以連續流動的氣體為工質帶動葉輪高速旋轉，將燃料的能量轉變為有用功的內燃式動力機械，是一種旋轉葉輪式熱力發動機。
簡史 中國在南宋高宗年間(1131～1162)已有走馬燈的記載，它是渦輪機（透平）的雛形。15世紀末，義大利人列奧納多·達芬奇設計出煙氣轉動裝置，其原理與走馬燈相同。至17世紀中葉，透平原理在歐洲得到瞭較多應用。
1791年，英國人JJ.巴伯首次描述瞭燃氣輪機的工作過程。1872年，德國人F.施托爾策設計瞭一臺燃氣輪機，並於1900～1904年進行瞭試驗，但因始終未能脫開起動機獨立運行而失敗。1905年，法國人C.勒梅爾和R.阿芒戈制成第一臺能輸出功的燃氣輪機，但效率太低，僅3～4％，因而未獲得實用。
1920年，德國人H.霍爾茨瓦特制成第一臺實用的燃氣輪機，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，人們掌握瞭壓氣機葉片中氣體擴壓流動的特點，解決瞭設計高效率軸流式壓氣機的問題，因而在30年代中期出現瞭效率達85％的軸流式壓氣機。與此同時，透平效率也有瞭提高。在高溫材料方面，出現瞭能承受600℃以上高溫的鉻鎳合金鋼等耐熱鋼，因而能采用較高的燃氣初溫。等壓加熱循環的燃氣輪機終於得到成功的應用。
1939年，在瑞士制成瞭4兆瓦發電用燃氣輪機，效率達18％。同年，在德國制造的噴氣式飛機試飛成功，它是以推力為4900牛的He-S3B渦輪噴氣發動機（一種航空發動機）作動力的。從此，燃氣輪機進入瞭實用階段，並開始迅速發展。
隨著高溫材料的不斷進展，以及透平采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年代中期出現瞭數種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，瑞士制造的第一輛燃氣輪機機車（1.64兆瓦）通過瞭交貨試驗。1947年，英國制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，英國制成第一輛燃氣輪機汽車（75千瓦）。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，還出現瞭燃氣輪機與其他熱機相結合的復合裝置。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(見自由活塞式發動機)，但由於笨重和系統較復雜，到70年代就停止瞭生產。此外，還發展瞭柴油機-燃氣輪機復合裝置（見復合式發動機）。燃氣－蒸汽聯合循環裝置能有效地利用燃氣輪機高溫排氣的熱量，提高熱能的利用率，至70年代末，這類裝置的效率最高的已達46％。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。
利用工廠生產過程中排放的壓力氣體在透平中膨脹作功，以帶動生產過程所需的壓氣機供氣的裝置，稱為能量回收裝置，這種裝置與廢氣渦輪增壓器（見廢氣渦輪增壓）類似。1936年，瑞士制成第一臺能量回收裝置，用於催化裂化煉油廠中。
工作原理 圖1是燃氣輪機工作過程示意圖。壓氣機(即壓縮機)連續地從大氣中吸入空氣並將其壓縮。壓縮後的空氣進入燃燒室，與噴入的燃料混合後燃燒，成為高溫燃氣，隨即流入燃氣透平（以下簡稱透平）中膨脹作功，推動透平葉輪帶著壓氣機葉輪一起旋轉。加熱後的高溫燃氣的作功能力顯著提高，因而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。從燃燒室到透平進口的燃氣溫度稱為燃氣初溫。初溫越高透平出功越多，燃氣輪機的輸出功就越大。
燃氣輪機由靜止起動時，需用起動機(如電動機)帶著旋轉，待加速到能獨立運行後，起動機才脫開。
圖1中的燃氣輪機的工作過程是最簡單的，稱為簡單循環。此外，還有回熱循環和復雜循環。圖中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（見燃氣輪機循環）。燃氣輪機與其他熱機相結合的稱為復合循環裝置。
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（簡稱航機）的超過1350℃。按簡單開式循環工作的工業和船用燃氣輪機，在上述燃氣初溫和壓縮比下的效率達38％。
