燃气轮机（以下简称燃机）产业是国家战略性高技术产业，发展燃机产业，对于推动国家产业结构调整与转型升级，提升经济发展质量和效益具有重大战略意义。在介绍燃气轮机工作原理和特点的基础上，论述了燃气轮机主要关键技术。通过综述国内外燃气轮机产业的发展现状，总结了我国燃气轮机产业的主要差距，论述燃气轮机技术发展趋势，提出了我省燃气轮机产业发展的措施建议。
燃气轮机广泛应用于发电、船舰和机车动力、管道增压等能源、国防、交通领域，是关系国家安全和国民经济发展的高技术核心装备，属于市场前景巨大的高技术产业。燃气轮机技术水平是代表一个国家科技和工业整体实力的重要标志之一，被誉为动力机械装备领域“皇冠上的明珠”。正是基于燃气轮机在国防安全、能源安全和保持工业竞争能力领域的重大地位，发达国家高度重视燃气轮机的发展，世界燃气轮机技术及其产业发展迅速，目前重型燃气轮机已基本形成以GE、西门子、三菱、阿尔斯通等公司为主导，航空燃气轮机（包括工业轻型燃气轮机）以GE、P&W、R&R等航空公司为主导的格局。
我国发展燃气轮机发展虽然已经有50年的历史，但30年的发展断层让我国燃气轮机技术错过了国外高速发展的时期，迅速与国际水平拉大了差距。随着我国天然气资源大规模开发利用，西气东输、近海天然气开发、液化天然气（LNG）引进、可燃冰开发、煤层气的综合利用、分布式电源建设等工程进展，国家能源结构调整已进入实施阶段，燃气轮机在我国迎来了前所未有的发展机遇。
1燃气轮机工作原理与特点
1.1 燃气轮机定义
燃气轮机是一种以连续流动的气体作为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机，其典型结构如图1。
图1 燃气轮机典型结构
1.2 燃气轮机的工作原理
压气机从外部吸收空气，空气从燃气轮机进气口进入，通过压气机叶片将其压力升高，压缩后送入燃烧室，同时燃料（气体或液体燃料）也喷入燃烧室与高温压缩空气混合，在定压下进行燃烧。生成的高温高压烟气燃烧受热后膨胀，进入透平区经过一级一级的叶片，推动动力叶片高速旋转，直至从出气口排出，成为废气，废气排入大气中或再加利用（如利用余热锅炉进行联合循环）。
叶片转动后带动轴也转动，轴带动负荷的机械转动，实现热能和机械能的转换。通常，将压气机、燃烧室、透平称为燃气轮机的三大核心部件。
1.3 燃气轮机特点
燃气轮机产品本身具有以下特点：
最大效率，最优效益。随着高温材料的不断进展，以及涡轮采用冷却叶片并不断提高冷却效果，透平前燃气的初温逐步提高，加之研制级数不断减少压缩比越来越高的压气机和各个部件效率的提高，使燃气轮机效率不断提高。
体积较小，使用便捷。燃气轮机动力部件设计构造衍生于涡轮增压器和辅助动力装置，结构简单、紧凑。与传统设备相比，燃气轮机设备规模、体积比传统的锅炉、蒸汽轮机小，占地面积小，便于移动。
减少燃煤，清洁环保。燃气轮机可以采用天然气、丙烷、油井气、煤层气、沼气、汽油、柴油、煤油、酒精等煤炭以外的燃料。而且燃气轮机通过在燃烧过程中控制NOx的生产，或在NOx 生成后排入余热锅炉时进行尾部烟气脱硝，达到超低的NOx排放效果，而且能够实现资源充分循环利用，真正达到零排放。
噪声最小，安全可靠。燃气轮机运行时产生的低频份量很低。而且可以通过采用数字式遥控的联网离网变换装置，弥补其它设备在安全稳定性方面的不足。
2燃气轮机关键技术
从燃气轮机研发的角度来分析，当代燃气轮机主要关键技术难点如下：
2.1 燃气轮机基础技术方面：
燃气轮机总体技术，高效高负荷压气机设计应用技术，高效稳定低污染燃烧室设计技术、高效流动、高效换热、高寿命透平设计技术，燃气轮机设计软件技术，燃气轮机现代控制理论与技术，燃气轮机振动、寿命与可靠性关键技术。
