燃?xì)廨喌恼f明介紹

xiaobing86203

燃?xì)廨啓C被稱為制造業(yè)的王冠，作為一個體形龐大的工業(yè)機械巨獸，它既要追求高效性能，又需考慮經(jīng)濟效益，這是一種讓制造業(yè)糾結(jié)于魚和熊掌的痛苦。

目前，航空發(fā)動機和燃?xì)廨啓C“兩機”科技重大專項已經(jīng)順利成為國家第20個重大技術(shù)專項，與空天飛機和高超音速飛行器專項一起成為國家航空航天領(lǐng)域的重要突破。

% x0 I2 u; Y. ?' V% C# z今天這篇文章就來跟大家聊聊被譽為工業(yè)皇冠上明珠的燃?xì)廨啓C！

$ g7 T) F9 W1 k( k燃?xì)廨啓C原理

: N! f  ]7 L# L# h燃?xì)廨啓C（GasTurbine）是以連續(xù)流動的氣體為工質(zhì)、把熱能轉(zhuǎn)換為機械功的旋轉(zhuǎn)式動力機械，包括壓氣機、加熱工質(zhì)的設(shè)備（如燃燒室）、透平、控制系統(tǒng)和輔助設(shè)備等。
* w" X5 i0 d; Q2 N. |( @0 A7 B
按照燃燒室溫度目前分為E級，F(xiàn)級和目前最先進的H級。其中，E級重型燃?xì)廨啓C透平進口約1200℃，F(xiàn)級透平進口溫度約為1400℃，目前最先進的H級透平進口溫度達(dá)到1430℃-1600℃。溫度越高，技術(shù)等級越高。

! b1 b1 h1 q; e3 J6 ]* v6 Q" g現(xiàn)代燃?xì)廨啓C發(fā)動機主要由壓氣機（藍(lán)色）、燃燒室（紅色）、透平（黃色）。

當(dāng)它正常工作時，工質(zhì)順序經(jīng)過吸氣壓縮、燃燒加熱、膨脹做功以及排氣放熱等四個工作過程而完成一個由熱變功的轉(zhuǎn)化的熱力循環(huán)。壓氣機從外界大氣環(huán)境吸入空氣、并逐級壓縮（空氣的溫度與壓力也將逐級升高）；壓縮空氣被送到燃燒室與噴入的燃料混合燃燒產(chǎn)生高溫高壓的燃?xì)猓蝗缓笤龠M入透平膨脹做功；最后是工質(zhì)放熱過程，透平排氣可直接排到大氣、自然放熱給外界環(huán)境，也可通過各種換熱設(shè)備放熱以回收利用部分余熱。在連續(xù)重復(fù)完成上述的循環(huán)過程的同時，發(fā)動機也就把燃料的化學(xué)能連續(xù)地部分轉(zhuǎn)化為有用功。

. b* G) u, u3 p  p% ]" F1 j  a

燃?xì)廨啓C屬熱機，空氣是工作介質(zhì)，空氣中的氧氣是助燃劑，燃料燃燒使空氣膨脹做功，也就是燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成機械能。下圖是一臺燃?xì)廨啓C原理模型剖面，通過它來了解燃?xì)廨啓C的工作原理。從外觀看燃?xì)廨啓C模型：整個外殼是個大氣缸，在前端是空氣進入口；在中部有燃料入口，在后端是排氣口（燃?xì)獬隹冢?font class="jammer">2 H( M2 x8 X, P5 U* @0 c! f

7 Y9 s/ g  X/ i2 x( v, `9 y9 o

( s4 _- }" E/ u6 m0 n. c3 Y' }燃?xì)廨啓C主要由壓氣機、燃燒室、渦輪三大部分組成，左邊部分是壓氣機，有進氣口，左邊四排葉片構(gòu)成壓氣機的四個葉輪，把進入的空氣壓縮為高壓空氣；中間部分是燃燒器段（燃燒室），內(nèi)有燃燒器，把燃料與空氣混合進行燃燒；右邊是渦輪（透平），是空氣膨脹做功的部件；右側(cè)是燃?xì)馀懦隹凇?br /> 3 z0 V6 c8 }2 d; i
# f# ]( B! u' ?燃?xì)廨啓C動力裝置是指包括燃?xì)廨啓C發(fā)動機及為產(chǎn)生有用的動力（例如：電能、機械能或熱能）所必需的基本設(shè)備。為了保證整個裝置的正常運行，除了主機三大部件外，還應(yīng)根據(jù)不同情況配置控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)等。