主要部件 燃氣輪機由壓氣機、燃燒室（見燃氣輪機燃燒室）和燃氣透平等組成。
壓氣機有軸流式和離心式兩種。軸流式是多級的，離心式是一級或兩級的，其工作原理和性能分別與通用的軸流壓縮機和離心壓縮機相同。軸流式壓氣機效率較高，適用於大流量的場合，在功率大於1兆瓦的大、中型燃氣輪機中普遍應用。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，因而在1兆瓦以下的小功率燃氣輪機中廣泛采用離心式壓氣機，由於級數少因而縮短瞭壓氣機的軸向長度。功率為數兆瓦的燃氣輪機中，有些壓氣機采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瞭軸向長度。
壓氣機的性能對燃氣輪機性能有很大的影響。壓氣機的喘振工況是氣流強烈脈動的工況。在這種工況下運行的燃氣輪機不僅振動大，而且可能發生葉片折斷的嚴重事故，因而不允許在這種工況下運行。通常，壓氣機在低轉速下運行（如起動工況）時會碰到喘振問題，為此需要采用防喘振裝置，即在壓氣機處加裝放氣閥和在進氣端采用可調靜葉。
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溫度劇烈變化引起的熱沖擊，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制造，同時還須用空氣冷卻來降低工作溫度。
對於一臺燃氣輪機來說，除瞭主要部件外還必須有完善的調節保安系統（見燃氣輪機控制系統），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。
結構型式 燃氣輪機有重型和輕型兩類。重型的零件較為厚重，大修周期長，壽命可達10萬小時以上。輕型的結構緊湊而輕，所用材料一般較好，其中以航機的結構為最緊湊、最輕，但壽命較短。
圖2為重型燃氣輪機的主體剖視圖。它是一臺由12級軸流式壓氣機、雙管回流式燃燒室和3級軸流式透平組成的燃氣輪機，在壓氣機進氣端通過聯軸器帶動負荷。壓氣機和透平的機匣(又稱氣缸)連接成一個整體（兩者以多個葉輪組成的轉子也連接成一體）。兩個燃燒室垂直立於頂部。機匣分為上下兩半，在水平中分法蘭處用螺栓連接成一體。在機匣的前後兩端各有1個軸承座，其中裝有軸承以支承轉子。前軸承座中裝有推力軸承，因而能承受轉子的軸向推力。整臺燃氣輪機以4個支座支承在底盤上。
移動式燃氣輪機電站
張樹濟 石朝龍繪
將航機加以改裝（可延長其壽命，改裝後能適應工業用或船用等的工作條件）可得到航機改裝的燃氣輪機，它是輕型結構。與新研制的燃氣輪機相比，它的改造周期短、投資少；與同功率的重型燃氣輪機相比，它的燃氣初溫和壓縮比一般較高，即效率較高。因此，自60年代以來，航機改裝的燃氣輪機發展很快，應用廣泛。
將整臺燃氣輪機（包括附屬系統等）在制造廠內裝配成數個組裝單元，成為快裝機組，可使在工地的安裝工作量大大減少，工期縮短，投資減少。不需一般廠房的戶外快裝機組（見彩圖），能更有效地縮短工期和減少投資，應用很廣泛。
特點 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（重）量：重型燃氣輪機一般為2～5千克／千瓦，個別的大於10千克／千瓦，而航機一般低於0.2千克／千瓦，燃氣輪機占地面積小，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。
相對於蒸汽動力裝置來說，燃氣輪機設備簡單，可不用或少用水，起動和加速所需的時間少，重型燃氣輪機一般為2～10分，輕型燃氣輪機一般為1分左右，甚至更短。但是燃氣輪機還不能燃用價廉且資源豐富的煤，已達到的最大單機功率（130兆瓦）僅為汽輪機的1/10。
相對於活塞式內燃機來說，燃氣輪機結構較簡單，運行平穩，潤滑油消耗少，排氣污染小（NOX等有害成分的含量低），在高原地區功率下降少，最大單機功率大。采用滾動軸承的輕型燃氣輪機，可在-30～-50℃的氣溫下順利起動。
應用 不同的應用部門，對燃氣輪機的要求和使用狀況也不相同。
發電用燃氣輪機 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。
