探索丨我国燃气轮机的发展史

燃气轮机作为现代动力工程领域的关键设备，以其高效、强大的动力输出，在众多行业发挥着不可或缺的作用。无论是翱翔天际的飞机，还是破浪前行的舰船，亦或是为城市输送电力的发电站，燃气轮机都扮演着核心动力源的角色。今天就来聊一聊我国的燃气轮机。

▏****什么是燃气轮机燃气轮机是一种先进的热力发动机，以内燃方式将燃料化学能转化为机械能。其工作原理基于布雷顿循环，通过连续流动的气体工质完成能量转换。一、燃气轮机的工作原理燃气轮机的工作基于布雷顿热力循环，该循环由进气、压缩、燃烧、膨胀做功和排气这几个连续过程构成。在进气过程中，外界空气被吸入燃气轮机。随后，压气机对空气进行压缩，提升其压力和温度。这一过程如同为后续的燃烧反应搭建“舞台”，使空气具备更高的能量状态。压缩后的空气进入燃烧室，与燃料进行混合并剧烈燃烧。燃料的化学能在此转化为高温高压燃气的内能，燃气温度可达1000℃以上，压力也大幅提升。高温高压燃气紧接着进入涡轮，推动涡轮叶片高速旋转，将内能转化为机械能。涡轮输出的机械能一部分用于驱动压气机持续运转，维持整个循环的进行，另一部分则作为有用功输出，驱动负载。二、结构组成1.压气机压气机是燃气轮机的“空气压缩机”，其主要功能是提高空气压力。根据结构不同，压气机可分为轴流式和离心式。轴流式压气机通过多级叶片对空气进行连续压缩，具有流量大、效率高的特点，常用于大型燃气轮机；离心式压气机则利用离心力对空气进行压缩，结构相对简单，适用于小型燃气轮机。2.燃烧室燃烧室是燃料与空气混合燃烧的场所，如同燃气轮机的“心脏”。它需要在高温、高压且高速气流的环境下，确保燃料稳定、高效地燃烧。为实现这一目标，燃烧室设计采用了先进的燃烧组织技术，如分级燃烧、贫预混燃烧等，以降低氮氧化物排放，提高燃烧效率。3.涡轮涡轮是将燃气内能转化为机械能的关键部件。高温高压燃气冲击涡轮叶片，使涡轮旋转。涡轮通常由导向器和工作叶轮组成，导向器引导燃气以合适的角度冲击工作叶轮，工作叶轮则将燃气的动能转化为机械能输出。根据燃气轮机的用途和设计要求，涡轮可分为高压涡轮和低压涡轮等不同类型。三、应用领域1.航空领域在航空领域，燃气轮机是飞机的心脏，为飞机提供强大的推进力。喷气式发动机作为航空燃气轮机的典型代表，使飞机能够实现高速、远程飞行。不同类型的飞机，如客机、战斗机、运输机等，根据其飞行性能要求，配备不同性能特点的燃气轮机。例如，战斗机需要具备高推重比的燃气轮机，以实现快速起飞、加速和机动；而客机则更注重燃气轮机的燃油经济性和可靠性，以降低运营成本。2.航海领域燃气轮机在海军舰艇和大型商船中广泛应用。在海军舰艇上，燃气轮机凭借其功率密度大、启动迅速的特点，为舰艇提供强大的动力，使舰艇具备高航速和良好的机动性。在商船领域，燃气轮机的应用有助于提高船舶的运营效率，减少航行时间。3.发电领域燃气轮机发电具有启动迅速、调峰能力强的优势，能够快速响应电力系统的负荷变化。燃气--蒸汽联合循环发电技术更是将燃气轮机的排气余热用于蒸汽轮机发电，大大提高了能源利用效率，成为现代高效清洁发电的重要方式之一。此外，在一些分布式能源系统中，小型燃气轮机可实现热电联产，为社区、企业等提供电力和热能，提高能源的综合利用效率。

▏****我国燃气轮机的发展历史一、起步探索阶段（建国初期--20世纪70年代）建国初期，我国工业基础薄弱，燃气轮机技术近乎空白。为满足国防和工业发展需求，开始艰难探索。1956年，哈尔滨汽轮机厂等单位开始关注燃气轮机技术。1958年，上海汽轮机厂仿照苏联设计，试制出第一台4000千瓦船用燃气轮机，虽未投入实际使用，但积累了宝贵经验。同期，航空领域也在努力，如对引进的苏联航空发动机进行测绘仿制，为后续燃气轮机研发奠定理论与技术基础。二、自主研发尝试阶段（20世纪70年代--90年代）20世纪70年代，我国加大自主研发力度。703所开展了船用燃气轮机研发，研发出功率为6000马力的船用燃气轮机，在性能和可靠性方面取得一定进展。航空燃气轮机方面，WS-6发动机研发启动，虽因技术难题最终下马，但锻炼了科研队伍，积累了技术数据。70年代末到90年代，部分企业与国外合作，引进技术，提升制造工艺和管理水平，如与美国GE公司合作生产航空发动机零部件，为自主创新提供思路。三、技术突破与应用拓展阶段（20世纪90年代--21世纪初）90年代起，国家加大对燃气轮机研发投入，产学研合作加强。航空领域，WS-10“太行”发动机研发成功，装备我国多款战机，标志我国航空燃气轮机技术重大突破。船用燃气轮机方面，引进乌克兰 GT25000燃气轮机技术并国产化，大幅提升我国海军舰艇动力水平。同时，发电用燃气轮机也在发展，一些企业引进国外先进技术，生产重型燃气轮机用于发电，推动我国电力行业发展。四、全面发展与创新提升阶段（21世纪初至今）进入21世纪，我国燃气轮机技术全面发展。在航空领域，多款先进发动机研发推进，如WS-15等，致力于满足先进战机更高性能需求。船用燃气轮机不断改进，功率提升、可靠性增强，为我国海军舰艇大型化、现代化提供有力保障。工业与发电领域，自主研发重型燃气轮机取得进展，部分产品性能接近国际先进水平，降低对进口依赖。同时，在分布式能源、天然气汽车等领域，燃气轮机应用不断拓展。

