Когда термодинамика, машиностроение и металлургия достигли достаточного уровня, Густав Лаваль (Швеция) и Чарлз Парсонс (Великобритания) независимо друг от друга создали пригодные для промышленного использования паровые турбины . Первые опыты с газовой турбиной (в качестве перспективного двигателя для торпед) осуществил также Чарлз Парсонс , однако вскоре пришёл к выводу, что имеющиеся сплавы из-за низкой жаропрочности не позволяют создать надёжный механизм, который приводился бы в движение струёй раскалённых газов либо парогазовой смесью, после чего сосредоточился на создании паровых турбин .

Принцип работы

Газ под высоким давлением поступает через сопловой аппарат турбины в область низкого давления, при этом расширяясь и ускоряясь. Далее, поток газа попадает на рабочие лопатки турбины, отдавая им часть своей кинетической энергии и сообщая лопаткам крутящий момент. Рабочие лопатки передают крутящий момент через диски турбины на вал. Газовая турбина чаще всего используется как привод генераторов.

Механически газовые турбины могут быть значительно проще, чем поршневые двигатели внутреннего сгорания . Более сложные турбины (которые используются в современных турбореактивных двигателях), могут иметь несколько валов, сотни турбинных и статорных лопаток, а также обширную систему сложных трубопроводов, камер сгорания и теплообменников.

Типы газовых турбин

Газовые турбины часто используются во многих ракетах на жидком топливе, а также для питания турбонасосов, что позволяет использовать их в легковесных резервуарах низкого давления, хранящих значительную сухую массу.

Промышленные газовые турбины для производства электричества

Отличие промышленных газовых турбин от авиационных в том, что их массогабаритные характеристики значительно выше, они имеют каркас, подшипники и лопастную систему более массивной конструкции. По размерам промышленные турбины варьируются от монтируемых на грузовики мобильных установок до огромных комплексных систем. Парогазовые турбины могут иметь высокий КПД - до 60 % - при использовании выхлопа газовой турбины в рекуперативном генераторе пара для работы паровой турбины. С целью увеличения КПД они также могут работать в когенераторных конфигурациях: выхлоп используется в системах теплоснабжения - ГВС и отопления, а также с использованием абсорбционных холодильных машинах в системах хладоснабжения. Одновременное использование выхлопа для получения тепла и холода называется режимом тригенерации .

Газовые турбины простого цикла могут выпускаться как для большой, так и для малой мощности. Одно из их преимуществ - способность входить в рабочий режим в течение нескольких минут, что позволяет использовать их как мощность во время пиковых нагрузок. Поскольку они менее эффективны, чем электростанции комбинированного цикла, они обычно используются как пиковые электростанции и работают от нескольких часов в день до нескольких десятков часов в год, в зависимости, от потребности в электроэнергии и генерирующей ёмкости. В областях с недостаточной базовой нагрузкой и на электростанциях, где электрическая мощность выдается в зависимости от нагрузки, газотурбинная установка может регулярно работать в течение большей части суток.

Микротурбины

Отчасти успех микротурбин обусловлен развитием электроники, делающей возможной работу оборудования без вмешательства человека. Микротурбины применяются в самых сложных проектах автономного электроснабжения.

Преимущества и недостатки газотурбинных двигателей

Преимущества газотурбинных двигателей

• Очень высокое отношение мощности к весу, по сравнению с поршневым двигателем.
• Возможность получения большего количества пара при работе (в отличие от поршневого двигателя)
• В сочетании с паровым котлом и паровой турбиной более высокий КПД по сравнению с поршневым двигателем. Отсюда - использование их в электростанциях.
• Перемещение только в одном направлении, с намного меньшей вибрацией, в отличие от поршневого двигателя.
• Меньшее количество движущихся частей, чем у поршневого двигателя.
• Существенно меньше выбросов вредных веществ по сравнению с поршневыми двигателями
• Низкая стоимость и потребление смазочного масла.
• Низкие требования к качеству топлива. ГТД потребляют любое горючее, которое можно распылить: газ, нефтепродукты , органические вещества и пылеобразный уголь .
• Высокая маневренность и диапазон регулирования.

