前面几篇推文给大家介绍了涡喷、涡扇、涡轴等航空发动机，本期则主要介绍它血浓于水的“兄弟”——燃气轮机。为了方便起见，本期中的燃气轮机均指应用相关原理的非航空用动力机械。

西门子stg-5,世界上最大的燃气轮机

既然是“兄弟”，航空发动机和燃气轮机工作原理基本相同，其核心技术也有相似之处。本质上都是将燃料的化学能转化为燃气的热能和势能，再利用燃气推动涡轮膨胀做功并最终将能量转变为发动机的推力或者对外做功。

与第三期中介绍的涡喷发动机类似，燃气轮机主要由压气机、燃烧室、涡轮三大部分组成。如图所示，左边部分是压气机，有进气口，左边四排叶片构成压气机的四个叶轮，把进入的空气压缩为高压空气（图只是例子，多数燃气轮机有十几级压气机）；中间部分是燃烧器段（燃烧室），内有燃烧器，把燃料与空气混合进行燃烧；右边是涡轮，是空气膨胀做功的部件；右侧是燃气排出口。

图中表示了燃气轮机的简单工作过程：空气从空气入口进入燃气轮机，高速旋转的压气机把空气压缩为高压空气，其流向见浅蓝色箭头线；燃料在燃烧室燃烧，产生高温高压空气；高温高压空气膨胀推动涡轮旋转做功；做功后的气体从排气口排出，其流向见红色箭头线。在燃气轮机中压气机由涡轮带动旋转，压气机的叶轮与涡轮安装在同一根主轴上组成燃气轮机转子，与涡喷，涡扇发动机类似。

讲到这里，可能有同学要问了，这航空发动机跟燃气轮机不是挺像的嘛，好好的分开说干什么。其实二者尽管源头一致，血浓于水，但终究龙生九子，各有风采。

首先，用途不同导致的两者在工作环境、运行规律、燃料种类、污染排放指标、使用寿命等方面都有重大区别。

其次，航空发动机和燃气轮机二者由于组成的部件不同，部件间的匹配关系不同。相比于燃气轮机，航空发动机需要适应更多，更复杂的工况。

第三，压气机追求的重点不同。航空发动机压气机追求的指标是在高效率和高稳定性的前提下尽量降低自重和减小迎风面积（风扇除外），满足非常宽的飞行包络线，而长寿命（即大修时间间隔）以及生产和制造成本是次要因素。燃气轮机的压气机则是追求在高效率和高稳定性的同时，尽量延长压气机的寿命，降低生产和制造成本，而自重则是次要因素。

最后，两者在结构完整性设计技术方面不同。航空发动机和燃气轮机的压气机、燃烧室和透平都采用顺流式的串装排列，都要求机匣具有很好的包容性等。燃气轮机工作任务单一，转速相对较低，侧重稳定性、长寿命和低成本设计。

作为继蒸汽轮机，内燃机之后的新一代动力装置，燃气轮机被誉为制造业“皇冠上的明珠”，即使是现在，全世界也只有不超过十个国家能够研制。不过燃气轮机虽然听起来如此高大上，其理论验证和研制并不晚。早在年，英国人巴伯首次描述了燃气轮机的工作过程；年，德国人施托尔策设计了一台燃气轮机，并于～年进行了试验，但因始终未能脱开起动机独立运行而失败；年，法国人勒梅尔和阿芒戈制成第一台能输出功的燃气轮机，但效率太低，因而未获得实用。年，德国人霍尔茨瓦特制成第一台实用的燃气轮机，其效率为13%、功率为千瓦，按等容加热循环工作，但因等容加热循环以断续爆燃的方式加热，存在许多重大缺点而被人们放弃。

在不断发展的空气动力学的加持之下，年，在瑞士制成了四兆瓦发电用燃气轮机，效率达18%。同年，在德国制造的喷气式飞机试飞成功，从此燃气轮机进入了实用阶段，并开始迅速发展。年瑞士制造的第一辆燃气轮机机车通过了试验；年，英国制造的第一艘装备燃气轮机的舰艇下水，它以1.86兆瓦的燃气轮机作加力动力；年，英国制成第一辆燃气轮机汽车。此后，燃气轮机在更多的部门中获得应用。

罗罗设计的舰用燃气轮机

如今，经过近百年的发展，燃气轮机在各类车辆和舰船上都取得了广泛的应用。

以坦克燃气轮机为例，其源于直升机用燃气涡轮轴（Turboshaft）发动机，通常由4个主要部分组成：燃气发生器、动力涡轮、减速机构及调节与控制装置。与过去的主流动力机械——活塞式柴油发动机不同，燃气轮机只有旋转运动，没有往复运动，因此能获得较高的单位体积功率。此外，燃气轮机运转平稳、低温启动性能好、扭矩-转速特性好，燃料适应性强（能使用柴油、汽油、煤油等多种燃料），消耗的润滑机油少和冷却系统消耗功率低，因此装有燃气轮机的坦克具有良好的环境适应性，允许简化传动装置。与柴油发动机相比，燃气轮机操作更简单，维修更方便，寿命更长，耐磨性更好，在一定程度上代表了未来坦克动力的潮流。但是在近年来伴随着坦克高功率密度柴油机取得的优异成绩和燃气轮机在坦克使用过程出现的问题（主要包括：1.油耗高。2.在高温，高海拔环境下功率损失大。3.容易被烧融颗粒沉积物影响），致使主战坦克安装燃气轮机的问题,至今仍在俄、美等国的军事和学术界存在争议。不过随着电磁炮、激光武器取得突破性进展；混合动力和页岩气的成功开发，相信未来坦克燃气轮机的使用和发展将有更广阔的空间。

坦克燃气轮机示例：俄（苏）制GTD系列

1单级低压离心式压气机；2单机高压离心式压气机；3燃烧室；4单级高压轴流涡轮；5单级低压轴流涡轮；6可调导向器；7动力涡轮；8减速机构

燃气轮机的发明和应用堪称继内燃机之后动力领域的又一次革命，赋予了国防和工业领域无穷的澎湃动力。到这一期，我们已经基本将人类已经投入使用的热机一一介绍完毕。下一期我们将从历史角度分析我国航空发动机的发展历程。

往期回顾

宅家充电丨三航动力系列推文（一）：动力革命——蒸汽动力机械

宅家充电丨三航动力系列推文（二）：打上火花—内燃机

宅家充电丨三航动力系列推文（三）：未来已近——涡喷发动机

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