輪機

1791年

英國人巴伯首次描述了燃氣輪機的工作過程；1872年，德國人施托爾策設計了一台燃氣輪機，並於1900～1904年進行了試驗，但因始終未能脫開起動機獨立運行而失敗；1905年，法國人勒梅爾和阿芒戈製成第一台能輸出功的燃氣輪機，但效率太低，因而未獲得實用。

1920年

德國人霍爾茨瓦特製成第一台實用的燃氣輪機，其效率為13%、功率為370千瓦，按等容加熱循環工作，但因等容加熱循環以斷續爆燃的方式加熱，存在許多重大缺點而被人們放棄。

隨著空氣動力學的發展，人們掌握了壓氣機葉片中氣體擴壓流動的特點，解決了設計高效率軸流式壓氣機的問題，因而在30年代中期出現了效率達85%的軸流式壓氣機。與此同時，透平效率也有了提高。在高溫材料方面，出現了能承受600℃以上高溫的鉻鎳合金鋼等耐熱鋼，因而能採用較高的燃氣初溫，於是等壓加熱循環的燃氣輪機終於得到成功的應用。

1939年

在瑞士製成了四兆瓦發電用燃氣輪機，效率達18%。同年，在德國製造的噴氣式飛機試飛成功，從此燃氣輪機進入了實用階段，並開始迅速發展。

燃氣輪機的工作過程是最簡單的，稱為簡單循環；此外，還有回熱循環和複雜循環。燃氣輪機的工質來自大氣，最後又排至大氣，是開式循環；此外，還有工質被封閉循環使用的閉式循環。燃氣輪機與其他熱機相結合的稱為複合循環裝置。

燃氣初溫和壓氣機的壓縮比，是影響燃氣輪機效率的兩個主要因素。提高燃氣初溫，並相應提高壓縮比，可使燃氣輪機效率顯著提高。70年代末，壓縮比最高達到31；工業和船用燃氣輪機的燃氣初溫最高達1200℃左右，航空燃氣輪機的超過1350℃。

燃氣輪機由壓氣機、燃燒室和燃氣透平等組成。壓氣機有軸流式和離心式兩種，軸流式壓氣機效率較高，適用於大流量的場合。在小流量時，軸流式壓氣機因後面幾級葉片很短，效率低於離心式。功率為數兆瓦的燃氣輪機中，有些壓氣機採用軸流式加一個離心式作末級，因而在達到較高效率的同時又縮短了軸向長度。

燃燒室和透平不僅工作溫度高，而且還承受燃氣輪機在起動和停機時，因溫度劇烈變化引起的熱衝擊，工作條件惡劣，故它們是決定燃氣輪機壽命的關鍵部件。為確保有足夠的壽命，這兩大部件中工作條件最差的零件如火焰筒和葉片等，須用鎳基和鈷基合金等高溫材料製造，同時還須用空氣冷卻來降低工作溫度。

對於一台燃氣輪機來說，除了主要部件外還必須有完善的調節保安系統，此外還需要配備良好的附屬系統和設備，包括：起動裝置、燃料系統、潤滑系統、空氣濾清器、進氣和排氣消聲器等。

與活塞式內燃機和蒸汽動力裝置相比較，燃氣輪機的主要優點是小而輕。單位功率的質量，重型燃氣輪機一般為2～5千克/千瓦，而航機一般低於0.2千克/千瓦。燃氣輪機佔地面積小，當用於車、船等運輸機械時，既可節省空間，也可裝備功率更大的燃氣輪機以提高車、船速度。燃氣輪機的主要缺點是效率不夠高，在部分負荷下效率下降快，空載時的燃料消耗量高。

不同的應用部門，對燃氣輪機的要求和使用狀況也不相同。功率在10兆瓦以上的燃氣輪機多數用於發電，而30～40兆瓦以上的幾乎全部用於發電。

燃氣輪機發電機組能在無外界電源的情況下迅速起動，機動性好，在電網中用它帶動尖峰負荷和作為緊急備用，能較好地保障電網的安全運行，所以應用廣泛。在汽車（或拖車）電站和列車電站等移動電站中，燃氣輪機因其輕小，應用也很廣泛。此外，還有不少利用燃氣輪機的便攜電源，功率最小的在10千瓦以下。

高溫陶瓷材料能在1360℃以上的高溫下工作，用它來做透平葉片和燃燒室的火焰筒等高溫零件時，就能在不用空氣冷卻的情況下大大提高燃氣初溫，從而較大地提高燃氣輪機效率。適於燃氣輪機的高溫陶瓷材料有氮化硅和碳化硅等。

