大功率重型燃气轮机技术的新发展

刘珲

摘要：燃气轮机是每一个国家能源领域都会应用的战略性产业，被广泛应用于能源行业的大型设备应用中，全世界为了环境保护事业，加大对能源行业技术的发展与研究，另外，不仅应用于能源技术领域，在我国国防事业、电力系统中，燃气轮机都有不可代替的作用，全世界对于燃气轮机的研究一直在进行中。同时，愈加发达的技术科技水平使得科研人员不断在扩大燃气轮机的大招规模，即大功率重型燃气轮机技术的发展与应用。总的来说，燃气轮机是内燃机的一种，本文在介绍内燃机与燃气轮机的区别之上，主要研究内燃机的发展状况与技术研究，仅供参考。

Abstract： Gas turbine is a strategic industry that is applied in the energy field of every country. It is widely used in large-scale equipment applications in the energy industry. For the sake of environmental protection， the world has increased the development and research of energy industry technology. In addition， not only In the field of energy technology， gas turbines play an irreplaceable role in China's national defense and power systems. Research on gas turbines has been ongoing worldwide. At the same time， the increasingly developed level of technology and science and technology has made scientific researchers continue to expand the scale of gas turbines， that is， the development and application of high-power heavy-duty gas turbine technology. Generally speaking， gas turbine is a kind of internal combustion engine. This article mainly studies the development status and technical research of internal combustion engine after introducing the difference between internal combustion engine and gas turbine， for reference only.

关键词：大功率;重型;燃气轮机;新发展

Key words： high-power;heavy-duty;gas turbine;new development

0  引言

燃氣轮机在国防建设中是非常关键的一项设备，在工业、能源领域发展中燃气轮机起着非常重要的作用，在国家发展建设初期，对于燃气轮机的生产技术只能是从国外进口，但是燃气轮机的生产技术对于国民工业生产过于重要，国家生产工艺想要发展，就必须有自己的燃气轮机生产工艺。目前，我国虽然也在应用大功率重型燃气轮机，也在发展研究中，但是对于燃气轮机的核心技术并没有掌握。虽然我国在内燃机的技术研究中取得了一定的成就，但是燃气轮机产业还是被GE、西门子、三菱为主的重型燃气轮机产品体系所垄断，我国目前的发展水平与国外相比，还是有一定的差距。在工业制造领域和新能源领域中，内燃机与燃气轮机的应用一样广泛，但是两者在结构以及应用范围上有所不同。经过几十年的发展，燃气轮机已经从普通模式发展成为大功率重型燃气轮机，而大功率重型燃气轮机是在普通燃气轮机的基础上提高运行功率、提高简单循环效率和联合循环效率。目前应用的大功率重型燃气轮机最大功率达460MW、燃气初温达1600℃、压气机压缩比为40、单循环功率为43-44%。目前，我国已经实现了大功率重型燃气轮机的整机生产流程，对于国民经济的提高具有划时代的意义。

1  内燃机与燃气轮机的区别

燃气轮机是内燃机的一种，但是两者在很多方面还是不一样的，内燃机是一种动力机械，它是通过燃料在内部机械的燃烧，将其燃烧产生的热能转化为动力的一种热力发动机。而燃气轮机的运转是靠旋转叶轮式来产生动能的，广义上内燃机包括复活塞式内燃机、旋转活塞式发动机和自由活塞式发动机，当然也包括旋转叶轮式的燃气轮机和喷气式发动机等。一般情况下，在讨论应用内燃机主要是活塞式内燃机。燃气轮机与内燃机的区别主要体现在三方面。

第一是发动机部件的运行方式不同，燃气轮机是以流动的气体为基础带动叶轮高速旋转，进而将产生的能量转化为有用功的内燃式动力机械，燃气轮机是桨叶的高速旋转，而内燃机是活塞反复吞吐产生能量，但是相比较起来，活塞运动会造成工质流量的制约，从同样工具的机械对比发现，燃气轮机的工质流量要大的多，功率也大，能够平稳运行。

