干货丨燃气轮机与汽轮机全方面差异对比

前言

燃气轮机与汽轮机是两种最为常见的热力涡轮机械，它们在工业生产中发挥了重要作用。二者工作原理相类似，但在技术特点、结构等方面也存在差异。

汽轮机是将蒸汽的能量转换成为机械功的旋转式动力机械。又称蒸汽透平。主要用作发电用的原动机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。还可以利用汽轮机的排汽或中间抽汽满足生产和生活上的供热需要。

燃气轮机（Gas Turbine）是一种以连续流动的气体作为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械。在空气和燃气的主要流程中，只有压气机（Compressor）、燃烧室（Combustor）和燃气透平（Turbine）这三大部件组成的燃气轮机循环，通称为简单循环。大多数燃气轮机均采用简单循环方案。压气机从外界大气环境吸入空气，并经过轴流式压气机逐级压缩使之增压，同时空气温度也相应提高；压缩空气被压送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的燃气；然后再进入到透平中膨胀做功，推动透平带动压气机和外负荷转子一起高速旋转，实现了气体或液体燃料的化学能部分转化为机械功，并输出电功。从透平中排出的废气排至大气自然放热。这样，燃气轮机就把燃料的化学能转化为热能，又把部分热能转变成机械能。通常在燃气轮机中，压气机是由燃气透平膨胀做功来带动的，它是透平的负载。在简单循环中，透平发出的机械功有1/2 到2/3 左右用来带动压气机，其余的1/3 左右的机械功用来驱动发电机。在燃气轮机起动时，首先需要外界动力，一般是起动机带动压气机，直到燃气透平发出的机械功大于压气机消耗的机械功时，外界起动机脱扣，燃气轮机才能自身独立开始工作。

比较汽轮机和燃气轮机的差异将有助于我们对其特征技术与结构的了解，并在实际应用中扬长避短。

1. 燃气轮机的技术特点

燃气轮机作为一种常见的动力装置，相比于汽轮机动力装置具有以下的技术特点与优势：

• 结构紧凑，体积小，重量轻；

• 噪音低，运动平稳，振动较小。燃气轮机是一种旋转机械，运转时低频振动较少；

• SOx，NOx 等有害气体排放少；

• 功率重量比大，单机功率大，启动加速性好；

• 润滑油消耗低，保养量小，管理人员少；

• 少用或不用冷却水；

• 初期投资费用较低。

2. 结构上的差异

2.1 整机结构

汽轮机有着大量的附属机械设备，诸如泵，风机，冷凝器，真空设备，以及庞杂的管系。各类的附属设备占据较大的空间，并且质量较大。而燃气轮机相比于汽轮机有着结构简单的优势，于所占空间和机件质量，均小于汽轮机装置。在输出功率相近的前提下，燃气轮机整机装置的质量，大约为汽轮机装置的1/3，约为柴油机装置的1/5~1/2。航空燃气轮机的研制方向重点在于整机轻量化，相比于陆用和船用燃气轮机而言，质量更轻。燃气轮机的内部流通部分结构更为简单，应为不同于汽轮机，燃气轮机内通常没有中间抽汽与调节级。此外，燃气轮机的进排气装置尺寸均较大，往往会占用相当的空间。

2.2 可靠性

汽轮机与燃气轮机通常都能以稳定工况进行运转。对于汽轮机而言，其辅助机械设备构造简单，并且技术成熟。其循环寿命与平均大修间隔都较长。如蒸汽温度保持在1000°F以下，会更有利于汽轮机保持长期平稳而安全的运行。燃气轮机的平均大修间隔通常较短，而其原因主要源自燃气的高温，于这样的高温之下，运行一定的时长之后，即使采用了较好的叶片涂层，依然易于导致高温部件工作情况恶化。需要注意的是，燃气轮机的故障产生通常较为迅速，往往出现于数秒之中，而汽轮机的故障通常出现较为缓慢，易于阻止灾难性破坏的产生。由于相对于整个能量转换体系来讲，汽轮机的动力装置部分是很小的一部分而燃气轮机的转子和燃气发生器构成了能量转换的主体部分，因此其故障或者机件的损坏，往往是致命的，相比于汽轮机来说更为严重。

2.3 零件供应

汽轮机装置通常采用相近的机件，需要大型且复杂的后方零部件供应体系。而燃气轮机的制造通常采用批量生产技术，生产厂商可以提供具有较好互换性的零件、部件和模件。不论燃气轮机是航改型，船用型，高参数型，其所需的零部件总量是相对较少的，随着模件所需范围的扩大，更加需要简化维护保养的程序，降低运行成本。燃气轮机装置，尤其像航改型，其购置及安装费用，都比同等功率的汽轮机与柴油机装置更为便宜。

2.4 进排气道

燃气轮机通常需要大尺寸的进排气管道，而汽轮机则不然。燃气轮机进气口通常会产生大量噪音，为了保证运行环境和工作人员舒适度，有必要采用降噪设备。通常船用燃气轮机需要于进气口布置悬浮微粒分离装置，从而保障整机的运转安全与稳定。

