1.1 燃氣輪機的結構

在深入研究燃氣輪機空氣保障系統之前，有必要先了解一下燃氣輪機主機。燃氣輪機是以連續流動的氣體為工質帶動葉輪高速旋轉，將燃料（天然氣、其他可燃氣體或油）的能量轉變為有用功的內燃式動力機械，是一種旋轉葉輪式熱力發動機，主要由壓氣機、燃燒室和燃氣透平三大部件組成，是一個國家技術水平和科技實力的主要標志之一。燃氣輪機結構如圖1-1所示。

燃氣輪機結構非常復雜，這也正是燃氣輪機成為工業領域最難制造的機器的原因之一。由于燃氣輪機在工業領域中的巨大應用前景，我國從20世紀中后期就開始嘗試燃氣輪機國產化制造，但是歷經半個世紀仍拿不出先進可靠的商用產品，一方面是國外對我國相關技術的封鎖，另一方面我國在該技術的組織、研究開發等方面的投入尚有不足。令人欣慰的是，為滿足軍用需求而生產的某型燃氣輪機最先取得突破，在軍用基本成熟后又推向民用。下面介紹我國燃氣輪機國產化的成功案例——CGT25燃氣輪機。

（1）CGT25燃氣輪機概述

1）CGT25燃氣輪機的原型機為烏克蘭“曙光機械設計生產科研聯合體”生產的UGT25000燃氣輪機。該機型廣泛應用于發電、工業驅動及聯合循環/熱電聯供等領域，其中發電業績27臺，天然氣輸送業績226臺（統計數據截至2014年）。

2）自技術引進后，我國通過不斷地改進設計，實現了對原型機的整體技術改進，基本實現100%國產化。

3）CGT25系列燃氣輪機裝置在國內取得了大量的應用，包括用于中石油西氣東輸管線的工業驅動裝置、用于船用主動力的推進裝置以及用于驅動發電機的發電裝置等。

4）CGT25燃氣輪機的本體由帶底架的燃氣發生器和動力渦輪組成。燃氣發生器由軸流式高（低）壓壓氣機、軸流式高（低）壓渦輪和環管燃燒室組成，軸流式高（低）壓渦輪分別驅動高（低）壓壓氣機，燃燒室是回流環管式結構，由罩殼、火焰筒、等離子點火器、燃料噴嘴等組成。動力渦輪為輪盤結構，由噴嘴導向器、動力渦輪轉子和動力渦輪支承環組成。

（2）CGT25燃氣輪機特性

1）基于工業用及船用理念設計的CGT25燃氣輪機（見圖1-2），可廣泛應用于工業發電、海洋平臺發電等應用領域，適用于海洋環境等鹽霧條件下長期連續運行。

2）CGT25燃氣輪機采用分軸式設計，其運行適應范圍更廣，具有良好的變工況性能，適用于工業驅動及船用驅動領域。

一個完整的燃氣輪機系統主體由壓氣機、燃燒室和渦輪三大部件組成，再配以進氣、排氣、控制、傳動和其他輔助系統。當燃氣輪機機組起動成功后，燃氣輪機就會開始進入穩定的熱力學循環過程。壓氣機由進氣系統連續不斷地從外界大氣中吸入空氣并增壓，這些被壓氣機多級增壓后的空氣，一方面氧氣密度較高有利于組織燃料燃燒，另外一方面受到壓氣機做功，這個過程可以認為是壓氣機動能向空氣熱能和勢能的轉換，被壓縮后的空氣溫度升高有利于與燃料進行更猛烈的化學反應（化學反應速度和程度與溫度成正比），更大的膨脹比也有利于壓縮空氣燃燒后釋放更大的能量。壓縮空氣從壓氣機出來后即進入燃燒室，首先會在燃燒室進口被噴入燃料進行摻混，然后就會點火燃燒。這個過程可以認為是燃料化學能向空氣熱能和勢能的轉換，在短短幾十厘米的距離內，空氣的溫度上升數百甚至上千度，壓力也會激增。高溫高壓的燃氣從燃燒室出口噴出就開始膨脹，在膨脹的同時推動渦輪葉片做功。這個過程就是燃氣熱能和勢能向動能的轉化。渦輪將燃氣的能量轉化為動能后，一方面用于壓氣機壓縮空氣持續進行熱力學循環，另外一方面通過主軸將轉子的轉矩輸出，經過減速器減速以后用于推動軍艦或發電。整個熱力學循環完成使燃氣輪機實現了燃料化學能向機械能轉換的最終目的。

燃機輪機的基本結構與航空發動機是相當類似的，主要的區別在于燃氣輪機是將轉子的轉矩輸出作為動力，而航空發動機依靠的是向后高速噴出的燃氣。不過航空發動機里也有大涵道比渦扇發動機和渦槳發動機，這兩種發動機與燃氣輪機就愈加相近了。大涵道比渦扇發動機的風扇已經成為主要動力來源，燃氣本身產生的推力只有10%左右，而渦槳發動機就已經基本上都是由發動機輸出的轉矩驅動螺旋槳產生推力了。根據航空發動機和燃氣輪機的研制經驗及其內在的技術相關性，現在的艦用燃氣輪機基本上多是由航空發動機改進過來的，其研制的難點主要集中在核心機即燃氣發生器上。

燃氣輪機結構剖視圖如圖1-3所示。

不管是航空發動機還是燃氣輪機，其本質上都是將燃料的化學能轉化為燃氣的熱能和勢能，再利用燃氣沖擊渦流和膨脹做功來最終將能量轉變為飛機或者軍艦的推力，所以，如何組織燃料燃燒和進行熱力學循環就是核心機的難點。首先核心機需要將空氣通過壓氣機壓縮進燃燒室。為了高效迅速地將大量空氣進行高強度壓縮，壓氣機葉片需要復雜氣動分析理論的突破、先進理論指導下的氣動設計和能夠將三維復雜氣動設計加工成實際部件的先進工藝。由于核心機轉子高速運轉，每片壓氣機葉片都承受著數噸的離心力，這對于葉片本身的強度結構設計提出了極高的要求。為了減輕重量、提高效率，壓氣機葉片也經常做成空心的，這進一步提高了優秀壓氣機設計難度。空氣通過壓氣機以后就會進入燃燒室。在燃燒室短短幾十厘米的距離內，壓縮空氣與燃油充分混合燃燒，溫度上升數百甚至上千度。燃燒室內燃料與空氣如何摻混、摻混后油氣混合物質的特殊氣動特性、耐高溫特殊合金材料和燃燒室復雜冷卻技術都需要大量理論計算和工程實踐。由于核心機極其精密，應用環境和工質中的細微雜質都會對其內部氣動熱力學過程造成影響，這對空氣保障系統等輔機的設計也提出了高要求。