按閉式循環工作的裝置能利用核能，它用高溫氣冷反應堆作為加熱器，反應堆的冷卻劑（氦或氮等）同時作為壓氣機和透平的工質。

隨著高溫材料的不斷進展，以及透平採用冷卻葉片並不斷提高冷卻效果，燃氣初溫逐步提高，使燃氣輪機效率不斷提高。單機功率也不斷增大，在70年代中期出現了數種100兆瓦級的燃氣輪機，最高能達到130兆瓦。

與此同時，燃氣輪機的應用領域不斷擴大。1941年瑞士製造的第一輛燃氣輪機機車通過了試驗；1947年，英國製造的第一艘裝備燃氣輪機的艦艇下水，它以1.86兆瓦的燃氣輪機作加力動力；1950年，英國製成第一輛燃氣輪機汽車。此後，燃氣輪機在更多的部門中獲得應用。

在燃氣輪機獲得廣泛應用的同時，還出現了燃氣輪機與其他熱機相結合的複合裝置。最早出現的是與活塞式內燃機相結合的裝置；50～60年代，出現了以自由活塞發氣機與燃氣輪機組成的自由活塞燃氣輪機裝置，但由於笨重和系統較複雜，到70年代就停止了生產。此外，還發展了柴油機燃氣輪機複合裝置；另有一類利用燃氣輪機排氣熱量供熱（或蒸汽）的全能量系統，可有效地節約能源，已用於多種工業生產中。

燃氣輪機的工作過程是，壓氣機（即壓縮機）連續地從大氣中吸入空氣並將其壓縮；壓縮后的空氣進入燃燒室，與噴入的燃料混合后燃燒，成為高溫燃氣，隨即流入燃氣透平中膨脹作功，推動透平葉輪帶著壓氣機葉輪一起旋轉；加熱后的高溫燃氣的作功能力顯著提高，因而燃氣透平在帶動壓氣機的同時，尚有餘功作為燃氣輪機的輸出機械功。燃氣輪機由靜止起動時，需用起動機帶著旋轉，待加速到能獨立運行后，起動機才脫開。

在船舶中，輪機是動力設備和主要的功能設備，對於船舶的運行具有重要的作用，只有保證輪機的性能和功能正常，才能保證船舶能夠正常運行，從而提升我國的水運事業發展。但是從目前的情況來看，船舶輪機在運行過程中容易發生各種故障，導致船舶不能正常運行。因此，工作人員應該加強對船舶輪機故障的分析，掌握輪機故障的排查方法和處理方式，快速判斷故障並及時修復。

1、船舶輪機拉缸

船舶輪機拉缸是船舶輪機的一種常見故障，主要表現在輪機運行過程中溫度升高，輪機的轉速失控，發出摩擦的聲音，在摩擦的過程中，曲軸箱會產生大量的白煙，此時，潤滑油的溫度也會因此升高，連帶著輪機的排氣溫度也升高，導致整個輪機排出的氣體具有刺激性氣味，此時還伴隨著一定的濃煙噴出。

導致輪機發生拉缸的原因有很多，主要是由於輪機的摩擦表面的潤滑油的膜被損壞，此時金屬是直接接觸在輪機上，因此會產生摩擦的聲音，而在高溫的作用下，金屬會發生熔融。導致輪機發生拉缸主要是由於輪機運行中使用的潤滑油的品質不好導致的，如果潤滑油的品質不好或者缺乏對其有效地管理，潤滑油就不能發揮其本身的作用，因此，就會產生斷油或者油壓不足的情況，如果使用的潤滑油長期不化驗，不能及時了解其品質，導致潤滑油變質並繼續投入使用，也會導致輪機發生異常磨損，最終出現輪機拉缸的現象。

2、船舶輪機主機有較大噪音

船舶輪機在使用過程中，還會發出噪音，一般發生在輪機進入到穩定期的運行之後，此時輪機會發出一定的雜訊，同時伴隨著一定的震顫情況發生，發出的雜訊沒有規律，有時還會伴隨著爆燃聲音和敲擊聲音的出現。