3. 整机运行方向上的差异

3.1 工质

燃气轮机的工质为高温燃气，形态上更接近于理想气体，无物态变化，并且工作初温相对较高，通常需要使用耐热合金或者耐热钢材来进行制造，材料对耐高温与腐蚀都有一定要求。汽轮机的工质通常为过热蒸汽，通常会在排气口出现液化现象。燃气轮机在较低的初温下工作，其工质膨胀过程中燃气比容会增大5~20 倍，而汽轮机内部工质的比容则会增大数百倍。因此，燃气轮机第一级与最末级叶片的高度差，相比于汽轮机中会小得多，对应而言，其各级的径高比都比较小，并且流通部分变化较为平缓。燃气轮机的燃气中含有相当数量的氧气，如燃料中含有钠、汞、硫化物等时，高温燃气还可能会侵蚀叶片。因此燃气轮机流通部件所采用的金属除了需具有较高的热强度之外，还应具有较高的热稳定性，耐高温腐蚀性等。

3.2 燃料消耗

目前航空燃气轮机的比燃料消耗与柴油机、汽轮机相比，已不相上下，重型燃气轮机装置，通常燃用重质燃油，比燃料消耗更低。而在功率偏离设计指标之时，燃气轮机的比燃料消耗则迅速增加，而汽轮机则以相当小的速率增加。这主要是因为汽轮机在此种情况下，通常会采取部分进汽、旁通调节等措施，而燃气轮机则不然。通常可将燃气轮机与其他动力装置联合，以克服这个缺点，如与汽轮机联合形成燃气-蒸汽联合循环等。

3.3 响应性

虽然汽轮机发出的功率较为平稳，但是其改变功率大小的能力相对迟缓。燃气轮机则具有良好的高速性能和良好的运转响应性能，短时间内即可发出全功率。汽轮机从金属冷态到正常运转，通常需要数十小时，在紧急情况下，一般也需要3~4 小时。而燃气轮机则可以在数分钟内从惰转停车状态过渡到全速运转状态。

3.4 监护管理要求

燃气轮机通常更易于实现自动化控制，有着自动数据显示、记录、控制等特点，值班监视任务相对较为简单，而汽轮机由于系统庞杂，附属设备众多，通常需要更多的值班监护人员。

3.5 振动与噪声

如果不采用任何的消音措施，一般情况下燃气轮机的进排气噪声会相当高，但是在排气道以及围绕着发动机外壳处所安装的抑制声音装置，已能将噪音降低到实际要求的安全水平范围内。汽轮机由于泵、风机等辅助装置众多，因此一般都存在流体噪声和结构振动的情况。

3.6 燃料适应性

曾经认为，可以将燃气轮机设计成可以燃用任何一种燃料的热机，从人造黄油至人造煤气。但是对于燃气初温有较高要求的燃气轮机而言，实际上需要特别注意选择及处理其燃料，因此，诸如航空燃气轮机通常选择燃用轻质燃油，而重型燃气轮机可燃用重油以及渣油。汽轮机作为靠燃料加热水形成过热蒸汽而做功的外燃式动力机械，对燃料则几乎没有要求，燃用煤时，通常需要进行脱硫脱硝处理。

3.7 环境适应性

有别于汽轮机装置，燃气轮机对于进口环境条件的变化异常的敏感，尤其是进口温度。由于燃气轮机是直接对工作流体进行加热，因此高进口温度通常会降低其功率输出。对于汽轮机而言，则需要监控给水状况，以免损坏锅炉等设备。

3.8 装置效率

燃气轮机中，涡轮的效率对整机的效率影响更为显著，涡轮效率减少1%时，整机效率往往会减少2%~4%，因此，对燃气轮机内部流通部分进行设计时，往往比汽轮机的要求更高。

3.9 各种损失

燃气轮机的级内损失与汽轮机相类似，其中不存在湿汽损失，但是却有叶片冷却损失。燃气轮机末端叶片排气轴向分速可达到150~200m/s，此时的排气余速可达到燃气轮机可用能的10%，存在着一定程度的余速损失。

3.10 装机容量

燃气轮机可用的焓降大约为汽轮机的1/5~1/3，因此其级数与轴向尺寸与汽轮机相比有所减少和缩短。为了达到与汽轮机相同的功率，燃气轮机需要更多的流量，因此其第一级通常高于汽轮机的对应级数。燃气轮机涡轮 功部分的功率通常用于驱动压气机，大约只有1/3~2/5 的功率可对外输出。综合来讲，现有燃气轮机的最大装机容量远小于汽轮机的装机容量。

4. 展望与结语

燃气轮机是一种先进而复杂的成套动力机械装备，是典型的高新技术密集型产品。作为高科技的载体，燃气轮机代表了多理论学科和多工程领域发展的综合水平，是21世纪的先导技术。发展集新技术、新材料、新工艺于一身的燃气轮机产业，是国家高技术水平和科技实力的重要标志之一，具有十分突出的战略地位。由于多方面的原因，我国燃气轮机同国际先进水平相比仍存在很大差距。因此，我们要重视民族燃机产业的发展，优先发展重型燃气轮机，不断地提高与完善燃气轮机与汽轮机的动力性、可靠性、经济性和灵活性，以适应和满足不断增长的市场需求，为推动机械工业的不断发展而努力。