第二是热力过程产生的不同。燃气轮机产生热力的过程是由多个部件不同步骤完成的，比如燃气轮机能量产生的过程要经过压气机、燃烧室、透平等，而内燃机在一个气缸内就完成了所有的热力过程，两种机械各有各的优势与特点，在应用时可以综合考虑实际情况合理选择机械的应用。

第三是动力形成的过程不同。燃气轮机产生功能的基础是在高温放热的基础上，高温放热会释放大量的热量，虽然这种释放热量的方法效率不高，但是却有很大提升的空间，有继续研究和扩大的潜力。而内燃机就是燃料燃烧，热能直接转换为动能的机械。从热量释放方式与效率来看，内燃机的热效率更高，机动性更强，最重要的是后期运行维护更加便捷。基于此，很多企业都会选择内燃机。

2  内燃机技术的发展状况

2.1 内燃机的发展历程

对于动力转换的过程，人们起初只是利用人力、蹬车、水车等自然力，也只是应用于人们的日常生活，并不能在工业领域进行大规模应用。在18世纪以后工业发展才推动了热力发动机。刚开始，荷兰的设计师只是应用火药在气缸里燃烧来提升活塞，通过气体的冷热交换对活塞进行上下推动进行做功，但是却没有研究出内燃机，而是研究出了蒸汽机，进而促成了工业革命。此后，英国人提出了利用燃料燃烧产生的热能形成动力，虽然提出了多种方案，但是并没有付诸实践。然后，法国人通过模仿蒸汽机的结构制造了第一个煤气机，与最初的活塞式理念不同，它是利用电点火的一种内燃机，热效率达到了4%。经过漫长时间的发展，在前人发展的基础上，最终在20世纪60年代后期电子控制内燃机产生，而现在21世纪，已经进入了内燃机电子时代。

2.2 内燃机技术发展趋势

内燃机在经过一个多世纪的发展与完善之后，内燃机在能量密度、热效率、燃料灵活度、市场占有率以及加工等方面都具有明显的优势性，而内燃机大多应用在汽车的运行。车用内燃机在未来还有很大的发展趋势，在未来，有更高的内燃机热效率，在现有热效率的基础上不断提升热效率，将热效率提升到85%，作为提高汽车内燃机未来发展的技术趋势。还有在现代信息化的基础上，加大内燃机与电子控制、信息化技术的有效融合，信息技术控制的效率更加精细，效率更高。还有为了响应国家环保、节能减排的需求，在车用内燃机的应用上大幅度降低油耗和二氧化碳的排放量，研发轻型汽车的进程正在不断进行中。还有未来的车用内燃机将有害的排放物控制在一定范围之内，为环保事业做进一步的贡献。未来，还可以将目光放在内燃机小型化和高增压的技术上，目前国内车型基本上都在采用小型增压技术，可以最大程度降低燃油消耗率，在不同海拔高度时可以不受气压的影响继续使用。同时，现在的智能化技术也可以融入到内燃机的研究当中，形成多系统、多参数可变控制技术的内燃机，智能技术包括可变增压技术、可变EGR技术、可变气门定时和升程技术等等，在达到精确控制时进一步减少人工参与程度。当然，未来内燃机的研究方向主要还是趋向于节能减排和环保方面，作为汽车应用的主要动力机械，内燃机的绿色应用性能将直接决定着我國环保事业的发展进程，清洁、高效、节能的内燃机发展技术是我们发展研究的最终目标。

2.3 国内内燃机与国际先进水平的差距

内燃机是各种机械类产品的核心设备，是机械装备的心脏，内燃机的质量与应用效率将直接影响国内机械制造业的发展水平。我国虽然是内燃机生产与使用大国，但是在稳定性应用水平上，我国的内燃机发展水平还存在一定的差距，可靠性是评价内燃机使用效率的一个重要指标，很明显，我国在内燃机稳定性应用方面还是与国际先进水平有一定的差距，也是最大的差距。因此，国内的内燃机主要研究方向还是在可靠稳定性方面。

