燃气轮机的发展

起源

最早的提取旋转装置机械能从流动的气体流是风车(见上图)。接着是烟熏，第一个草图莱昂纳多·达·芬奇后来由英国牧师约翰·威尔金斯在1648年详细描述。这个装置由许多水平风帆组成，这些风帆安装在垂直轴上，由烟囱上升的热空气驱动。借助于一个简单的传动系统，抽烟机被用来转动烤叉。

各种脉冲和反应式空气涡轮驱动器在19世纪被开发出来。这些是利用空气，由外部压缩往复压缩机，带动旋转演习，锯等设备。许多这样的装置仍在使用，但它们与现代燃气涡轮发动机几乎没有共同之处，后者包括一个压气机、燃烧室,涡轮组成一个独立的原动机。第一个近似于这种系统的专利被授予约翰·巴伯英格兰在1791年。巴伯的设计要求使用单独的往复式压缩机，其输出空气直接通过燃料燃烧室。然后，热射流通过喷嘴在脉冲轮上播放。产生的功率要足以驱动压缩机和外部负载。除了巴伯的草图和低效率从当时可用的部件中可以清楚地看出，即使该装置包含了今天燃气涡轮发动机的基本部件，它也不可能工作。

尽管随后提出了许多设备，但第一个重大进展是在1872年授予的专利中F.斯托泽德国。被称为消防涡轮，他的机由多级轴流式空气压缩机组成，安装在与多级反应涡轮相同的轴上。空气从压缩机通过一个热交换器在那里，它被涡轮废气加热，然后穿过一个单独燃烧的燃烧室。热压缩空气然后被输送到涡轮机。尽管斯托尔泽的装置几乎预见了现代燃气涡轮发动机的所有特征，但压气机和涡轮都缺乏必要的条件效率在当时可能的有限的涡轮入口温度下维持运行。

20世纪早期的发展

第一台成功的燃气轮机于1903年在巴黎建造，由一个三缸多级往复式压气机、一个燃烧室和一个脉冲涡轮组成。它的工作方式如下:压缩机提供的空气与液体燃料一起在燃烧室燃烧。产生的气体通过注水得到一定程度的冷却，然后送入脉冲式涡轮。该系统的热效率约为3%，首次证明了实际燃气涡轮发动机的可行性。

另外两种设备断断续续的值得一提的是，两者几乎同时发展。内置了1万转每分钟的装置巴黎1908年有四个爆炸室位于外围一个德拉瓦尔脉冲涡轮。每个燃烧室都包含空气和燃料，依次燃烧以提供几乎连续的高温高压气体流，这些气体通过喷嘴进入涡轮车轮。从爆炸室冲出来的热气体所产生的瞬间部分真空被用来吸入新的空气。

更有意义的是由德国的Hans Holzwarth，他的实验始于1905年。在该系统中，压缩机将空气和燃料引入恒定容积的燃烧室。点火后，高温、高压气体通过弹簧加载的阀门逸出，进入指向涡轮叶片的喷嘴。阀门一直开着，直到气体被吸入出院此时，一股新的电荷被带入燃烧室。由于压缩机的压力增加仅为燃烧后达到的最大压力的四分之一左右，因此即使压缩机效率较低，机组也能运行。Holzwarth和各种合作者继续开发爆炸涡轮超过30年，直到它最终被现代燃气涡轮发动机所取代。

基于Stolze最初提出的想法的稳流发动机要想成功，不仅要依靠旋转压气机和涡轮的高效率(超过80%)，还要依靠中等高的涡轮入口温度。第一个成功的实验燃气轮机使用旋转压缩机和涡轮是在1903年由埃伊德斯·埃林挪威。在这台机器中，离开离心压缩机的部分空气被排出供外部动力使用。剩下的部分是用来驱动涡轮的，通过一个燃烧室，然后通过一个喷嘴蒸汽发生器在那里热气被部分冷却。燃烧气体被进一步冷却(通过蒸汽注入)至400°C，这是埃林的径向流入涡轮所能承受的最高温度。该类型最早的运行涡轮交付了11台马力。许多后续改进后的另一种实验性的埃林涡轮机，到1932年可以产生75马力。它采用了效率为71%的压气机和效率为82%的涡轮，在入口温度为550°c的情况下运行，然而，挪威的工业无法利用这些发展，因此没有建造商业机组。第一次工业上的成功直到1936年才出现，当时瑞士的Brown Boveri公司独立地为Houdry工艺开发了燃气轮机(见上文)。

同样在20世纪30年代中期，由弗兰克·惠特尔英国皇家飞机研究所(RAE)致力于设计一种用于飞机喷气推进的高效燃气轮机。惠特尔团队生产的装置在测试中工作成功;经确定，单台离心压缩机以每分钟约17,000转的速度运行，可以实现约4的压力比。在惠特尔取得这一成就后不久，由A.A.格里菲斯和H. Constant领导的另一个RAE小组开始了轴流压缩机的开发工作。轴流式压气机，虽然更加复杂和昂贵，但更适合详细的叶片设计分析，可以达到更高的压力和流量，最终，比离心式压气机更高的效率。

德国的独立平行发展，由Hans P. von Ohain与制造业恩斯特·海因克尔公司的一项研究成果，研制出了一种完全可用的喷气式飞机发动机，其特点是一个离心式压气机和一个径向流入涡轮。1939年8月27日，该发动机在世界上第一架喷气动力飞机飞行中成功测试。随后德国在Anselm Franz的指导下，为Messerschmitt Me-262飞机设计了Junkers Jumo 004发动机，该发动机于1942年首飞。在德国和英国，寻找更高温度的材料和更长的发动机寿命得益于开发飞机涡轮增压器的经验。

在结束之前二战期间英国、德国和美国制造的燃气涡轮喷气发动机美国都乘坐战斗飞机飞行。在接下来的几十年里，螺旋桨驱动的燃气涡轮发动机(涡轮螺旋桨发动机)和纯喷气式发动机都得到了迅速发展，随着飞机速度的提高，后者的作用越来越大。

最近的趋势

由于第二次世界大战后燃气涡轮发动机设计的重大进步，人们预计这种系统将成为许多应用领域的重要原动机。然而，高效压缩机和涡轮机的成本高，再加上持续的需求温和的涡轮入口温度限制了燃气涡轮发动机的采用。他们的领先优势仍然是在飞机推进领域，以亚音速或超音速飞行的中大型飞机。至于电力发电方面，使用蒸汽或水力涡轮机的大型中央发电厂预计将继续占据主导地位。尽管如此，中型电厂将燃气轮机与蒸汽轮机结合使用的前景似乎是光明的。燃气涡轮发动机也有可能进一步用于峰值电力生产。这些涡轮发动机对中小型高速船舶和某些工业应用也仍然具有吸引力。