▏****我国燃气轮机与国际产品的优劣势比较一、性能表现1.功率与效率- 优势：在部分特定功率段的发电和船用燃气轮机领域，我国产品效率已达到国际先进水平。例如，国产某型号船用燃气轮机，通过优化热力循环和部件设计，在中等功率输出时热效率与国际同类产品相当，能够满足国内船舶动力高效运行的需求。- 劣势：航空燃气轮机方面，国际先进产品如美国GE公司和英国罗罗公司的航空发动机，在高推力级别下仍能保持较高的燃油效率，推重比优势明显。我国航空燃气轮机在大功率输出时，燃油效率相对较低，推重比与国际顶尖水平存在差距，限制了飞机的航程、载重和机动性。2.可靠性与寿命- 优势：我国燃气轮机在本土运行环境适应性方面进行了大量研究和改进。例如，针对国内复杂多变的地理和气候条件，研发的发电用燃气轮机在长期运行过程中，展现出良好的可靠性，能够适应高温、高湿度以及沙尘等恶劣环境，减少因环境因素导致的故障概率。- 劣势：国际领先企业凭借深厚的技术积累和先进的制造工艺，其燃气轮机关键部件如涡轮叶片等，在高温、高压、高转速的极端工况下，依然具有较长的使用寿命。相比之下，我国产品在核心部件的耐久性方面存在不足，导致整机寿命相对较短，维护周期较频繁，增加了使用成本和停机时间。二、技术水平1.材料技术- 优势：在部分高温合金材料的研发上取得了一定进展，部分国产高温合金材料已应用于燃气轮机热端部件，基本满足现有型号燃气轮机的性能要求，减少了对进口材料的依赖程度。- 劣势：国际先进水平在新型高温材料如陶瓷基复合材料、单晶高温合金等方面处于领先地位。这些材料具有更高的耐高温性能和更好的机械性能，能够大幅提升燃气轮机的性能。我国在这些前沿材料的研发和工程化应用方面相对滞后，限制了燃气轮机性能的进一步提升。2.制造工艺- 优势：我国在大型零部件的加工制造方面具备一定的规模优势和成本优势，能够利用国内完善的工业体系，实现高效的批量生产。例如，在燃气轮机机匣等大型部件的制造上，具备成熟的加工工艺和较高的生产效率。- 劣势：国际先进制造工艺在高精度、复杂结构零部件制造方面优势显著。如航空发动机叶片的精密铸造工艺，国外能够实现更高的尺寸精度和表面质量，确保叶片在极端工况下的性能稳定性。我国在这些关键制造工艺上与国际先进水平存在差距，影响了燃气轮机整体性能和可靠性。三、成本与市场1.成本控制- 优势：得益于国内相对较低的劳动力成本、丰富的原材料资源以及完善的工业配套体系，我国燃气轮机在生产成本上具有一定优势。特别是在中低端产品市场，能够以更具竞争力的价格提供产品，满足对成本敏感的市场需求。- 劣势：由于技术研发投入的历史欠账以及生产规模效应尚未充分发挥，我国燃气轮机在高端产品研发和生产过程中，单位产品的研发成本和制造成本相对较高。与国际大规模生产的成熟产品相比，在高端市场价格竞争力不足。2.市场份额- 优势：在国内市场，我国燃气轮机凭借本土化优势、政策支持以及快速响应的售后服务体系，占据了一定的市场份额，特别是在发电和船用领域，国产燃气轮机已成为国内用户的重要选择之一。- 劣势：在国际市场上，我国燃气轮机面临着来自欧美等传统强国企业的激烈竞争。国际知名品牌凭借长期积累的技术优势、品牌影响力和完善的全球销售服务网络，占据了大部分高端市场份额。我国燃气轮机产品在国际市场知名度较低，市场份额相对较小，尤其在航空燃气轮机国际市场，几乎处于起步阶段。我国燃气轮机产业虽然取得了一定的成绩，但与国际先进水平相比，仍存在较大的差距。只有通过加大技术研发投入、完善产业体系、拓展国际市场、强化环保意识等措施，才能推动我国燃气轮机产业的高质量发展，实现从“跟跑”到“并跑”乃至“领跑”的跨越。（图片源自网络）
作者 | 几维鸟毕业于新西兰林肯大学。对大众科普知识拥有浓厚兴趣，曾在多个科普期刊上发表过科普文章。关注事实，积极探索前沿科技。

初审 | 陈嘉琦、李书豪复审 | 魏星华
终审 | 韩永林