Недостатки газотурбинных двигателей

• Стоимость намного выше, чем у аналогичных по размерам поршневых двигателей, поскольку материалы применяемые в турбине должны иметь высокую жаростойкость и жаропрочность, а также высокую удельную прочность. Машинные операции также более сложные;
• При любом режиме работы имеют меньший КПД, чем поршневые двигатели. (КПД на номинальной нагрузке до 39%, при этом официальные данные по поршневым двигателям - 41-42%). Требуют дополнительной паровой турбины для повышения КПД.
• Низкий механический и электрический КПД (потребление газа более чем в 1.5 раза больше на 1 кВтЧ электроэнергии по сравнению с поршневым двигателем)
• Резкое снижение КПД на малых нагрузках (в отличие от поршневого двигателя)
• Необходимость использования газа высокого давления, что обуславливает необходимость применения дожимных компрессоров с дополнительным расходом энергии и падением общей эффективности системы.
• Высокие эксплуатационные нагрузки. Следствием которых является использование дорогих жаропрочных сплавов.
• Более медленный пуск, чем у поршневых двигателей внутреннего сгорания.
• Существенное влияние пусков-остановок на ресурс.

Эти недостатки объясняют, почему дорожные транспортные средства, которые меньше, дешевле и требуют менее регулярного обслуживания, чем танки, вертолеты и крупные катера, не используют газотурбинные двигатели, несмотря на неоспоримые преимущества в размере.

Напишите отзыв о статье "Газовая турбина"

Примечания

Литература

• Дейч М. Е. Техническая газодинамика. - М.: Энергия, 1974.
• Дейч М. Е. Газодинамика решёток турбомашин. - М.: Энергоатомиздат, 1996.

См. также

Ссылки

• Газовая турбина // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров . - 3-е изд. - М . : Советская энциклопедия, 1969-1978.

Возвратно-поступательные Количество тактов Расположение цилиндров Типы поршней Способ воспламенения Роторные Комбинированные Основные типы Бескомпрессорные Модификации и гибридные системы Химические Ядерные Электрические Другие По виду рабочего тела По конструктивным особенностям Асинхронные Синхронные Другие

