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燃?xì)廨啓C(jī)被稱為制造業(yè)的王冠，作為一個(gè)體形龐大的工業(yè)機(jī)械巨獸，它既要追求高效性能，又需考慮經(jīng)濟(jì)效益，這是一種讓制造業(yè)糾結(jié)于魚和熊掌的痛苦。
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. k/ n! d. u" U* k1 J S! W6 t( k/ l, J目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)“兩機(jī)”科技重大專項(xiàng)已經(jīng)順利成為國(guó)家第20個(gè)重大技術(shù)專項(xiàng)，與空天飛機(jī)和高超音速飛行器專項(xiàng)一起成為國(guó)家航空航天領(lǐng)域的重要突破。
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今天這篇文章就來跟大家聊聊被譽(yù)為工業(yè)皇冠上明珠的燃?xì)廨啓C(jī)！; z8 x! u6 f) {3 Q# g
9 `5 J5 g; [* t燃?xì)廨啓C(jī)原理& v0 A$ n! F$ x4 A7 u, a
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燃?xì)廨啓C(jī)（GasTurbine）是以連續(xù)流動(dòng)的氣體為工質(zhì)、把熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的旋轉(zhuǎn)式動(dòng)力機(jī)械，包括壓氣機(jī)、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。" U7 Q' O% a* E& v8 F, a" X
" F2 u4 [* G& O) c, M! h2 J按照燃燒室溫度目前分為E級(jí)，F(xiàn)級(jí)和目前最先進(jìn)的H級(jí)。其中，E級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)透平進(jìn)口約1200℃，F(xiàn)級(jí)透平進(jìn)口溫度約為1400℃，目前最先進(jìn)的H級(jí)透平進(jìn)口溫度達(dá)到1430℃-1600℃。溫度越高，技術(shù)等級(jí)越高。/ r4 ]" k3 P/ {; f
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現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)主要由壓氣機(jī)（藍(lán)色）、燃燒室（紅色）、透平（黃色）。
2 s9 w3 D7 @) _5 F: O+ w+ N/ q; H當(dāng)它正常工作時(shí)，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(gè)工作過程而完成一個(gè)由熱變功的轉(zhuǎn)化的熱力循環(huán)。壓氣機(jī)從外界大氣環(huán)境吸入空氣、并逐級(jí)壓縮（空氣的溫度與壓力也將逐級(jí)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(jìn)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(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)也就把燃料的化學(xué)能連續(xù)地部分轉(zhuǎn)化為有用功。1 L- ^4 C* s) l9 m) [
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燃?xì)廨啓C(jī)屬熱機(jī)，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(jī)械能。下圖是一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)原理模型剖面，通過它來了解燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理。從外觀看燃?xì)廨啓C(jī)模型：整個(gè)外殼是個(gè)大氣缸，在前端是空氣進(jìn)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">3 j4 M5 W6 j$ }3 t5 T* W% e, O. ~
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燃?xì)廨啓C(jī)主要由壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪三大部分組成，左邊部分是壓氣機(jī)，有進(jìn)氣口，左邊四排葉片構(gòu)成壓氣機(jī)的四個(gè)葉輪，把進(jìn)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(jìn)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?font class="jammer"># z5 ^# k# K- G- P
0 @( J& H; ^6 E7 q x燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置是指包括燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)及為產(chǎn)生有用的動(dòng)力（例如：電能、機(jī)械能或熱能）所必需的基本設(shè)備。為了保證整個(gè)裝置的正常運(yùn)行，除了主機(jī)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(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)等。& U S6 ?+ V* l1 M" i
% k, ?" E ^ k q( u U$ t" G1 q在下圖中表示了燃?xì)廨啓C(jī)的簡(jiǎn)單工作過程為：空氣從空氣入口進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)，高速旋轉(zhuǎn)的壓氣機(jī)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(dòng)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。) Y6 H J! `- _3 `; j
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% V r9 s. ^5 S. R. a2 m7 ^$ L在燃?xì)廨啓C(jī)中壓氣機(jī)是由渦輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，壓氣機(jī)的葉輪與渦輪安裝在同一根主軸上組成燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子，燃燒室產(chǎn)生的高溫膨脹氣體是同時(shí)作用到渦輪葉片與壓氣機(jī)葉片上，如何保證渦輪帶動(dòng)壓氣機(jī)正向旋轉(zhuǎn)呢？
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簡(jiǎn)單說渦輪葉片工作直徑大于壓氣機(jī)出口處的葉片工作直徑，渦輪葉片的面積也大于壓氣機(jī)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(jī)所需的力矩，當(dāng)然更重要的是壓氣機(jī)葉片與渦輪葉片的良好空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)才能保證兩者高效運(yùn)行。燃?xì)廨啓C(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)就要保證渦輪機(jī)輸出的功率要大于壓氣機(jī)所需的功率，才能使燃?xì)廨啓C(jī)在帶動(dòng)壓氣機(jī)的同時(shí)還能向外輸出功率。! A9 e$ x* n" _9 @! E0 x
