燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理？

【專家解說】：圖：http://imgsrc.baidu.com/baike/abpic/item/a583631e48062ae71bd57615.jpg

燃?xì)廨啓C(jī)是以連續(xù)流動(dòng)的氣體為工質(zhì)帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，將燃料的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膬?nèi)燃式動(dòng)力機(jī)械，是一種旋轉(zhuǎn)葉輪式熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。

中國在公元十二世紀(jì)的南宋高宗年間就已有走馬燈的記載，它是渦輪機(jī)(透平)的雛形。15世紀(jì)末，意大利人列奧納多·達(dá)芬奇設(shè)計(jì)出煙氣轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，其原理與走馬燈相同。至17世紀(jì)中葉，透平原理在歐洲得到了較多應(yīng)用。

1791年，英國人巴伯首次描述了燃?xì)廨啓C(jī)的工作過程；1872年，德國人施托爾策設(shè)計(jì)了一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)，并于1900～1904年進(jìn)行了試驗(yàn)，但因始終未能脫開起動(dòng)機(jī)獨(dú)立運(yùn)行而失?。?905年，法國人勒梅爾和阿芒戈制成第一臺(tái)能輸出功的燃?xì)廨啓C(jī)，但效率太低，因而未獲得實(shí)用。

1920年，德國人霍爾茨瓦特制成第一臺(tái)實(shí)用的燃?xì)廨啓C(jī)，其效率為13％、功率為370千瓦，按等容加熱循環(huán)工作，但因等容加熱循環(huán)以斷續(xù)爆燃的方式加熱，存在許多重大缺點(diǎn)而被人們放棄。

隨著空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，人們掌握了壓氣機(jī)葉片中氣體擴(kuò)壓流動(dòng)的特點(diǎn)，解決了設(shè)計(jì)高效率軸流式壓氣機(jī)的問題，因而在30年代中期出現(xiàn)了效率達(dá)85％的軸流式壓氣機(jī)。與此同時(shí)，透平效率也有了提高。在高溫材料方面，出現(xiàn)了能承受600℃以上高溫的鉻鎳合金鋼等耐熱鋼，因而能采用較高的燃?xì)獬鯗兀谑堑葔杭訜嵫h(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)終于得到成功的應(yīng)用。

1939年，在瑞士制成了四兆瓦發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)，效率達(dá)18%。同年，在德國制造的噴氣式飛機(jī)試飛成功，從此燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)入了實(shí)用階段，并開始迅速發(fā)展。

隨著高溫材料的不斷進(jìn)展，以及透平采用冷卻葉片并不斷提高冷卻效果，燃?xì)獬鯗刂鸩教岣撸谷細(xì)廨啓C(jī)效率不斷提高。單機(jī)功率也不斷增大，在70年代中期出現(xiàn)了數(shù)種100兆瓦級(jí)的燃?xì)廨啓C(jī)，最高能達(dá)到130兆瓦。

與此同時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。1941年瑞士制造的第一輛燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)車通過了試驗(yàn)；1947年，英國制造的第一艘裝備燃?xì)廨啓C(jī)的艦艇下水，它以1.86兆瓦的燃?xì)廨啓C(jī)作加力動(dòng)力；1950年，英國制成第一輛燃?xì)廨啓C(jī)汽車。此后，燃?xì)廨啓C(jī)在更多的部門中獲得應(yīng)用。

在燃?xì)廨啓C(jī)獲得廣泛應(yīng)用的同時(shí)，還出現(xiàn)了燃?xì)廨啓C(jī)與其他熱機(jī)相結(jié)合的復(fù)合裝置。最早出現(xiàn)的是與活塞式內(nèi)燃機(jī)相結(jié)合的裝置；50～60年代，出現(xiàn)了以自由活塞發(fā)氣機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)組成的自由活塞燃?xì)廨啓C(jī)裝置，但由于笨重和系統(tǒng)較復(fù)雜，到70年代就停止了生產(chǎn)。此外，還發(fā)展了柴油機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)復(fù)合裝置；另有一類利用燃?xì)廨啓C(jī)排氣熱量供熱(或蒸汽)的全能量系統(tǒng)，可有效地節(jié)約能源，已用于多種工業(yè)生產(chǎn)中。

燃?xì)廨啓C(jī)的工作過程是，壓氣機(jī)(即壓縮機(jī))連續(xù)地從大氣中吸入空氣并將其壓縮；壓縮后的空氣進(jìn)入燃燒室，與噴入的燃料混合后燃燒，成為高溫燃?xì)?，隨即流入燃?xì)馔钙街信蛎涀鞴?，推?dòng)透平葉輪帶著壓氣機(jī)葉輪一起旋轉(zhuǎn)；加熱后的高溫燃?xì)獾淖鞴δ芰︼@著提高，因而燃?xì)馔钙皆趲?dòng)壓氣機(jī)的同時(shí)，尚有余功作為燃?xì)廨啓C(jī)的輸出機(jī)械功。燃?xì)廨啓C(jī)由靜止起動(dòng)時(shí)，需用起動(dòng)機(jī)帶著旋轉(zhuǎn)，待加速到能獨(dú)立運(yùn)行后，起動(dòng)機(jī)才脫開。