2.2 燃气轮机设计体系的规范、软件和数据库方面：
燃气轮机总体、燃气轮机压气机、燃气轮机燃烧室、燃气轮机涡轮、燃气轮机换热器、燃气轮机控制系统、燃气轮机附属系统、燃气轮机装置、燃气轮机可靠性、燃气轮机仿真、燃气轮机试验等的规范、软件和数据库。
2.3 燃气轮机共性关键技术
1） 压气机关键技术
气动高负荷高效率设计技术；气动性能高稳定性设计技术；气动多级匹配设计技术；整机多级气动性能数值模拟与验证技术；转子结构与强度设计技术。
2） 燃烧室关键技术
燃烧场组织设计与测试技术；火焰筒壁结构设计技术；喷嘴设计与测试技术；高温零部件冷却、防护、强度设计技术；低排放燃烧设计与试验技术；宽范围稳定燃烧设计与试验技术；燃烧场数值模拟与验证技术。
3）透平关键技术
动叶、导叶、轮盘空气冷却设计与试验技术；叶片蒸汽冷却设计与试验技术；叶片和轮盘的温度场、应力场与强度寿命分析和试验技术；掺混冷却气流的涡轮级性能分析设计技术；冷却叶片多物理场数值模拟与验证技术；转子结构与强度设计技术。
4）燃气轮机重要系统关键技术
冷却空气系统设计、性能分析和调试技术；控制系统先进调节部件、控制器和控制规律；起动系统技术；轴承和滑油系统技术。
5）燃气轮机材料技术方面：
主要包括：强抗热腐蚀定向和单晶高温合金的研制;高温合金材料体系的完善；高温材料5000～10000小时近使役条件下性能测试；大尺寸铸件近使役条件下力学性能研究；大尺寸铸件抗氧化、抗热腐蚀性能研究；拉杆用CrMoV 高强钢；
6）燃气轮机工艺技术
主要包括：复杂结构陶瓷型芯制造技术；高强抗热冲击陶瓷模壳制造技术；大尺寸定向结晶、单晶叶片定向凝固技术；高温透平叶片加工、焊接、热处理、检测等工艺；叶片涂层技术；燃气轮机叶片的工程化研究；燃气轮机叶片制造规范和验收标准；大型涡轮盘的制造技术；高强钢拉杆制造工艺；燃烧器制造技术。
3国内外际燃气轮机技术发展现状
3.1 国际燃气轮机技术发展状况
当今世界70 年来重型燃气轮机燃气温度由早期的550℃提高到1600℃，单循环效率由17%提高到40%，单机功率由1.5MW到460MW，实现了巨大的技术跨越。世界重型燃气轮机制造业目前已形成了高度垄断的局面，基本形成了以GE、西门子、三菱、ALSTOM公司为主的重型燃气轮机产品体系，基本代表了当今世界燃气轮机制造业的最高水平。
3.2 国内燃气轮机产业技术发展现状
总体来说，60年来我国重燃气轮机行业呈“马鞍型”发展。中国燃气轮机的发展现状是：起步不晚，进展不快；性能不高，拐棍难扔；投入不大，摇摆不定；机型不少，所占市场份额不大。
我国重型燃气轮机产业技术发展现状
国内重型燃气轮机产业制造方面，分别以哈电集团、上电集团、东方电气集团、南京汽轮电机（集团）有限公司为核心，形成了相应的燃气轮机制造产业群，目前全行业具备了年产四十套左右燃用天然气的F和E级重型燃气轮机以及与之配套的燃气～蒸汽联合循环全套发电设备的能力，可以基本满足我国电力工业的市场需求。
我国轻型燃气轮机产业技术发展现状
我国轻型燃气轮机在研制开发能力方面，具备初步配套的部件性能、强度和各系统、整机试验设施以及相应的测试手段，基本可满足轻型燃气轮机试验的需要。在制造方面，基本具备了研制生产航改机和轻型燃气轮机的能力，但同类机型在主要性能指标上与国外仍存在较大差距。我国燃气轮机工业的轻型燃气轮机集中在航空系统，发展了5大类自主燃气轮机：
1）航机改工业燃气轮机，有WP6G、WJ5G、WJ6G、WZ6G 等。60 年代技术水平，已经生产上百台。
2）专利生产航机改工业燃气轮机，有斯贝和WZ8，其中斯贝两种改型燃气轮机没有完成研制。另有引进生产许可证的GT25000舰用燃气轮机。