Отрывок, характеризующий Газовая турбина

О войне княжна Марья думала так, как думают о войне женщины. Она боялась за брата, который был там, ужасалась, не понимая ее, перед людской жестокостью, заставлявшей их убивать друг друга; но не понимала значения этой войны, казавшейся ей такою же, как и все прежние войны. Она не понимала значения этой войны, несмотря на то, что Десаль, ее постоянный собеседник, страстно интересовавшийся ходом войны, старался ей растолковать свои соображения, и несмотря на то, что приходившие к ней божьи люди все по своему с ужасом говорили о народных слухах про нашествие антихриста, и несмотря на то, что Жюли, теперь княгиня Друбецкая, опять вступившая с ней в переписку, писала ей из Москвы патриотические письма.
«Я вам пишу по русски, мой добрый друг, – писала Жюли, – потому что я имею ненависть ко всем французам, равно и к языку их, который я не могу слышать говорить… Мы в Москве все восторжены через энтузиазм к нашему обожаемому императору.
Бедный муж мой переносит труды и голод в жидовских корчмах; но новости, которые я имею, еще более воодушевляют меня.
Вы слышали, верно, о героическом подвиге Раевского, обнявшего двух сыновей и сказавшего: «Погибну с ними, но не поколеблемся!И действительно, хотя неприятель был вдвое сильнее нас, мы не колебнулись. Мы проводим время, как можем; но на войне, как на войне. Княжна Алина и Sophie сидят со мною целые дни, и мы, несчастные вдовы живых мужей, за корпией делаем прекрасные разговоры; только вас, мой друг, недостает… и т. д.
Преимущественно не понимала княжна Марья всего значения этой войны потому, что старый князь никогда не говорил про нее, не признавал ее и смеялся за обедом над Десалем, говорившим об этой войне. Тон князя был так спокоен и уверен, что княжна Марья, не рассуждая, верила ему.
Весь июль месяц старый князь был чрезвычайно деятелен и даже оживлен. Он заложил еще новый сад и новый корпус, строение для дворовых. Одно, что беспокоило княжну Марью, было то, что он мало спал и, изменив свою привычку спать в кабинете, каждый день менял место своих ночлегов. То он приказывал разбить свою походную кровать в галерее, то он оставался на диване или в вольтеровском кресле в гостиной и дремал не раздеваясь, между тем как не m lle Bourienne, a мальчик Петруша читал ему; то он ночевал в столовой.
Первого августа было получено второе письмо от кня зя Андрея. В первом письме, полученном вскоре после его отъезда, князь Андрей просил с покорностью прощения у своего отца за то, что он позволил себе сказать ему, и просил его возвратить ему свою милость. На это письмо старый князь отвечал ласковым письмом и после этого письма отдалил от себя француженку. Второе письмо князя Андрея, писанное из под Витебска, после того как французы заняли его, состояло из краткого описания всей кампании с планом, нарисованным в письме, и из соображений о дальнейшем ходе кампании. В письме этом князь Андрей представлял отцу неудобства его положения вблизи от театра войны, на самой линии движения войск, и советовал ехать в Москву.
За обедом в этот день на слова Десаля, говорившего о том, что, как слышно, французы уже вступили в Витебск, старый князь вспомнил о письме князя Андрея.
– Получил от князя Андрея нынче, – сказал он княжне Марье, – не читала?
– Нет, mon pere, [батюшка] – испуганно отвечала княжна. Она не могла читать письма, про получение которого она даже и не слышала.
– Он пишет про войну про эту, – сказал князь с той сделавшейся ему привычной, презрительной улыбкой, с которой он говорил всегда про настоящую войну.
– Должно быть, очень интересно, – сказал Десаль. – Князь в состоянии знать…
– Ах, очень интересно! – сказала m llе Bourienne.
– Подите принесите мне, – обратился старый князь к m llе Bourienne. – Вы знаете, на маленьком столе под пресс папье.
M lle Bourienne радостно вскочила.
– Ах нет, – нахмурившись, крикнул он. – Поди ты, Михаил Иваныч.
Михаил Иваныч встал и пошел в кабинет. Но только что он вышел, старый князь, беспокойно оглядывавшийся, бросил салфетку и пошел сам.
– Ничего то не умеют, все перепутают.
Пока он ходил, княжна Марья, Десаль, m lle Bourienne и даже Николушка молча переглядывались. Старый князь вернулся поспешным шагом, сопутствуемый Михаилом Иванычем, с письмом и планом, которые он, не давая никому читать во время обеда, положил подле себя.
Перейдя в гостиную, он передал письмо княжне Марье и, разложив пред собой план новой постройки, на который он устремил глаза, приказал ей читать вслух. Прочтя письмо, княжна Марья вопросительно взглянула на отца.
Он смотрел на план, очевидно, погруженный в свои мысли.
– Что вы об этом думаете, князь? – позволил себе Десаль обратиться с вопросом.
– Я! я!.. – как бы неприятно пробуждаясь, сказал князь, не спуская глаз с плана постройки.
– Весьма может быть, что театр войны так приблизится к нам…
– Ха ха ха! Театр войны! – сказал князь. – Я говорил и говорю, что театр войны есть Польша, и дальше Немана никогда не проникнет неприятель.
Десаль с удивлением посмотрел на князя, говорившего о Немане, когда неприятель был уже у Днепра; но княжна Марья, забывшая географическое положение Немана, думала, что то, что ее отец говорит, правда.
– При ростепели снегов потонут в болотах Польши. Они только могут не видеть, – проговорил князь, видимо, думая о кампании 1807 го года, бывшей, как казалось, так недавно. – Бенигсен должен был раньше вступить в Пруссию, дело приняло бы другой оборот…
– Но, князь, – робко сказал Десаль, – в письме говорится о Витебске…
– А, в письме, да… – недовольно проговорил князь, – да… да… – Лицо его приняло вдруг мрачное выражение. Он помолчал. – Да, он пишет, французы разбиты, при какой это реке?
Десаль опустил глаза.
– Князь ничего про это не пишет, – тихо сказал он.
– А разве не пишет? Ну, я сам не выдумал же. – Все долго молчали.
– Да… да… Ну, Михайла Иваныч, – вдруг сказал он, приподняв голову и указывая на план постройки, – расскажи, как ты это хочешь переделать…
Михаил Иваныч подошел к плану, и князь, поговорив с ним о плане новой постройки, сердито взглянув на княжну Марью и Десаля, ушел к себе.
Княжна Марья видела смущенный и удивленный взгляд Десаля, устремленный на ее отца, заметила его молчание и была поражена тем, что отец забыл письмо сына на столе в гостиной; но она боялась не только говорить и расспрашивать Десаля о причине его смущения и молчания, но боялась и думать об этом.
Ввечеру Михаил Иваныч, присланный от князя, пришел к княжне Марье за письмом князя Андрея, которое забыто было в гостиной. Княжна Марья подала письмо. Хотя ей это и неприятно было, она позволила себе спросить у Михаила Иваныча, что делает ее отец.
– Всё хлопочут, – с почтительно насмешливой улыбкой, которая заставила побледнеть княжну Марью, сказал Михаил Иваныч. – Очень беспокоятся насчет нового корпуса. Читали немножко, а теперь, – понизив голос, сказал Михаил Иваныч, – у бюра, должно, завещанием занялись. (В последнее время одно из любимых занятий князя было занятие над бумагами, которые должны были остаться после его смерти и которые он называл завещанием.)
– А Алпатыча посылают в Смоленск? – спросила княжна Марья.
– Как же с, уж он давно ждет.

