摘　要：作为一种新型热机，微小型燃气轮机具有清洁、可靠、多用途等特点，近年来得到了广泛关注和快速发展。介绍微小型燃气轮机的技术特点，对以微小型燃气轮机为核心的分布式发电和车辆动力系统进行研究，并展望微小型燃气轮机的应用前景。

关键词：微小型燃气轮机；分布式发电；车辆；动力

微小型燃气轮机是近年来迅速发展起来的一种小型热机，其单机功率在1000kW以内。受技术、材料、加工手段等条件的制约，早期的微小型燃气轮机发展较为缓慢，存在制造复杂、寿命短、可靠性差、热效率低、费效比高等诸多缺点，严重制约了微小型燃气轮机的发展。随着技术的不断进步，特别是小型回热器的应用，微小型燃气轮机的技术难度逐渐降低，与无回热器的传统燃气轮机相比，其热效率大幅提高，接近或者超过内燃机水平。此外，随着能源与动力需求的全球化，特别是发电机组和车辆动力环保要求的普及化，微小型燃气轮机在许多领域得到了广泛应用。

随着技术的进步，微小型燃气轮机在经济性、可靠性、维护性及排放性方面都有了较大的进步。其具有体积小、质量轻、噪声低、排放低、适合多种燃料并且燃料消耗率低、维护费用经济、不需冷却液、可靠近终端用户安装等一系列优势，可以广泛应用于分布式发电及热电联供。同时，微小型燃气轮机在军民用交通运输等方面也具有一定优势。目前，基于微小型燃气轮机的分布式供能技术已被列入我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要》。

1 微小型燃气轮机基本原理及结构

微小型燃气轮机的基本原理及结构与大中型燃气轮机一致，主要由压气机、燃烧室、涡轮、动力涡轮等结构组成。微小型燃气轮机功率较低，如果单纯采用简单循环会导致热效率偏低。所以在微小型燃气轮机中通常采用间冷、回热、补燃等复杂循环手段来提高整机性能水平。

1.1 基本原理

微小型燃气轮机的基本原理如图1所示。空气由进气口吸入，经低压压气机压缩、间冷器降温后由高压压气机压缩，而后流过回热器进入燃烧室燃烧。高压涡轮的高温燃气可以进行补燃（二次燃烧），补燃后的气体通过动力涡轮对外做功，完成复杂循环过程。

间冷器的作用是降低进入高压压气机的空气温度，以降低压气机功耗；回热器的作用是使进入燃烧室的空气温度提高，以提高燃烧室效率；补燃的作用是充分利用高温燃气，使其进行二次燃烧。采用上述3种方法，可以提高整机的热效率。

1.2 结构特点

微小型燃气轮机主要由燃气发生器和动力涡轮部件组成。其中燃气发生器由压气机，环形燃烧室，涡轮构成。某小型燃气轮机结构见图2。

该机采用带环形过滤网的环形进气机匣，压气机由4级轴流式压气机与单级离心式压气机共同组成，带21根扩压管的燃气发生器机匣、14个单路离心式喷嘴的环形回流燃烧室、单级压气机涡轮及其气冷式整体铸造导向器、2级动力涡轮及单口径向排气蜗壳。

2 车辆用微小型燃气轮机发展现状

传统的重型车辆都是用柴油机作为动力。20世纪50年代起，喷气发动机取代活塞发动机在飞机上使用。部分发达国家开始对采用燃气轮机作为重型军事车辆动力进行研究，经过几十年的不断改进，美国和俄罗斯的技术最为先进，产品得到了广泛应用。

2.1 美国的车辆用燃气轮机

1976年，美国陆军在新一代XM-1主战坦克上使用AGT-1500燃气轮机作为其动力装置。1978年，开始对AGT-1500燃气轮机在XM-1上的应用进行可靠性、耐久性试验。1979年，美国国防部批准生产XM-1型坦克试。目前，M1，M1A1和M1A2都以AGT-1500燃气轮机为动力，总数量已超过1万余台。

AGT-1500燃气轮机在高温和沙漠地区表现出极高的可靠性和易维护性，出勤率也非常出色，没有一台需要更换备用发动机，也没有遇到任何维护问题。发动机排气干净，不冒烟，噪音小。发动机功率大、体积小、质量轻，使车辆表现出极高的机动性。参战的1956辆M1A1仅4辆被摧毁、4辆被击伤，无人员死亡。但在其使用中存在油耗偏高的缺点。