. o- N3 g; i$ J, c& a9 C2 G在下圖中表示了燃?xì)廨啓C的簡單工作過程為：空氣從空氣入口進入燃?xì)廨啓C，高速旋轉(zhuǎn)的壓氣機把空氣壓縮為高壓空氣，其流向見淺藍(lán)色箭頭線；燃料在燃燒室燃燒，產(chǎn)生高溫高壓空氣；高溫高壓空氣膨脹推動渦輪旋轉(zhuǎn)做功；做功后的氣體從排氣口排出，其流向見紅色箭頭線。
: v$ b: Y& H. c/ a* Y
( P* A* \0 y# r4 r' i

在燃?xì)廨啓C中壓氣機是由渦輪帶動旋轉(zhuǎn)，壓氣機的葉輪與渦輪安裝在同一根主軸上組成燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)子，燃燒室產(chǎn)生的高溫膨脹氣體是同時作用到渦輪葉片與壓氣機葉片上，如何保證渦輪帶動壓氣機正向旋轉(zhuǎn)呢？
- H& i7 ~* z. y& T! j, P
6 ^3 x" H! @0 B

簡單說渦輪葉片工作直徑大于壓氣機出口處的葉片工作直徑，渦輪葉片的面積也大于壓氣機出口處的葉片面積，這就初步保證在同一壓力下渦輪的輸出力矩大于壓氣機所需的力矩，當(dāng)然更重要的是壓氣機葉片與渦輪葉片的良好空氣動力學(xué)設(shè)計才能保證兩者高效運行。燃?xì)廨啓C在設(shè)計時就要保證渦輪機輸出的功率要大于壓氣機所需的功率，才能使燃?xì)廨啓C在帶動壓氣機的同時還能向外輸出功率。
. `& k7 e5 A( }- ~9 L
& c3 h$ x; d0 @& E' X% ^, |2 j燃燒室的那些事
9 d9 R" C3 e4 B: \/ g8 o9 G0 v# `- @: S
: Z  j3 h7 F& q燃?xì)廨啓C的燃燒室可以說融合了整個燃機的大部分高精尖技術(shù)，比如H級燃機運轉(zhuǎn)時，燃燒室內(nèi)部的溫度可以達(dá)到近1600度的高溫！比火山巖漿還要熱，絕大部分的金屬在這個溫度下都會熔化。所以，咱們也就重點說說燃燒室里發(fā)生的那些事兒。

一臺燃?xì)廨啓C的燃燒室中配有大概500塊這樣的隔熱瓷片，在隔熱瓷片受熱一面的溫度將近1600攝氏度，而另一側(cè)的溫度僅有600多攝氏度，這些大約4厘米厚的陶瓷隔開了近1000度的高溫！

& K6 H) p2 u2 F8 J1 s" g! g' i西門子SGT-4000F型燃?xì)廨啓C的燃燒室

燃燒室中的氣體還會以堪比龍卷風(fēng)的速度（每秒100米）不斷沖擊著燃燒室。所以這些瓷片還必須能抗住強大的沖擊力——甚至要比應(yīng)用于航天飛機上的隔熱瓷片還結(jié)實。這是因為航天飛機上的隔熱陶瓷在每次降落后和起飛前都會經(jīng)過嚴(yán)格的檢查并替換受損瓷片，而燃?xì)廨啓C中的隔熱瓷片需要在運行數(shù)千小時候后才會進行檢修。
9 C4 D, T" K. E
6 O8 r0 V4 r, Q7 W通過采用隔熱瓷片，燃燒室內(nèi)外壁的冷卻任務(wù)已經(jīng)完成，接下來的任務(wù)卻更有挑戰(zhàn)。在之前介紹燃機原理中我們說到，燃燒后的高溫氣體會推動透平區(qū)的葉片轉(zhuǎn)動。