Когда Михаил Иваныч вернулся с письмом в кабинет, князь в очках, с абажуром на глазах и на свече, сидел у открытого бюро, с бумагами в далеко отставленной руке, и в несколько торжественной позе читал свои бумаги (ремарки, как он называл), которые должны были быть доставлены государю после его смерти.
Когда Михаил Иваныч вошел, у него в глазах стояли слезы воспоминания о том времени, когда он писал то, что читал теперь. Он взял из рук Михаила Иваныча письмо, положил в карман, уложил бумаги и позвал уже давно дожидавшегося Алпатыча.
На листочке бумаги у него было записано то, что нужно было в Смоленске, и он, ходя по комнате мимо дожидавшегося у двери Алпатыча, стал отдавать приказания.
– Первое, бумаги почтовой, слышишь, восемь дестей, вот по образцу; золотообрезной… образчик, чтобы непременно по нем была; лаку, сургучу – по записке Михаила Иваныча.
Он походил по комнате и заглянул в памятную записку.
– Потом губернатору лично письмо отдать о записи.
Потом были нужны задвижки к дверям новой постройки, непременно такого фасона, которые выдумал сам князь. Потом ящик переплетный надо было заказать для укладки завещания.
Отдача приказаний Алпатычу продолжалась более двух часов. Князь все не отпускал его. Он сел, задумался и, закрыв глаза, задремал. Алпатыч пошевелился.

Тепловая турбина постоянного действия, в которой тепловая энергия сжатого и нагретого газа (обычно продуктов сгорания топлива) преобразуется в механическую вращательную работу на валу ; является конструктивным элементом газотурбинного двигателя.

Нагревание сжатого газа, как правило, происходит в камере сгорания. Также можно осуществлять нагрев в ядер-ном реакторе и др. Впервые газовые турбины появились в конце XIX в. в качестве газотурбинного двигателя и по конструктивному выполнению приближались к паровой турбине. Газовая турбина конструктивно представляет собой целый ряд упорядоченно расположенных неподвижных лопаточных венцов аппарата сопла и вращающихся венцов рабочего колеса, которые в результате образуют проточную часть. Ступень турбины представляет собой сопловой аппарат, совмещенный с рабочим колесом . Ступень состоит из статора, в который входят стационарные детали (корпус, сопловые лопатки, бандажные кольца), и ротора , представляющего собой совокупность вращающихся частей (таких, как рабочие лопатки, диски, вал).

Классификация газовой турбины осуществляется по многим конструктивным особенностям: по направлению газового потока, количеству ступеней, способу использования перепада тепла и способу подвода газа к рабочему колесу. По направлению газового потока можно различить газовые турбины осевые (самые распространенные) и радиальные, а также диагональные и тангенциальные. В осевых газовых турбинах поток в меридиональном сечении транспортируется в основном вдоль всей оси турбины; в радиальных турбинах, наоборот, перпендикулярно оси. Радиальные турбины подразделяются на центростремительные и центробежные. В диагональной турбине газ течет под некоторым углом к оси вращения турбины. У рабочего колеса тангенциальной турбины отсутствуют лопатки, такие турбины применяются при очень малом расходе газа, обычно в измерительных приборах. Газовые турбины бывают одно-, двух- и многоступенчатые.

