飞机发动机为什么轮船、发电厂和坦克都能用

为什么飞机的航空发动机，轮船可以用；发电机也能用；直升机能用；甚至坦克也能用？一款发动机为何有这么多功能，这款发动机究竟有什么特殊？

一款名为燃气轮机的发动机。

从发动机出现以后，人类就不再单纯地依赖太阳能了。因为太阳能效率太低。在前现代社会，一个国家经济如何就是看对太阳能的利用率有多高，因为种粮还是畜牧都利用的植物的光合作用。

而我之前做中国人工合成淀粉那期，专门提过植物利用太阳能的转化效率最高只有2%。所以你会发现当人类开始用人力制造机械发动机，推动工业化以后，人口出现了大幅增长。就是因为人造发动机的能量转换率高了一个量级。

虽然以前人类也用水力和风能作为动力但是效率一直不算高，但是瓦特的蒸汽机出现效率已经到了3%，经过数十年的发展，到了1840年蒸汽机的效率已经可以达到8%了，超过植物转化太阳能的4倍。

但是科技发展，发动机的效率必然越来越高，但是蒸汽机需要烧水，所以按照热力学的定律，就会有一个能量损失的过程。而这个时候就出现了可以直接利用燃料的内燃机，包括柴油机、汽油机、煤油机等，目前效率最高的内燃机是柴油机，而商用柴油机效率最高的是潍柴50%热效率的柴油机。

不管柴油机效率有多高，但是一个常识我们都知道，面粉的燃电在400度，所以很难点燃，但是面粉粉尘达到一定密度，遇到静电效应就会爆炸。这意味着什么？燃料和空气接触得越多，点燃时释放的热量越高。所以使用气体燃料的发动机效率天然会比液体燃料的发动机效率要高。

这个时候就诞生了一款使用可燃气体的发动机，也叫燃气轮机。

为什么燃气轮机功能如此多元？

为什么飞机、直升机还有船舶、坦克以及一些发电厂的动力都是燃气轮机？

燃气轮机的普及落后柴油机大约40年左右，但燃气轮机的效率目前能达到50%以上，所以燃气轮机很快就成了工业发展的新宠儿。燃气轮机的原理可以简单理解为火箭+风车的组合。

因为一般的化学火箭利用的是燃料和氧气燃烧后产生的膨胀气体做工产生推力，如果用火箭产生的推力吹风车，就可以把燃料产生的热能转换为机械能，这就是燃气轮机的基本原理。燃气轮机主要由压气机、燃烧室及涡轮等几部分构成。

原理是压气机吸入空气并压缩成高压气体，但是从视频也能看得出来，燃气轮机的叶片数量很多，尤其是压气机的叶片特别多，所以将其分为“动叶”和“静叶”。动叶的功能就是通过旋转给气体加压，而静叶的功能是调控压缩气体的方向，有点像定向风扇。

随后高压气体会与喷油嘴喷出的燃料进行混合后在燃烧室燃烧成为高温高压气体，像不像火箭？随后高温高压的气体会吹动燃气轮机的叶轮旋转，随后叶轮会带动涡轮旋转产生机械能，是不是类似风车？。

这个时候产生的机械能可以用来发电，也可以用来传动。按燃气轮机的用途，我们将其分为航空燃气轮机、电力燃气轮机、机械驱动燃气轮机。

这几种燃气轮机除了工作原理相同，其核心技术也差不多。就拿航空发动机举例，航发一般包括涡轮风扇发动机、涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机。前两种主要应用于固定翼飞机，包括战斗机、重型运输机以及一些无人机。后两者可用于固定翼飞机，也可以用于直升机，关于航发的燃气轮机我会专门做一期节目。

因为航空发动机比较注重热效比，所以航发加自由涡轮，就能让其成为舰船驱动设施和发电厂的发电设施，甚至可以为长距离的油汽管道和水路进行增压。今年冬天大雪封路之时，甚至咱们的工程专家，甚至把航发装在了坦克地盘上，专门拿去化雪。

可见航发的应用层面极为广阔，所以中科院热物理研究的专家把燃气轮机与航空发动机比喻为“血浓于水的亲兄弟”。而中国航发集团成立以后，其研究任务不局限于飞机发动机的研发，还包括燃气轮机的研发。

在2019年，中国完全自主产权中心燃气轮机R0110就是由中国航发集团设计生产。随后在2020年年底建成总装生产线，并改名为AGT-110重型燃气轮机，主要用于发电，其发电功率达到110MW，是我国燃气轮机的又一突破。

不过对于燃气轮机的研究我们确实和先进水平有着较大差距。主要原因是燃气轮机被誉为现代工业“皇冠上的明珠”。虽然燃气轮机的原理不复杂，但是技术壁垒却不低。其原因是燃气轮机，需要在高温、高压、高转速和高负载的环境中稳定持久工作。