3）合作生产燃气轮机，有FT8、QD10B、QY40等。
4）正在改进中的航机改燃气轮机，有QD128、QD70、QD185等。
5）863燃气轮机专项，R0110重型燃气轮机和微型燃气轮机。
3.3 国内燃气轮机产业与国外燃气轮机产业的技术差距
我国燃气轮机产业发展走的是一条分散、重复、曲折而艰难的道路，缺乏产业发展基础，尚未形成科学的产业体系。其差距主要表现在以下方面：
（1）燃气轮机产业研发技术较弱由于历史原因，我国至今没有掌握具有自主知识产权的燃气轮机的设计与制造技术。虽然我国发电设备制造业通过打捆招标与合资引进天然气重型燃气轮机发电机组制造技术，但外方坚持不转让燃气轮机设计技术和高温部件制造等技术，燃气轮机的核心关键技术目前还受制于人。
重型燃气轮机研发和技术：目前我国重型燃气轮机总体水平与国外相比差距依然较大，具体表现在：一是未掌握F级/E级燃气轮机热端部件制造与维修技术以及控制技术，热端部件依赖进口；二是未形成完善的研发体系，更不具备G级/H级燃气轮机以及未来级燃气轮机产品研发能力和技术。
轻型燃气轮机（包含微型燃气轮机和中小型燃气轮机）研发和技术与国外相比，中小型工业燃气轮机行业存在较大差距，具体表现：一是中小型燃气轮机研制处于起步阶段，虽然研制了几型产品，市场尚未认可，国内市场被国外燃气轮机垄断；二是尚未完全掌握工业燃气轮机的关键技术，特别是低排放燃烧室、多种燃料燃烧室和高温涡轮冷却叶片等设计技术，未形成工业燃气轮机研发体系。微型燃气轮机还未完全建立设计、制造和运行的完整体系，微型燃气轮机部分关键技术尚未取得突破，产品尚未开始应用，高性能微型燃气轮机目前完全依赖进口。
（2）燃气轮机产业能力相对较弱
燃气轮机的开发需要具备一套完整的设计、制造和试验体系。燃气轮机轮机开发体系需要基础科学能力、制造工艺水平、材料研发能力以及试验技术的支撑。这些支撑，是燃气轮机研发所必须具备的条件能力。我国发展燃气轮机的产业基础力量相对薄弱，在设计能力、试验能力、加工能力和材料四大要素中，薄弱的环节是设计能力、试验验证能力、高温合金材料体系和能力，相对较好的是加工能力，但是也缺乏关键核心部件的加工能力。
（3）燃气轮机产业配套体系不全
为满足核心企业燃气轮机产品制造的需求，我国对燃气轮机产业部分配套能力进行了发展，主要集中于燃气轮机制造配套能力建设方面，以冷端部件制造需求和辅助系统需求方面为主。但是已形成的配套能力中，均不具备关键核心热部件原材料、锻件、加工制造配套能力，不具备完整的燃气轮机研发设计配套体系，不具备完整的燃气轮机材料配套体系。与发达国家相比，存在巨大的差距。
（4）燃气轮机技术发展趋势
世界重型燃气轮机技术发展遵循热效率提高的路线，正由当代级（E/F）向先进级（G/H）、未来级（J）发展，部分国外燃气轮机制造商的燃气轮机技术已达到H级水平，下一步技术发展趋势是：
4.1燃气轮机技术发展趋势
提高燃气轮机参数（燃气初温和压气机压缩比），提高燃气轮机的效率，燃气初温的下一个目标是1700℃。拓宽燃料适应范围，进一步降低NOx等污染物排放。燃气透平要求进汽温度更高、透平气动效率更高、功率更大、材料高温性能优越，采用更先进、更复杂的冷却技术。压气机朝着级数少、压比高、效率高、运行稳定性高、喘振裕度大、及流量大的方向发展。燃烧室要耐更高温度的燃烧反应，提高燃烧效率，减少污染排放，减小尺寸。当今世界重型燃气轮机技术发展趋势如图2。
图2 重型燃气轮机技术发展趋势示意图
4.2燃气轮机功率发展趋势
无论是简单循环还是复杂循环，世界燃气轮机的功率与效率逐步提高，耗油率不断降低。简单循环燃气轮机主要通过提高压比、提高涡轮进口温度、提高部件效率等措施提高功率与热效率并降低耗油率。
