)手段來提高整機性能水平。

1.1 基本原理

微小型燃氣輪機的基本原理如圖1所示?？諝庥蛇M氣口吸入，經(jīng)低壓壓氣機壓縮、間冷器降溫后由高壓壓氣機壓縮，而后流過回?zé)崞鬟M入燃燒室燃燒。高壓渦輪的高溫燃氣可以進行補燃（二次燃燒），補燃后的氣體通過動力渦輪對外做功，完成復(fù)雜循環(huán)過程。

間冷器的作用是降低進入高壓壓氣機的空氣溫度，以降低壓氣機功耗；回?zé)崞鞯淖饔檬鞘惯M入燃燒室的空氣溫度提高，以提高燃燒室效率；補燃的作用是充分利用高溫燃氣，使其進行二次燃燒。采用上述3種方法，可以提高整機的熱效率。

1.2 結(jié)構(gòu)特點

微小型燃氣輪機主要由燃氣發(fā)生器和動力渦輪部件組成。其中燃氣發(fā)生器由壓氣機，環(huán)形燃燒室，渦輪構(gòu)成。某小型燃氣輪機結(jié)構(gòu)見圖2。

該機采用帶環(huán)形過濾網(wǎng)的環(huán)形進氣機匣，壓氣機由4級軸流式壓氣機與單級離心式壓氣機共同組成，帶21根擴壓管的燃氣發(fā)生器機匣、14個單路離心式噴嘴的環(huán)形回流燃燒室、單級壓氣機渦輪及其氣冷式整體鑄造導(dǎo)向器、2級動力渦輪及單口徑向排氣蝸殼。

2 車輛用微小型燃氣輪機發(fā)展現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的重型車輛都是用柴油機作為動力。20世紀50年代起，噴氣發(fā)動機取代活塞發(fā)動機在飛機上使用。部分發(fā)達國家開始對采用燃氣輪機作為重型軍事車輛動力進行研究，經(jīng)過幾十年的不斷改進，美國和俄羅斯的技術(shù)最為先進，產(chǎn)品得到了廣泛應(yīng)用。

2.1 美國的車輛用燃氣輪機

1976年，美國陸軍在新一代XM-1主戰(zhàn)坦克上使用AGT-1500燃氣輪機作為其動力裝置。1978年，開始對AGT-1500燃氣輪機在XM-1上的應(yīng)用進行可靠性、耐久性試驗。1979年，美國國防部批準生產(chǎn)XM-1型坦克試。目前，M1，M1A1和M1A2都以AGT-1500燃氣輪機為動力，總數(shù)量已超過1萬余臺。

AGT-1500燃氣輪機在高溫和沙漠地區(qū)表現(xiàn)出極高的可靠性和易維護性，出勤率也非常出色，沒有一臺需要更換備用發(fā)動機，也沒有遇到任何維護問題。發(fā)動機排氣干凈，不冒煙，噪音小。發(fā)動機功率大、體積小、質(zhì)量輕，使車輛表現(xiàn)出極高的機動性。參戰(zhàn)的1956輛M1A1僅4輛被摧毀、4輛被擊傷，無人員死亡。但在其使用中存在油耗偏高的缺點。

AGT-1500燃氣輪機的剖面見圖3。該燃氣輪機為三軸結(jié)構(gòu)：低壓轉(zhuǎn)子、高壓轉(zhuǎn)子和動力渦輪轉(zhuǎn)子。5級軸流式低壓壓氣機帶可調(diào)進口導(dǎo)流葉片；高壓壓氣機由4級軸流式壓氣機和單級離心式壓氣機組成；每個壓氣機轉(zhuǎn)子由單級渦輪帶動，高壓渦輪導(dǎo)向葉片與工作葉片均為空心氣冷。2級動力渦輪帶可變幾何進口導(dǎo)流葉片，高壓壓氣機排出的空氣經(jīng)回?zé)崞鞅粍恿u輪排出的燃氣加熱后再進入單管式燃燒室。燃氣輪機由全功能數(shù)字電子調(diào)節(jié)器自動控制。

2.2 俄羅斯的車輛用燃氣輪機

俄羅斯于20世紀60年代開始對車輛用燃氣輪機進行研究。1979年，功率為735kW的簡單循環(huán)燃氣輪機裝備于т-80上。1984年，功率為809kW的гтд-1100型燃氣輪機裝備于т-80Б上。1990年，功率為909kW的гтд-1250型燃氣輪機裝備于т-80у上。20世紀90年代，俄羅斯開發(fā)了新一代гтд-1500型燃氣輪機，其包含回?zé)嵫b置及高效率壓氣機。與以前的型號相比，新型號體積更小，質(zhì)量更輕，同時油耗也有所降低。