透平區(qū)的第一級葉片在燃機運轉(zhuǎn)時，不僅要耐得住將近1600度的高溫，還要以音速旋轉(zhuǎn)，承受相當(dāng)于自身重量一萬倍的離心力。
$ J2 |: m0 u7 b) M0 T
燃?xì)廨啓C是軍艦動力方案的選擇之一
/ x( T% z4 [' v" `1 _
目前世界主要海軍強國在軍艦動力方案選擇上，燃?xì)廨啓C的主要競爭對手是艦用柴油機和艦用蒸汽輪機，但是由于燃?xì)廨啓C先天優(yōu)勢與軍艦動力系統(tǒng)性能要求更為吻合，燃?xì)廨啓C成為了各國軍艦動力系統(tǒng)發(fā)展的唯一選擇。
4 Z2 g. H% b, Q( q  q" [
' C7 v/ |/ v/ T  R2 d9 Q0 R

燃?xì)廨啓C的優(yōu)勢

功率密度極大
一般情況下，同等功率的燃機體積是柴油機的三分之一到五分之一，是蒸汽輪機的五分之一到十分之一左右。
5 y) C4 [! [2 w# n* t
$ {$ A7 P4 A2 Y: h$ T' x) c: o# Q啟動速度快
雖然燃機的轉(zhuǎn)速是三種動力系統(tǒng)中最高的，但是由于整個轉(zhuǎn)子十分輕巧，在啟動機幫助下在1-2分鐘就可以達(dá)到最高轉(zhuǎn)速。而啟動速度，對于軍艦的戰(zhàn)時出動和反潛作戰(zhàn)時加減速性能有著直接的影響。
" q; u+ P6 A& P& ]$ |! S
8 d/ |. Q0 P. F- ^噪聲低頻分量很低
由于燃?xì)廨啓C本身處于高速穩(wěn)定轉(zhuǎn)動當(dāng)中，產(chǎn)生的噪聲更多是高頻嘯聲。柴油機的活塞往復(fù)產(chǎn)生了大量低頻機械振動噪聲，恰好迎合了海洋容易傳播低頻噪聲的特點，導(dǎo)致軍艦容易被敵方聲納探測。
1 g1 N- j  y# N( G5 f. {由于多方面的原因，我國燃?xì)廨啓C同國際先進水平相比仍存在很大差距，尚未形成真正的產(chǎn)業(yè)。我國在艦載燃?xì)廨啓C方面一直沒能突破技術(shù)瓶頸的主要原因有很多，既有航空動力方面的問題也有艦用燃機工業(yè)本身的體制問題。
據(jù)了解，被譽為裝備制造業(yè)“皇冠上的明珠”的燃?xì)廨啓C國內(nèi)市場始終被美國通用電氣公司、德國西門子公司、日本三菱重工等國外企業(yè)占據(jù)，雖然，國內(nèi)主機廠商在自主研發(fā)上有所進展，例如AE94.3A燃機透平葉片啟動國產(chǎn)化生產(chǎn)，5萬千瓦重型燃機1-17級壓氣機試驗成功，但這些企業(yè)主要具備的是裝配制造能力，實際的核心技術(shù)和品牌還屬于國外企業(yè)，仍未有國產(chǎn)品牌的燃?xì)廨啓C進入市場。

“
+ p, n# |" j6 a6 I1 K燃?xì)廨啓C涵蓋多個方面，包括設(shè)計能力、金屬制造能力、裝配能力、加工工藝、試驗?zāi)芰Φ龋枰煌瑢I(yè)之間的相互配合，形成從設(shè)備制造、材料制造到系統(tǒng)集成的整套產(chǎn)業(yè)鏈。希望我們國家可以早日制造出屬于自己的燃機輪機，中國制造加油！
- B6 k: M  I5 M, @% ~) \5 @”


0 z" G* y6 M* f; o0 z
7 X3 k5 O. h' H, t, B
; A& a% M" u" I# L9 A- @4 Y8 }

韓寒11

燃?xì)廨喪褂迷谲娕炆媳容^多

未來第一站

國產(chǎn)東汽、哈汽F級以下的應(yīng)該能拿得出手吧。

JXTTTTT

學(xué)習(xí)了！