1.3 燃气轮机的发展历史

1.3.1 国际燃气轮机的发展历史

我国的走马灯（图1-5a）是燃气轮机最早的雏形，公元1000年左右就有关于走马灯的记述。意大利人列奥纳多·达·芬奇于15世纪末也设计出了与走马灯原理相同的烟气转动装置（图1-5b）。到17世纪中叶，透平原理已在欧洲得到了较多应用。

1791年，英国人巴贝尔登记了第一个燃气轮机设计专利（图1-6a），这是世界上首次使用燃气轮机这个名称。该设计由往复式压气机、燃烧室和透平组成，压气机由透平通过传动机构带动，具有现代燃气轮机的特征，标志着燃气轮机进入具体创建和研制时期。1872年，德国人施托尔策通过将轴流压气机与透平结合，提出了热空气轮机（hot air turbine），并在1900—1904年开展了试验。其结构与现代燃气轮机类似，但由于部件效率低且进入透平的气体温度低，机组始终无法脱开起动机独立运行对外输出功。1903年，挪威人埃吉迪乌斯·艾林制造出了首台有11马力（1马力=735.499W）正功输出的燃气轮机（图1-6b）。

图1-5 燃气轮机的雏形

图1-6 部分早期燃气轮机

1905年，法国人勒梅尔和阿芒戈制成第一台现代形式的燃气轮机（图1-6c），但机组因部件效率低和进入透平的气体温度不高导致实测效率仅3%～4%。1920年，第一台实用的燃气轮机（图1-6d）由德国人霍尔茨瓦特研制成功，其热力过程为等容加热循环，效率为13%，功率为370kW。但是等容加热循环以断续爆燃的方式进行加热，存在较大缺陷，因此最终还是被人们放弃。

随着气体动力学的发展，人们通过对压气机叶片中气体扩压流动特性的研究，逐步掌握了高效轴流压气机的设计方法，并在20世纪30年代中期成功制造出效率为85%的轴流压气机。同时，透平效率也有所提升。在高温材料方面，研制出了铬镍合金钢等耐热钢，可承受600℃以上的高温，这样就可以提高燃气初温，使等压加热循环能够成功应用于燃气轮机。

1939年7月7日，由Brown Boveri&Cie（BBC）公司设计研发了世界上第一台发电用燃气轮机（图1-7），并在瑞士纳沙泰尔市的一座市政发电站投入商业运行。其透平进口温度为550℃，效率为17.4%，功率为4000kW，其中透平输出功率为15400kW，而压气机就消耗11400kW。自此之后到20世纪50年代末，BBC公司一直进行重型燃气轮机的研发，但产品功率始终小于4MW，燃气初温不超过800℃，且热效率低于20%。

图1-7 第一台发电用燃气轮机

美国通用电气公司和德国西门子公司在第二次世界大战结束后也开始研发重型燃气轮机，进行核心技术的原始创新。20世纪60年代起，日本三菱公司则通过技术引进、消化、吸收和再创新开展重型燃气轮机的研制。20世纪70年代末，三家公司都研发成功了25MW以下的原型燃气轮机，燃气初温达到1000℃，效率也提升到约26%。在研发过程中确定了燃气轮机的基本结构，搭建了各类试验平台，培养了一批技术人才，形成了较完整的研发平台及团队。

随着高温材料研制和透平叶片冷却技术不断取得进展，燃气初温逐步提升，燃气轮机效率和功率进一步提高，E级燃气轮机逐渐成为世界燃气轮机市场的主流产品。自20世纪80年代初期开始推出的E级燃气轮机单机功率为31～105MW，效率可达30%左右，燃气初温也提高至1100℃。其后，燃气轮机功率逐渐增大至37～130MW，效率提升到32%，燃气温度达到1200℃。自1978年到1995年，全球已销售近9000台1MW以上的发电用燃气轮机，总功率达到7.3亿kW，世界燃气轮机市场逐渐形成。

其后，更高参数的F级燃气轮机开始替代E级燃气轮机。20世纪90年代中期，燃气轮机功率达到225～235MW，效率提高至约34%，燃气初温为1320～1350℃；到2010年，功率进一步增大到285～300MW，效率提高到36%～37%。在此期间，1MW以上的燃气轮机销量接近1.3万台，总功率超过10亿kW。2010年，燃气轮机发电量占全球总发电量的20%，燃气轮机已成为发电行业必不可少的关键设备。

目前，燃气轮机各项技术仍在快速发展，重要参数指标也在稳步提升。新一代H/J级燃气轮机功率已达400～520MW，热效率为40%～41%，燃气初温提升至1550～1600℃。2015年，H/J级燃气轮机销量占北美市场近一半的份额，这充分说明H/J级燃气轮机的时代正在来临。

燃气轮机一直被发达国家视为战略性产业，并在新产品和新技术方面投入巨额资金，先进技术的更新迭代不仅提升了燃气轮机性能，也推动了整个燃气轮机产业的大力发展。许多发达国家还制定了与燃气轮机相关的特殊发展计划，如美国的ATS（Advanced Turbine Systems）计划、美国和欧洲合作的CAGT（Collaborative Advanced Gas Turbine）计划、日本的“新日光”计划和“煤气化联合循环动力系统”、欧洲的EC-ATS（European Community-Advanced Turbine Systems）计划等。此外，随着减碳政策在全球范围的推广，一些主要燃气轮机制造商正在开发使用高氢含量燃料的燃气轮机，其中西门子公司采用湿式燃烧技术的燃气轮机掺氢能力可达100%，采用干式燃烧技术的燃气轮机掺氢能力可达50%。低碳经济的蓬勃发展将推动燃机轮机研发进入一个崭新的阶段。