4.3燃气轮机沿着适应环保要求的趋势发展
目前,燃气轮机主要通过采用低污染物排放燃烧技术，新型低排放燃烧室的采用，将会大大降低NOx、CO、UHC和颗粒状物等的排放量，随着节能减排要求的提出也将会逐步应用于舰船燃气轮机上。
4.4燃气轮机产品向系列化、谱系化发展
以基准航空发动机为基础，燃气轮机设计与制造商改型研制不同类型和不同功率的燃气轮机，充分体现了“一机为本、衍生多型、满足多用、形成谱系”的特点，不仅赋予航空发动机顽强的生命力，达成更新换代的良性发展态势，也保证了燃气轮机的可靠性、先进性、周期短、风险低和成本低。
5.0发展我省燃气轮机产业的建议
四川省燃气轮机产业技术发展需要在政府的引导和扶持下，搭建协同创新平台，构建创新研发机制，以核心企业为中心，动员、整合各方面的力量，突破关键共性技术和工艺技术，按步骤推进四川省燃气轮机技术和产业的发展，是一个长期的过程，需要在各方面予以保障。
5.1创新驱动燃气轮机产业的发展
搭建四川省燃气轮机产业技术发展协同创新平台，整合产业发展科研和制造资源。大力推动燃气轮机主机企业从引进消化吸收再创新向自主创新、集成创新转型升级，支持配套企业紧密参与重点主机产品创新及产业化过程。着力构建以企业为主体、市场为导向、产学研用投相结合的技术创新体系，鼓励企业、高校联合组建科研平台，促进高校、科研院所科技成果转化和产业化。
支持企业、高校、科研院所向社会开放资源，将一批内部平台转型为行业共性技术研发平台、行业检测试验验证平台。积极推动各类技术创新主体攻克一批重点领域关键共性技术，形成一批自主知识产权，为产业后续发展提供动力。
5.2建立燃气轮机领域的产学研协同技术发展模式
推动燃气轮机研制企业、科研院所和高校建立更加紧密的产学研协同攻关体系，积极鼓励和大力支持省内研发力量的强强联合，积极引入国际国内研发优势力量，支持省内、跨省、跨区域的产学研协同攻关，提高四川省燃气轮机产业技术创新能力。
5.3建立省级科技专项，加强财税政策支持
建立省级科技专项资金，加大燃气轮机研发资金投入。落实好高新技术企业税收减免、研发费用税前加计扣除、重大技术装备关键零部件及原材料进口免税等优惠政策。
省级创新驱动、技术改造、科技成果转化、节能环保等专项资金，要向燃气轮机产业转型升级项目倾斜。采取研制费用和保费补贴等方式，鼓励装备制造企业联合高校、科研院所开发国民经济和国防建设急需的成台、成套首创产品，大力培育和发展四川省天然气和燃气轮机市场，鼓励省内业主单位使用“四川造”燃气轮机首台（套）产品。
5.4抓好燃气轮机创新要素保障协调工作
切实促进燃气轮机研制重点骨干单位的各类创新要素的集聚和保障，在研发投入、科研设施和研发平台建设、高层次研发人员和团队等方面做好协调和政策支撑。对重大科研项目实行绿色通道制度，对燃气轮机研制的重点企业、科研院所等单位的重大燃机研发和示范项目建设用地，加大协调支持力度，优先落实。
5.5加强燃气轮机产业人才培养与管理机制
建立燃气轮机行业人才培养机制，优化高校装备制造学科和专业，健全职业培训与继续教育制度，完善在校生培养与装备制造业人才需求相适应的有效机制。加强企业间人才协作，畅通渠道，实现人才共享。完善与市场经济相接轨的人力资源管理机制和政策，满足燃机研发对研发人员多样性需求，为创新驱动发展战略的实施提供智力支撑。
5.6结论
鉴于我国燃气轮机产业与国外燃气轮机产业的巨大差距，以研制具有自主知识产权的燃气轮机研制为依托，推动燃气轮机技术研究发展，从而，提高重大装备制造产业的国际竞争力，满足我国能源战略需求和国计民生对重大装备需求，已经成为我国燃气轮机领域十分紧迫的重大课题。