гтд-1250型燃氣輪機的外形與結(jié)構(gòu)分別見圖4和圖5。該機為簡單循環(huán)燃氣輪機，低壓壓氣機與高壓壓氣機均為單級離心式，燃燒室為回流環(huán)形，高壓渦輪、低壓渦輪與動力渦輪均為單級軸流式。

3 車輛用微小型燃氣輪機綜合分析

自從20世紀70年代末燃氣輪機開始大規(guī)模裝備于軍用車輛以來，人們對燃氣輪機是否適用于車輛動力的爭論就從未停止?？梢哉f自車用燃氣輪機誕生之日起，就一直在爭論中坎坷發(fā)展。

3.1 車用燃氣輪機的優(yōu)點

總體看來，采用燃氣輪機作為動力的車輛具有很多優(yōu)點：1）加速性能好。燃氣輪機功率大，從空載到最大功率只需不到3s，將50余t車輛從零加速到30km/h只需要6s左右，比柴油機快2～3倍，極大地提高了車輛的機動性與生存性。2）功率密度高。與同功率檔的柴油機相比，燃氣輪機的功率質(zhì)量比為1.360，而柴油機為0.566；燃氣輪機的體積功率比為0.00073，而柴油機為0.00096。在同等功率下，燃氣輪機可以做得更小更輕，以便車輛承擔更多負載或燃料。3）噪音低。柴油機工作時噪音大、顆粒污染物多，而燃氣輪機排氣溫度低、雜質(zhì)少、噪音低50%以上。同時，燃氣輪機還具有啟動方便、可以使用多種燃料、低轉(zhuǎn)速扭矩高等一系列優(yōu)點。

3.2 車用燃氣輪機的缺點

隨著新技術(shù)、新材料等的逐步應(yīng)用，車輛用燃氣輪機的早期缺點不斷改進，但其仍存在空氣濾清量大、制造及使用成本高、沖擊負荷大、頻繁變換工況導(dǎo)致燃油消耗量大等問題。

4 車用燃氣輪機燃油消耗量大的解決途徑

燃氣輪機在低工況燃油消耗量大是各功率檔燃氣輪機都存在的共性問題，在此不做詳細討論，僅根據(jù)車用燃氣輪機的工作特性，提出一些解決辦法。

從同時具備間冷回?zé)岬膹?fù)雜循環(huán)燃機WR-21工作曲線可以看出，與同功率簡單循環(huán)燃機相比，不僅其額定功率高，而且在大部分功率范圍內(nèi)具有較為平坦的耗油率曲線（在35%額定負荷下，其耗油率也接近額定負荷）。因此，采用復(fù)雜循環(huán)技術(shù)是提高燃氣輪機經(jīng)濟性的重要途徑。

AGT-1500燃氣輪機具有回?zé)嵫b置。按照車輛使用性質(zhì)，美國陸軍分別在公路、越野、怠速3種不同工況下對柴油機和燃氣輪機進行實際試驗。表1為該實驗的部分數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

來源于航空渦扇發(fā)動機的LM2500燃氣輪機自誕生之日起，逐步采用各種最新技術(shù)，從最初的18MW到G4的33.4MW，LM2500燃機涵蓋了2個連續(xù)的功率等級，充分滿足了各類客戶的需求?？梢哉J為，LM2500燃機是世界上最成功和優(yōu)秀的燃氣輪機，其研制及發(fā)展歷程為我國大規(guī)模開展燃機輪機研究提供了不可多得的寶貴經(jīng)驗。

參考文獻：

[1]嚴成忠.燃氣輪機技術(shù)--21世紀軍用常規(guī)動力的共性技術(shù)[J].航空發(fā)機,2000(3):1-5.

[2]李孝堂.燃氣輪機的發(fā)展及中國的困局[J].航空發(fā)動機,2011(3):1-7.

[3]畢小平,路鋒.燃氣輪機作為坦克動力的現(xiàn)狀與分析[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報,2011(1):32-35.

[4]世界燃氣輪機手冊編委會.世界燃氣輪機手冊[M].北京:航空工業(yè)出版社,2011.

[5]沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責(zé)任公司.燃氣輪機原理、結(jié)構(gòu)與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

(本文作者：沈燁 中國航空工業(yè)集團公司 沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽 110015)