一、燃气轮机的定义和应用领域
燃气轮机是一种高效的动力生成设备，主要通过燃烧气体燃料产生高速气流，进而驱动轮机转子旋转以产生能量。具体而言，燃气轮机利用燃料与空气的混合气体在高温高压下燃烧，产生的热能转换为机械能。这种转换过程涵盖了压缩、燃烧和膨胀三个基本阶段，每个阶段均对轮机的整体效能和效率产生直接影响。
燃气轮机的应用范围广泛，涉及多个重要领域。在电力行业，燃气轮机常作为独立的电站或与蒸汽轮机结合形成联合循环电站，以提供高效率的电力输出。在航空领域，燃气轮机的变体——喷气发动机，是现代商用和军用飞机的核心动力来源。此外，燃气轮机还在船舶推进、石油化工以及高速列车动力系统中发挥着关键作用。这些应用不仅凸显了燃气轮机在动力系统中的多功能性，也反映了其在现代工业和交通运输中的重要地位。
随着科技的发展和环保要求的提高，燃气轮机的设计和应用正朝着更高效率、更低排放和更广泛的适用性方向发展。这要求在材料、设计、控制系统等方面的不断创新和优化，以满足日益严格的环境标准和经济效益要求。因此，燃气轮机的技术发展不仅是工程领域的一个重要课题，也是实现可持续发展目标的关键因素之一。
二、燃气轮机的发展状况
1. 国外燃气轮机的发展历程
燃气轮机的早期发展源于古代，但现代燃气轮机的历史始于1791年，当时英国人John Barber获得了首个真正燃气轮机的专利。他设计的轮机包含了现代燃气轮机的许多基本元素，旨在为“无马车”提供动力。19世纪末，技术进一步发展，1894年，Charles Parsons获得了一项利用蒸汽轮机推动船只的专利，并建造了展示船“Turbinia”，成为当时最快的船只。随后，1899年，Charles Gordon Curtis在美国获得了首个燃气轮机引擎的专利。
20世纪初，燃气轮机技术迅速发展。1903年，挪威人Ægidius Elling建造了首个能产生超出自身运行所需功率的燃气轮机，这在当时的航空动力学知识有限的背景下被视为一项成就。1930年，Frank Whittle获得了一项离心式燃气轮机（用于喷气推进）的专利，1937年在英国成功进行了首次试运行。此外，1936年，布朗-波维利公司投入使用的第一个持续流动工业燃气轮机在美国的Sun Oil公司马库斯胡克炼油厂开始运行。
到了20世纪中叶，燃气轮机在航空和海军应用中发挥了重要作用。例如，1944年，德国的Junkers Jumo 004发动机开始大规模生产，为第一代德国军用喷气机提供动力，如Messerschmitt Me 262，标志着燃气轮机在天空中的统治时代的开始。后来，1947年，Metropolitan Vickers的G1型（Gatric）成为首个海上燃气轮机，在英国皇家海军的M.G.B 2009船只上完成了海试。
第二次世界大战后，燃气轮机技术的重点转向了更大、更强大的引擎的开发，这主要是为了满足冷战时期新一代飞机的需求。与之前基于离心压缩机的设计不同，现代的发动机开始采用轴流压缩机，这种压缩机能够在更宽的条件范围内稳定运行。例如，普惠公司的J57发动机和布里斯托尔的奥林巴斯发动机，后者是协和飞机的动力来源，就是采用多级轴流压缩机的代表。
另一个重要的发展是涵道发动机的引入。这种发动机通过将只有一小部分空气通过发动机核心，并通过大容量但低压比的压缩机压缩其余空气来提高燃料经济性。涵道比（bypass ratio）是这种发动机的一个关键特点。罗尔斯-罗伊斯的Conway发动机就是基于这种设计理念，它在1952年首次运行并演变为罗尔斯-罗伊斯Conway，为波音707和DC8提供动力，这些飞机开启了大众航空旅行的时代。
到了20世纪60年代末，航空制造商开始考虑能够搭载200多名乘客、航程超过5000海里的宽体商用飞机，以满足航空旅行需求的增长。对此，发动机制造商提出了具有高涵道比的新型发动机。这种发动机的开发具有巨大的挑战性，需要庞大的投资、高超的技能和强有力的领导。例如，罗尔斯-罗伊斯在1971年因其首个高涵道比发动机RB211的成本超支而宣布破产，但这种发动机最终在斯坦利·胡克的领导下成为成功且可靠的产品。
为了克服大型强力风扇的驱动问题，普惠公司投入了大量资源开发齿轮涡轮风扇PW 1100。在这种发动机中，风扇和驱动它的涡轮可以以不同的速度旋转，从而提高效率。所有主要制造商都在投资研发自己的齿轮风扇设计。
2. 我国燃气轮机的发展历程