船舶輪機產生雜訊的部位有很多，主要包括氣門系統、傳動系統等。因此，對於此次雜訊，優先對氣門系統和傳動系統進行檢查，結合人工檢查和儀器檢查，從而對雜訊的產生部位以及產生原因進行準確判斷。一般而言，造成船舶輪機雜訊的原因由輪機的主體中心設置不平，因此輪機的主機在運行過程中，會出現重心不穩的情況，從而引發雜訊。另外，輪機的主機主要包括活塞、缸體、傳動軸以及齒輪等，當這些部位存在著雜物或者油污時，也會導致雜訊的發生，如果不同部位以及部件之間的咬合面或者結合面缺乏潤滑，會增加兩個部位之間的摩擦係數，此時會產生較大的摩擦，也會形成震顫和雜訊。最後，當船舶的輪機主機以及附屬的設備發生零件的脫離或者零件的缺損，也會導致輪機的主機不穩，最終引發部件振動而發生雜訊。

3、船舶輪機抱缸

某輪機的主機在試車檢查時，船舶輪機抱缸是指船舶在正常航行或者試運行的過程中，輪機僅僅運行了十幾分鐘就停船的現象，當船舶停止運行之後，溫度會升高，水溫也會持續升高，對輪機造成損傷。對這次船舶輪機抱缸的原因進行檢查，發現是由於輪機的進氣管不通暢或者油路發生堵塞等造成的。此外，整個系統的傳動系統摩擦係數很大，也會導致船舶輪機抱缸的情況發生。船舶在正常運行過程中，如果船舶的螺旋碰撞到了水生植物、漁網和枯死的樹枝等，也會導致船舶輪機抱缸發生，使其超負荷運行。

1、船舶輪機拉缸的處理

對於船舶輪機拉缸的情況，由於其主要是由潤滑油的品質以及其使用不當造成的，因此當發生輪機拉缸時，首先應該對輪機使用的潤滑油進行檢查，及時更滑合格的潤滑油，將故障及時處理。在日常的維護過程中，應該加強對輪機使用的潤滑油的管理，選擇正確的潤滑油黏度牌號，結合輪機的工作環境以及技術要求科學選擇。

2、船舶輪機主機噪音過大的處理

對於船舶輪機主機噪音過大的問題，一旦發生故障之後，應該及時對雜訊的產生部位和產生原因進行分析，根據現場的技術條件對故障進行處理。首先應該配平輪機的主機，糾正輪機主機的重心不穩的情況，然後對船舶輪機主機的各個咬合部位以及齒輪的結合面等進行檢查，進行潤滑處理，同時對其清潔，避免其受到雜物等的影響，加強對摩擦的控制，避免產生干摩擦。另外，有一部分的雜訊是由於零件等脫離產生的震顫或者雜訊引起的，因此在發生雜訊時，還應該對零件部件進行檢查，確保其沒有脫離主體。

3、船舶輪機抱缸的處理

對於船舶輪機的抱缸問題，應該對磨損的部位以及有一定損耗的零部件進行維修，對於損壞嚴重的，應該及時更換。此外，還應該對船舶輪機的水口進行清潔，保持船舶輪機水循環系統的清潔，避免雜物對水循環系統造成損傷而引發故障，如果水循環中含有大量的泥沙或者其他的污染物質，將會造成堵塞和污染，影響輪機的正常工作。

燃氣－蒸汽輪機聯合循環，是把燃氣輪機和蒸氣輪機這兩種按不同熱力循環工作的熱機聯合在一起的裝置，有時也簡稱為聯合循環。為了提高熱機的效率，應該儘可能地提高熱機中的加熱溫度和降低排熱溫度。但蒸汽輪機和燃氣輪機的熱力循環都不能很好滿足上述要求。如把它們結合起來，以燃氣輪機的排熱來加熱蒸汽，就可以同時取得燃氣輪機加熱溫度較高和蒸汽輪機排熱溫度較低的雙重優點。

聯合循環的理論基礎早已建立。熱力學奠基人之一卡諾就提出過聯合循環的概念。但是直到20世紀中葉，才開始有實用的聯合循環動力裝置。發展聯合循環的關鍵是要研製出高溫、高性能、大功率的燃氣輪機。為了適應石油短缺的形勢，在燃氣輪機中有效燒煤也是一項關鍵技術。目前，世界各先進工業國家均已有定型聯合循環機組產品。其中功率最大的已超過60萬千瓦，最高熱效率已高達47%以上。它作為熱電並供機組使用，燃料利用率可高達80%左右，單機組最長運行時間已超過10萬小時。熱機的熱效率要提高1%都是非常困難的，而聯合循環卻只要把燃氣輪機和蒸汽輪機結合起來就可以大幅度節約能源。