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燃燒室的那些事
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3 L( `+ p' D: H. \ ^. y' n' g燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室可以說融合了整個(gè)燃機(jī)的大部分高精尖技術(shù)，比如H級(jí)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(gè)溫度下都會(huì)熔化。所以，咱們也就重點(diǎn)說說燃燒室里發(fā)生的那些事兒。
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* s: P; N3 g# z, B一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)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！2 B4 M# r/ j; f+ ^4 H6 a: v
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西門子SGT-4000F型燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室3 f; }. {) H6 j9 ~
5 M( U& W) A' u. r% z6 ~燃燒室中的氣體還會(huì)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(qiáng)大的沖擊力——甚至要比應(yīng)用于航天飛機(jī)上的隔熱瓷片還結(jié)實(shí)。這是因?yàn)楹教祜w機(jī)上的隔熱陶瓷在每次降落后和起飛前都會(huì)經(jīng)過嚴(yán)格的檢查并替換受損瓷片，而燃?xì)廨啓C(jī)中的隔熱瓷片需要在運(yùn)行數(shù)千小時(shí)候后才會(huì)進(jìn)行檢修。- K6 H8 F0 [. `) Y
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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(jī)原理中我們說到，燃燒后的高溫氣體會(huì)推動(dòng)透平區(qū)的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)。
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透平區(qū)的第一級(jí)葉片在燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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。: E& R- c% [) w/ q D& @" e( Y
, y }& `) I5 h燃?xì)廨啓C(jī)是軍艦動(dòng)力方案的選擇之一
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目前世界主要海軍強(qiáng)國(guó)在軍艦動(dòng)力方案選擇上，燃?xì)廨啓C(jī)的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是艦用柴油機(jī)和艦用蒸汽輪機(jī)，但是由于燃?xì)廨啓C(jī)先天優(yōu)勢(shì)與軍艦動(dòng)力系統(tǒng)性能要求更為吻合，燃?xì)廨啓C(jī)成為了各國(guó)軍艦動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展的唯一選擇。# X3 h0 J0 E, w4 Q6 H* C! D9 g# e
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* x9 W/ H$ j- t Q8 w5 M# D燃?xì)廨啓C(jī)的優(yōu)勢(shì)
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功率密度極大( U) k2 p' r4 v9 H. m6 W
一般情況下，同等功率的燃機(jī)體積是柴油機(jī)的三分之一到五分之一，是蒸汽輪機(jī)的五分之一到十分之一左右。
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) H. \. q. Y: Z; y% y8 h+ L啟動(dòng)速度快& h' z) I+ K+ {
雖然燃機(jī)的轉(zhuǎn)速是三種動(dòng)力系統(tǒng)中最高的，但是由于整個(gè)轉(zhuǎn)子十分輕巧，在啟動(dòng)機(jī)幫助下在1-2分鐘就可以達(dá)到最高轉(zhuǎn)速。而啟動(dòng)速度，對(duì)于軍艦的戰(zhàn)時(shí)出動(dòng)和反潛作戰(zhàn)時(shí)加減速性能有著直接的影響。
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噪聲低頻分量很低: P$ b( n! P- ?
由于燃?xì)廨啓C(jī)本身處于高速穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)當(dāng)中，產(chǎn)生的噪聲更多是高頻嘯聲。柴油機(jī)的活塞往復(fù)產(chǎn)生了大量低頻機(jī)械振動(dòng)噪聲，恰好迎合了海洋容易傳播低頻噪聲的特點(diǎn)，導(dǎo)致軍艦容易被敵方聲納探測(cè)。0 ]) w" c4 _ G8 p9 Y: l
由于多方面的原因，我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)同國(guó)際先進(jìn)水平相比仍存在很大差距，尚未形成真正的產(chǎn)業(yè)。我國(guó)在艦載燃?xì)廨啓C(jī)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(dòng)力方面的問題也有艦用燃機(jī)工業(yè)本身的體制問題。
; d6 S* e' v' Z$ M據(jù)了解，被譽(yù)為裝備制造業(yè)“皇冠上的明珠”的燃?xì)廨啓C(jī)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)始終被美國(guó)通用電氣公司、德國(guó)西門子公司、日本三菱重工等國(guó)外企業(yè)占據(jù)，雖然，國(guó)內(nèi)主機(jī)廠商在自主研發(fā)上有所進(jìn)展，例如AE94.3A燃機(jī)透平葉片啟動(dòng)國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)，5萬千瓦重型燃機(jī)1-17級(jí)壓氣機(jī)試驗(yàn)成功，但這些企業(yè)主要具備的是裝配制造能力，實(shí)際的核心技術(shù)和品牌還屬于國(guó)外企業(yè)，仍未有國(guó)產(chǎn)品牌的燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)入市場(chǎng)。8 @6 @" S- S! q3 b
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$ m, R: K) u' K7 m6 c2 v燃?xì)廨啓C(jī)涵蓋多個(gè)方面，包括設(shè)計(jì)能力、金屬制造能力、裝配能力、加工工藝、試驗(yàn)?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(guó)家可以早日制造出屬于自己的燃機(jī)輪機(jī)，中國(guó)制造加油！
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發(fā)表于 2017-9-5 21:30:20
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