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            燃氣輪機至今依然是最難制造的機械設備

            燃氣輪機起源于19世紀,是第二次工業革命的產物,如今還被廣泛使用在交通、電力、航天等多個領域。但實際上,燃氣輪機至今依然是最難制造的機械設備。


            01 燃氣輪機有多難制造?


            燃氣輪機由壓氣機(Compressor)、燃燒室(Combustor)和透平設備(Turbine)三部分組成,原理是壓氣機從外界吸入空氣,經過軸流式壓氣機逐級壓縮增壓;壓縮空氣進入燃燒室與噴入燃料燃燒生成高溫高壓的氣體,通過氣體排出閥排出,吹動葉片旋轉帶動渦輪旋,進而使壓氣機高速旋轉。


            在燃氣輪機中,壓氣機是由燃氣渦輪膨脹做功來帶動的,渦輪發出的機械功約有一半是帶動壓氣機運動,其余的一部分機械功才是進行動力輸出;所以在燃氣輪機起動的時候,首先需要電動機帶動壓氣機啟動,直到燃氣渦輪機械功大于壓氣機消耗的機械功時,燃氣輪機才能自身獨立工作。


            原理似乎并不復雜,但燃氣輪機持續工作中,為了保持相當高的動力,溫度要保持在1000度左右,而且需要長期在這種溫度中維持上萬小時,并且不能出現損壞,這對于燃氣輪機的材料要求極高。


            除了材料,還需要考慮如何將壓氣機的壓縮比和燃燒室的燃料混合時充分燃燒,產生最大壓力,同時高溫高壓的氣體吹向葉輪,葉輪要在高溫高壓中能長期穩定的旋轉,這就跟冰塊放在火里面,還要求冰塊不能化掉一樣。


            在這種情況下還要減少葉輪旋轉需要帶動壓氣機的機械能,增加透平設備產生的機械能,這需要在冷卻方式、流道、 葉型、材料、涂層、控制等方面不斷進行改進和優化,才能提高效率,但是這些技術早已被 GE、西門子、三菱為主的重型燃氣輪機產品壟斷并拒絕技術轉讓,我國只能通過自研,技術水平與頂尖巨頭比還有較大的差距。


            02 為何要重點研究燃氣輪機?


            燃氣輪機實際上是第二次工業革命的產物,而在如今電機已經非常普遍的情況,很多人可能都有疑問,為什么我們還要花這么多精力去研究一個過時的東西?作為一個靠譜的科普作者,我可以告訴大家,燃氣輪機不但沒有過時,而且非常重要。


            燃氣輪機對于燃料的要求不高,任何燃料都可以,但是為了提高效率和保護環境,現在主要燒天然氣,隨著我國“十四五”綠色能源發展計劃的實施,低碳經濟、碳中和就成了重中之重,低污染的能源受到重視,其相關產業的研發工作早已展開,《電力發展“十三五”規劃》已明確了天然氣發電項目建設目標,2020年將實現氣電裝機容量占 比超過5%,總體規模達110GW(吉瓦)。


            在《能源發展“十三五”規劃》中,氫能和燃料電池被列為需要集中攻關的關鍵技術。美日歐等發達國家相繼將氫能發展列入國家能源發展規劃,目前產業發展迅速,用清潔的氫燃料替換天然氣,也是未來燃氣輪機發電趨勢。


            但氫的缺點也比較明顯,首先腐蝕性強,熱值高燃燒快,很難控制燃料補給速率。所以目前單獨使用比較困難,多數是和天然氣混合加入燃氣輪機,或者經過工業加工,氫氣和二氧化碳形成甲烷和甲醇等清潔能源。


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