工業用燃氣輪機 主要用在液體、氣體燃料豐富的石油工業部門，例如油、氣田、海洋平臺、油、氣輸送管道等。在這些場所，燃氣輪機主要用於帶動各種泵、壓縮機和發電機等。
石油化工廠的有些副產品可作為燃氣輪機的燃料，可用燃氣輪機和餘熱鍋爐組成全能量系統，為生產過程同時提供動力和蒸汽，還可將燃氣輪機作為能量回收裝置。
在帶動泵和壓縮機時，燃氣輪機一般為變轉速運行，這時需要用輸出轉速能在大范圍內變化的、以獨立動力透平帶動負荷的分軸或三軸燃氣輪機（見燃氣輪機變工況性能）。
船用燃氣輪機 60年代，燃氣輪機被確認為艦艇合適的推進動力而得到迅速推廣，到70年代已成為艦艇中的主要推進動力之一。對於商船，燃氣輪機因經濟性要求高，它的應用仍處於試驗階段。
在艦艇中，燃氣輪機常以組合機組的形式使用。如柴油機-燃氣輪機組合機組，以功率較小的柴油機作巡航動力，功率大的燃氣輪機作加力動力。前者經常運行，後者在作戰等特殊情況下需要全速航行時才投入運行。這種機組不僅較輕，且燃料消耗也較少。還有用兩臺燃氣輪機的全燃組合機組，其中一臺作巡航動力，另一臺作加力動力。與柴油機-燃氣輪機組合機組相比，全燃機組的燃料消耗雖多一些，但由於是同類機器的機組，管理使用較方便，且能更合理地利用空間。
艦艇的負荷規律要求推進動力的轉速在很寬的范圍內變化，因而與帶動泵等負荷時相似，船用燃氣輪機也應是分軸或三軸的。
車輛燃氣輪機 對車輛燃氣輪機的一個重要要求是高的效率（包括部分負荷時），即低的平均耗油率。因此，車輛用的燃氣輪機都是有高效率回熱器的燃氣輪機。在坦克和其他作戰車輛中，更著重於綜合性能的好壞。如以1.12兆瓦燃氣輪機為動力的美國M1坦克，其綜合性能優於以相同功率柴油機為動力的坦克。70年代後期已制成最低耗油率為238克／（千瓦·時）的大型貨運汽車用燃氣輪機。但總的來說，汽車燃氣輪機還處於試驗階段。
車輛燃氣輪機一般用分軸（個別為三軸）時扭矩性能好，能適應車輛負荷的要求。為瞭改善加速性能、降低部分負荷時的耗油率並獲得動力制動，燃氣輪機的動力透平采用可調靜葉。
機車燃氣輪機 燃氣輪機機車（載客列車用）較輕，車速高（可達300公裡／時以上），用來裝載旅客的空間相對較大，在一些國傢應用較多。一般機車的特點是空載運行時間很長，要求有低的空載燃料消耗量。與柴油機（見機車柴油機）機車相比，燃氣輪機機車的這一問題更為突出。高效率的機車燃氣輪機尚在繼續研制中。
航空燃氣輪機 航空燃氣輪機除本身輕小外，還有迎風面積小、效率高（空中氣溫低所致）、適宜於高速飛行等優點，因而在50年代末就基本上取代瞭活塞式航空發動機。航空燃氣輪機有多種類型。①渦輪噴氣發動機：不輸出軸功率，由壓氣機、燃燒室和透平組成燃氣發生器（圖3），從中流出的燃氣在尾噴管中膨脹加速，高速向後噴出，產生反作用力，推動飛機前進，即噴氣推進。②渦輪風扇發動機：也靠噴氣推進，但它在壓氣機進口處裝有長葉片的風扇（圖4）。風扇外圈的空氣通過外涵道直接向後噴出，與中間部分從尾噴管噴出的燃氣共同推動飛機前進。這種發動機推進效率較高，耗油率較低，因而應用廣泛。③渦輪軸發動機：與普通燃氣輪機一樣輸出軸功率，用於在直升飛機中帶動旋翼。④渦輪螺旋槳發動機：主要輸出軸功率以帶動螺旋槳。此外，排氣還有少量推力，推動飛機前進。
發展趨勢 燃氣輪機的主要發展趨勢是提高效率、采用高溫陶瓷材料、利用核能和發展燃煤技術。
① 提高效率：關鍵是提高燃氣初溫，即改進透平葉片的冷卻技術，研制能耐更高溫度的高溫材料。其次是提高壓縮比，研制級數更少而壓縮比更高的壓氣機。再次是提高各個部件的效率。
② 采用高溫陶瓷材料：這種材料能在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矽(Si3N4)和碳化矽(SiC)等。
③ 利用核能：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。
④ 發展燃煤技術：重點是研制燃煤的燃氣-蒸汽聯合循環裝置。它可用沸騰爐燃煤，也可將煤先氣化後再燃用。煤氣化的煤氣-蒸汽聯合循環裝置能達到更高的效率，頗引人註目。此外，在燃氣輪機中直接燃煤也是人們正在研究的新技術。
參考書目
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