这就导致燃气轮机对设计、材料、加工都有着苛刻的要求，非常吃技术。所以燃气轮机的研制周期长，而且技术升级难度大。并且对一个国家的冶金产业、精密加工业、材料研发都提出了非常高的要求。

就拿航空发动机来说，设计和制造难度最大的就是涡轮叶片。一般情况下，涡轮的工作叶片要承受工1100度的高温的同时，整个叶片还要承受不同的压力和温差，加上叶片高速旋转，叶片还要受到离心应力，震动应力以及热应力的影响。

所以叶片的叶身部分受到的应力高达140MPa,而叶根部分承受的应力可能高达280MPa-560MPa。这也导致发动机对于叶片的材料要求和叶片的流体设计极为苛刻，光一个叶片的制造工艺就是世界绝大多数国家无法完成的项目。

而叶片的制造成本也极为高昂，占到了整个发动机成本的 30%以上，但是没有国家放弃对叶片材料的升级。因为发动机叶片承受的问题提高100度，发动机的推重比就能提高10%，这意味着战斗机可以安装更多的燃油和战斗部，以及使用频率更高更先进的雷达，大幅提高战斗机的作战能力。

而航发80%的零部件可以和燃气轮机通用，所以当初为什么我们采购乌克兰燃气轮机和航发的技术时，美国气得跳脚，甚至不惜恐吓乌克兰停止交易。目的就是为了阻止中国获得燃气轮机的相关技术，因为我们吸收相关技术以后，可能会造出*用军**发动机，也能造出更有性价比的民航发动机和军舰发动机。漂亮国会允许这样的事儿发生？

燃气轮机未来会如何改变人类历史？

航空发动机80%的零部件可以和燃气轮机通用，意味着燃气轮机技术的优劣，关系到一个国家的工业、能源、国防等多个方面的发展。

但是考虑到我国工业化的时间远远落后欧美，所以我们原材料的研究、高精密加工机床，以及工业软件的开发和自动化领域的研究，和欧美国家还是有较大差距。尤其是美国通用燃气轮机的技术极为出彩，甚至可以生产H级的燃气轮机。

燃气轮机的工作划分为100度为一级，工作温度在1100度为E级、1200度为F级，1400度为H级，工作温度越高意味着燃气轮机的效率越高。而“H”级燃气轮机意味着它是世界上功率最高以及效率最高的燃气轮机。

而通用的H级燃气轮机，在2016年就已经创造了联合循环发电净效率高达62.22%的世界记录。相较之下我国的AGT-110燃气轮机只是个F级的燃气轮机，和通用的技术差着一代。而燃气轮机的研究周期至少也是十年以上。

所以H级的燃气轮机，我们只能采购外国产品，但是外国供应商的燃气轮机的价格极为昂贵，尤其是涡轮叶片的价格更是不菲，H级的燃气轮机使用的I级叶片造价40万，但售价高达100万元。不考虑压气机的叶片，只考虑涡轮的工作叶片就能分为 3 级，每级涡轮工作叶片可达92 片，合计 276 片。除此之外还有 3 级的导向涡轮叶片，叶片合计也达到 108 片。

而叶片的使用寿命在1.5 万h~2.4 万h之间，假设燃气轮机24小时不间断发电，使用寿命大约在2年左右就需要更换，假设日常维护保养。燃气轮机说是一个“吞金巨兽”不为过，但是我们为何还要大力建设燃气轮机。

第一个原因是我国可燃冰开采技术大幅领先，而且我国光南海可燃冰的储量相当于700亿吨油，而且可燃冰的甲烷含量在80%-99.9%之间，燃烧后基本只产生二氧化碳和水。以后我们可以大面积开采可燃冰以后，可以用燃气轮机发电代替现在的煤电，降低氮化物、硫化物等有害物的排放。

第二个原因是通用正在改造一家位于美国俄亥俄州的汉尼拔小镇的天然气发电厂，该电厂采用通用的H级燃气轮机并和一台水平气流热回收蒸汽发生器以及一台通用电气蒸汽轮机相连。

该电厂预计在今年11月通入商业运营，初期采用80%的天然气和20%的氢气混合气体作为燃料，并逐步改善燃料，并计划在未来实现 100%烧氢气。

所以通用也在测试氢能发电的可能，并且西门子也在开发氢能的燃气轮机，这意味着氢能也确实在未来有望成为人类能源的一种可能。所以是鄙人人比较看好氢能，但是我也在上期谈到了氢能的一些弊端有待解决，所以欢迎在评论区探讨氢能真的有开发价值吗？