燃?xì)廨啓C(jī)的工作過程是最簡單的，稱為簡單循環(huán)；此外，還有回?zé)嵫h(huán)和復(fù)雜循環(huán)。燃?xì)廨啓C(jī)的工質(zhì)來自大氣，最后又排至大氣，是開式循環(huán)；此外，還有工質(zhì)被封閉循環(huán)使用的閉式循環(huán)。燃?xì)廨啓C(jī)與其他熱機(jī)相結(jié)合的稱為復(fù)合循環(huán)裝置。

燃?xì)獬鯗睾蛪簹鈾C(jī)的壓縮比，是影響燃?xì)廨啓C(jī)效率的兩個(gè)主要因素。提高燃?xì)獬鯗兀⑾鄳?yīng)提高壓縮比，可使燃?xì)廨啓C(jī)效率顯著提高。70年代末，壓縮比最高達(dá)到31；工業(yè)和船用燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)獬鯗刈罡哌_(dá)1200℃左右，航空燃?xì)廨啓C(jī)的超過1350℃。

燃?xì)廨啓C(jī)由壓氣機(jī)、燃燒室和燃?xì)馔钙降冉M成。壓氣機(jī)有軸流式和離心式兩種，軸流式壓氣機(jī)效率較高，適用于大流量的場(chǎng)合。在小流量時(shí)，軸流式壓氣機(jī)因后面幾級(jí)葉片很短，效率低于離心式。功率為數(shù)兆瓦的燃?xì)廨啓C(jī)中，有些壓氣機(jī)采用軸流式加一個(gè)離心式作末級(jí)，因而在達(dá)到較高效率的同時(shí)又縮短了軸向長度。

燃燒室和透平不僅工作溫度高，而且還承受燃?xì)廨啓C(jī)在起動(dòng)和停機(jī)時(shí)，因溫度劇烈變化引起的熱沖擊，工作條件惡劣，故它們是決定燃?xì)廨啓C(jī)壽命的關(guān)鍵部件。為確保有足夠的壽命，這兩大部件中工作條件最差的零件如火焰筒和葉片等，須用鎳基和鈷基合金等高溫材料制造，同時(shí)還須用空氣冷卻來降低工作溫度。

對(duì)于一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)來說，除了主要部件外還必須有完善的調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)，此外還需要配備良好的附屬系統(tǒng)和設(shè)備，包括：起動(dòng)裝置、燃料系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、空氣濾清器、進(jìn)氣和排氣消聲器等。

燃?xì)廨啓C(jī)有重型和輕型兩類。重型的零件較為厚重，大修周期長，壽命可達(dá)10萬小時(shí)以上。輕型的結(jié)構(gòu)緊湊而輕，所用材料一般較好，其中以航機(jī)的結(jié)構(gòu)為最緊湊、最輕，但壽命較短。

與活塞式內(nèi)燃機(jī)和蒸汽動(dòng)力裝置相比較，燃?xì)廨啓C(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是小而輕。單位功率的質(zhì)量，重型燃?xì)廨啓C(jī)一般為2～5千克/千瓦，而航機(jī)一般低于0.2千克/千瓦。燃?xì)廨啓C(jī)占地面積小，當(dāng)用于車、船等運(yùn)輸機(jī)械時(shí)，既可節(jié)省空間，也可裝備功率更大的燃?xì)廨啓C(jī)以提高車、船速度。燃?xì)廨啓C(jī)的主要缺點(diǎn)是效率不夠高，在部分負(fù)荷下效率下降快，空載時(shí)的燃料消耗量高。

不同的應(yīng)用部門，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的要求和使用狀況也不相同。功率在10兆瓦以上的燃?xì)廨啓C(jī)多數(shù)用于發(fā)電，而30～40兆瓦以上的幾乎全部用于發(fā)電。

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組能在無外界電源的情況下迅速起動(dòng)，機(jī)動(dòng)性好，在電網(wǎng)中用它帶動(dòng)尖峰負(fù)荷和作為緊急備用，能較好地保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行，所以應(yīng)用廣泛。在汽車(或拖車)電站和列車電站等移動(dòng)電站中，燃?xì)廨啓C(jī)因其輕小，應(yīng)用也很廣泛。此外，還有不少利用燃?xì)廨啓C(jī)的便攜電源，功率最小的在10千瓦以下。

燃?xì)廨啓C(jī)的未來發(fā)展趨勢(shì)是提高效率、采用高溫陶瓷材料、利用核能和發(fā)展燃煤技術(shù)。提高效率的關(guān)鍵是提高燃?xì)獬鯗?，即改進(jìn)透平葉片的冷卻技術(shù)，研制能耐更高溫度的高溫材料。其次是提高壓縮比，研制級(jí)數(shù)更少而壓縮比更高的壓氣機(jī)。再次是提高各個(gè)部件的效率。

高溫陶瓷材料能在1360℃以上的高溫下工作，用它來做透平葉片和燃燒室的火焰筒等高溫零件時(shí)，就能在不用空氣冷卻的情況下大大提高燃?xì)獬鯗?，從而較大地提高燃?xì)廨啓C(jī)效率。適于燃?xì)廨啓C(jī)的高溫陶瓷材料有氮化硅和碳化硅等。

按閉式循環(huán)工作的裝置能利用核能，它用高溫氣冷反應(yīng)堆作為加熱器，反應(yīng)堆的冷卻劑(氦或氮等)同時(shí)作為壓氣機(jī)和透平的工質(zhì)。