早期发展：燃气轮机，作为一种高效动力装置，对国家的能源安全和国防有着重要影响。它是继蒸汽机和内燃机之后的新一代动力设备，广泛应用于电力系统、工业生产、国防等领域。
依赖进口：中国的重型燃气轮机长期依赖进口，尤其是高功率（5万千瓦以上）的重型机型。这些高级燃气轮机的设计、制造和试验技术长期被德国西门子、美国通用电气和日本三菱等少数国际公司垄断。这些公司掌握了重型燃气轮机中关键的热端部件制造和控制技术。尽管中国的制造技术在某些方面有所提升，比如部分零部件的国产化，但核心技术和高温部件仍然依赖进口。中国的重型燃气轮机主要制造企业，如上海电气、东方电气和哈尔滨电气，大多数只拥有部分制造技术，例如冷端部件和整机组装，而核心技术和设计依然受制于外国公司。
技术引进阶段：自2000年起，中国开始采用市场换技术的策略，与美国、日本、德国等国的公司合作引进燃气轮机技术。在2001至2007年间，中国引进了E级和F级的重型燃气轮机，总计60余套，合计2000万千瓦。这一策略使得国内企业掌握了一些基本的制造和组装技术，但核心设计和热端部件制造技术仍然由外方垄断。尽管国产化率在一些方面有所提升，比如零部件的数量国产化率可达80%-90%，但其价值国产化比重仍然不到70%。这个阶段的主要成果是国内企业在燃气轮机组装和部分零件制造方面获得了一定的技术积累。
自主研发取得进展：中国自主研发重型燃气轮机的努力始于2001年，当时以黎明公司和六〇六所为主，联合清华大学、中科院等机构，开展了R0110重型燃气轮机的研发。该项目被列为国家“十五”期间“863”能源领域的重大专项。2008年，这款机型通过国家验收，标志着中国成为全球第五个能自主研发重型燃气轮机的国家。该项目的成功得益于消化吸收乌克兰UGT-6000+船用燃气轮机的技术。此后，2014年，中国又成立了中国联合重燃技术有限公司，对300兆瓦燃气轮机进行技术攻关。到2018年，中国在F级300兆瓦重型燃机的关键部件制造上取得重大突破。2019年，中国首台F级50兆瓦重型燃气轮机原型机成功进行了整机点火试验，实现了关键高温部件的国产化，打破了西方长达70年的技术封锁。这些成就凸显了中国在自主研发重型燃气轮机方面的进展，尽管国产化进程仍需时间来克服更多技术挑战。
三、燃气轮机的技术发展趋势
（1）提高效率和环保性
燃气轮机的效率正在不断提高，其中使用高温度涡轮的先进燃气轮机的单循环效率可以超过40%，联合循环电厂的效率甚至能达到62%以上。随着涡轮部件材料、工艺和结构的发展，燃机的效率不断提升。此外，燃气轮机相比于其他常规动力装置有更低的油耗和更轻的重量，同时也更加清洁环保。
（2）高效热能利用
燃气轮机的排气中含有大量未被利用的热能。采用如热电联供等方案可以更充分地利用这些热能，从而提高整机的热效率并降低燃料消耗。技术如压气机中间冷却和回热循环方案（间冷回热）可以显著提高热效率，同时降低排气温度、噪声和红外辐射。
（3）蒸汽回注和蒸汽-燃气联合循环
蒸汽回注技术可以提高燃气轮机的功率和效率，通过将余热锅炉产生的蒸汽回输到涡轮前，与燃气掺混后在涡轮中膨胀做功。蒸汽-燃气联合循环方案则进一步提高了整体效率，使汽轮机的功率和效率提高。
（4）多种燃料的使用
燃气轮机正在向能够使用多种燃料的方向发展，如重油和天然气等。固体燃料如煤的研究虽然进展较慢，但有望在未来实现商业运行和推广。多种燃料的使用可以提升燃气轮机的经济性。
四、结语
通过对燃气轮机的全面分析，可以看出这一技术在全球范围内的重要性和不断发展的趋势。燃气轮机的历史和技术进步不仅彰显了工程领域的创新力量，也体现了对环保和效率的日益重视。中国在燃气轮机技术的发展上虽起步较晚，但近年来的自主研发显示出迅速追赶的势头。展望未来，笔者认为，随着环保要求的提升和技术创新的持续，燃气轮机将朝着更高效率、更低排放和更广泛应用的方向发展。这不仅是工程技术领域的挑战，也是全球能源转型和可持续发展战略的重要组成部分。对燃气轮机技术的深入研究和持续优化，将为实现这些目标提供强有力的支持。
参考文献：
翁一武,闻雪友,翁史烈.燃气轮机技术及发展[J].自然杂志,2017,39(01):43-47.
闻雪友,任兰学,祁龙等.舰船燃气轮机发展现状、方向及关键技术[J].推进技术,2020,41(11):2401-2407.DOI:10.13675/j.cnki.tjjs.200406.