3  内燃机的技术指标与国产化分析

3.1 内燃机总体设计指标

内燃机在设计研发的过程中要考虑到以下几个指标，只有这几项指标都合格之后才能正式投入使用，包括动力性指标、经济性指标、可靠性与耐久性指标、质量与外形尺寸的指标、低公害指标和制造使用维护指标。动力性指标通过计算公式能够有效解决，影响因素主要有转速、结构参数和平均有效压力。经济性指标主要是指燃油、机油消耗率来判断。经济性指标是从燃料燃烧上来评定的，在车用内燃机应用中，燃料主要是死走和柴油，从经济上来说，机油的价格往往要比柴油，而对于高效的内燃机来说就是要利用最少的燃料达到最佳的效果。而在各项指标的设计过程中，国内最大的研究重点在可靠性与耐久性指标上，这也是我国与国际先进水平的主要差距之处。国内较为普遍的内燃机在短期应用内都会出现质量问题，后期出现故障或者需要更换的零件次数过多，这样会直接影响到内燃机的使用寿命。而质量较高的内燃机在保证期内不会发生故障或者零部件更换的情况。最后是质量与外形尺寸指标，由于在不同的机械类中应用，因此，在设计内燃机大小尺寸方面，要考虑到其用处方面。车用内燃机一般质量和外形尺寸较小，应用于大型工程机械和拖拉机的话内燃机的尺寸需要加大一些。在设计制造的过程中，设计紧凑、质量轻是内燃机制造追求的目标。

3.2 内燃机国产化情况

我国内燃机起步晚，基础技术与零部件加工都是我国内燃机技术的弱势，但并不能阻挡我国企业生产研究内燃机的脚步。目前，我国已经有了多家内燃机制造企业，大多数都是在汽车销售方面自主研发内燃机技术，包括奇瑞ACTECO和SQR481F系列自主发动机、荣威KV6、海马HA1.6系列自主发动机、吉利CVVT、华晨1.8T和长安志翔2.0。而在其中，奇瑞自主研发的内燃机做得最好，其次就是吉利汽车的内燃机都有很大的发展前景。目前，我国大型汽企都研发了自主的内燃机技术，各有各的优势与特点，但是在细节化处理制造水平上还是与国外技术有一定差距。在国内内燃机的生产设计上，国内相关企业可以加大相关合作力度，在施工技术、零部件材料提供方面强强联手，国内对于内燃机材料的研究也要进行，尤其是内燃机的气门材料，实现国产化，并将国产化技术推到世界技术的发展前列。

4  结语

内燃机作为各种机械制造类设备的核心硬件，对机械运行起着决定性的作用。内燃机在经过一个多世纪的发展之后，已经形成了目前的发展应用状态，在信息化背景技术下，内燃机的应用更加趋向于自动化、便捷化水平中。目前，各个国家都有专属的内燃机制造技术，我国也不例外，但是与之国际先进水平相比，我国内燃机在可靠稳定性方面还有更大的进步空间，也是未来内燃机研究的主要领域，将国内外制造技术水平的差距不断缩小，进而跻身先进生产制造领域，是我们不断发展与奋斗的目标，让更多人认识到中国技术，而不是停留在中国制造上。

参考文献：

[1]崔文政，杨建国.内燃机冷却系统中应用纳米流体强化传热研究综述[J].内燃机工程，2020，41（02）：77-85.

[2]伍赛特.内燃机技术管理概述[J].柴油机设计与制造，2020，26（01）：53-56.

[3]石也言.别克威朗L3G发动机概述及怠速不稳故障的分析[J].汽车与驾驶维修（维修版），2019（11）：37-39.

[4]刘展鹤.重型燃气轮机现状与发展趋势[J].内燃机与配件，2020（09）：241-242.