AGT-1500燃气轮机的剖面见图3。该燃气轮机为三轴结构：低压转子、高压转子和动力涡轮转子。5级轴流式低压压气机带可调进口导流叶片；高压压气机由4级轴流式压气机和单级离心式压气机组成；每个压气机转子由单级涡轮带动，高压涡轮导向叶片与工作叶片均为空心气冷。2级动力涡轮带可变几何进口导流叶片，高压压气机排出的空气经回热器被动力涡轮排出的燃气加热后再进入单管式燃烧室。燃气轮机由全功能数字电子调节器自动控制。

2.2 俄罗斯的车辆用燃气轮机

俄罗斯于20世纪60年代开始对车辆用燃气轮机进行研究。1979年，功率为735kW的简单循环燃气轮机装备于т-80上。1984年，功率为809kW的гтд-1100型燃气轮机装备于т-80Б上。1990年，功率为909kW的гтд-1250型燃气轮机装备于т-80у上。20世纪90年代，俄罗斯开发了新一代гтд-1500型燃气轮机，其包含回热装置及高效率压气机。与以前的型号相比，新型号体积更小，质量更轻，同时油耗也有所降低。

гтд-1250型燃气轮机的外形与结构分别见图4和图5。该机为简单循环燃气轮机，低压压气机与高压压气机均为单级离心式，燃烧室为回流环形，高压涡轮、低压涡轮与动力涡轮均为单级轴流式。

3 车辆用微小型燃气轮机综合分析

自从20世纪70年代末燃气轮机开始大规模装备于军用车辆以来，人们对燃气轮机是否适用于车辆动力的争论就从未停止。可以说自车用燃气轮机诞生之日起，就一直在争论中坎坷发展。

3.1 车用燃气轮机的优点

总体看来，采用燃气轮机作为动力的车辆具有很多优点：1）加速性能好。燃气轮机功率大，从空载到最大功率只需不到3s，将50余t车辆从零加速到30km/h只需要6s左右，比柴油机快2～3倍，极大地提高了车辆的机动性与生存性。2）功率密度高。与同功率档的柴油机相比，燃气轮机的功率质量比为1.360，而柴油机为0.566；燃气轮机的体积功率比为0.00073，而柴油机为0.00096。在同等功率下，燃气轮机可以做得更小更轻，以便车辆承担更多负载或燃料。3）噪音低。柴油机工作时噪音大、颗粒污染物多，而燃气轮机排气温度低、杂质少、噪音低50%以上。同时，燃气轮机还具有启动方便、可以使用多种燃料、低转速扭矩高等一系列优点。

3.2 车用燃气轮机的缺点

随着新技术、新材料等的逐步应用，车辆用燃气轮机的早期缺点不断改进，但其仍存在空气滤清量大、制造及使用成本高、冲击负荷大、频繁变换工况导致燃油消耗量大等问题。

4 车用燃气轮机燃油消耗量大的解决途径

燃气轮机在低工况燃油消耗量大是各功率档燃气轮机都存在的共性问题，在此不做详细讨论，仅根据车用燃气轮机的工作特性，提出一些解决办法。

从同时具备间冷回热的复杂循环燃机WR-21工作曲线可以看出，与同功率简单循环燃机相比，不仅其额定功率高，而且在大部分功率范围内具有较为平坦的耗油率曲线（在35%额定负荷下，其耗油率也接近额定负荷）。因此，采用复杂循环技术是提高燃气轮机经济性的重要途径。

AGT-1500燃气轮机具有回热装置。按照车辆使用性质，美国陆军分别在公路、越野、怠速3种不同工况下对柴油机和燃气轮机进行实际试验。表1为该实验的部分数据。

5 结语

来源于航空涡扇发动机的LM2500燃气轮机自诞生之日起，逐步采用各种最新技术，从最初的18MW到G4的33.4MW，LM2500燃机涵盖了2个连续的功率等级，充分满足了各类客户的需求。可以认为，LM2500燃机是世界上最成功和优秀的燃气轮机，其研制及发展历程为我国大规模开展燃机轮机研究提供了不可多得的宝贵经验。

参考文献：

[1]严成忠.燃气轮机技术--21世纪军用常规动力的共性技术[J].航空发机,2000(3):1-5.

[2]李孝堂.燃气轮机的发展及中国的困局[J].航空发动机,2011(3):1-7.

[3]毕小平,路锋.燃气轮机作为坦克动力的现状与分析[J].装甲兵工程学院学报,2011(1):32-35.

[4]世界燃气轮机手册编委会.世界燃气轮机手册[M].北京:航空工业出版社,2011.

[5]沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司.燃气轮机原理、结构与应用[M].北京:科学出版社,2002.

(本文作者：沈烨 中国航空工业集团公司 沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015)