Количество ступеней определяется многими факторами: назначением турбины, ее конструктивной схемой, общей мощностью и развиваемой одной ступенью, а также срабатываемым перепадом давления. По способу использования располагаемого перепада тепла различают турбины со ступенями скорости, у которых в рабочем колесе происходит только поворот потока, без изменения давления (активные турбины), и турбины со ступенями давления, в них давление уменьшается как в сопловых аппаратах, так и на рабочих лопатках (реактивные турбины). В парциальных газовых турбинах подвод газа к рабочему колесу происходит по части окружности соплового аппарата или по его полной окружности.

В многоступенчатой турбине процесс преобразования энергии состоит из целого ряда последовательных процессов в отдельных ступенях. В межлопаточные каналы соплового аппарата подается сжатый и подогретый газ с начальной скоростью, где в процессе расширения происходит преобразование части располагаемого теплоперепада в кинетическую энергию струи вытекания. Дальнейшее расширение газа и преобразование теплоперепада в полезную работу происходят в межлопаточных каналах рабочего колеса. Газовый поток, воздействуя на рабочие лопатки, создает крутящий момент на главном валу турбины. При этом происходит уменьшение абсолютной скорости газа. Чем ниже эта скорость, тем большая часть энергии газа преобразовалась в механическую работу на валу турбины.

КПД характеризует эффективность газовых турбин, представляющую собой отношение работы, снимаемой с вала, к располагаемой энергии газа перед турбиной. Эффективный КПД современных многоступенчатых турбин довольно высок и достигает 92-94%.

Принцип работы газовой турбины состоит в следующем: газ нагнетается в камеру сгорания компрессором , перемешивается с воздухом, формирует топливную смесь и поджигается. Образовавшиеся продукты горения с высокой температурой (900-1200 °С) проходят через несколько рядов лопаток, установленных на валу турбины, и приводят к вращению турбины. Полученная механическая энергия вала передается через редуктор генератору , вырабатывающему электричество.

Тепловая энергия выходящих из турбины газов попадает в теплоутилизатор. Также вместо производства электричества механическая энергия турбины может быть использована для работы различных насосов , компрессоров и т. п. Наиболее часто используемым видом топлива для газовых турбин является природный газ, хотя это не может исключить возможности использования других видов газообразного топлива. Но при этом газовые турбины очень капризны и предъявляют повышенные требования к качеству его подготовки (необходимы определенные механические включения, влажность).

Температура исходящих из турбины газов составляет 450-550 °С. Количественное соотношение тепловой энергии к электрической у газовых турбин составляет от 1,5: 1 до 2,5: 1, что позволяет строить когенерационные системы, различающиеся по типу теплоносителя:

1) непосредственное (прямое) использование отходящих горячих газов;
2) производство пара низкого или среднего давления (8-18 кг/см2) во внешнем котле;
3) производство горячей воды (лучше, когда требуемая температура превышает 140 °С);
4) производство пара высокого давления.

Большой вклад в развитие газовых турбин внесли советские ученые Б. С. Стечкин, Г. С. Жирицкий, Н. Р. Брилинг, В. В. Уваров, К. В. Холщевиков, И. И. Кириллов и др. Значительных успехов в создании газовых турбин для стационарных и передвижных газотурбинных установок достигли зарубежные фирмы (швейцарские «Броун-Бовери», в которой работал известный словацкий ученый А. Стодола, и «Зульцер», американская «Дженерал электрик» и др.).

В дальнейшем развитие газовых турбин зависит от возможности повышения температуры газа перед турбиной. Это связано с созданием новых жаропрочных материалов и надежных систем охлаждения рабочих лопаток при значительном усовершенствовании проточной части и др.

Благодаря повсеместному переходу в 1990-е гг. на использование природного газа в качестве основного топлива для электроэнергетики газовые турбины заняли существенный сегмент рынка. Несмотря на то что максимальная эффективность оборудования достигается на мощностях от 5 МВт и выше (до 300 МВт), некоторые производители выпускают модели в диапазоне 1-5 МВт.

Применяются газовые турбины в авиации и на электростанциях.

• Предыдущее: ГАЗОАНАЛИЗАТОР
• Следующее: ГАЗОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Категория:

Турбиной называется двигатель, в лопаточном аппарате которого потенциальная энергия сжимаемой жидкости превращается в кинетическую энергию, а последняя в рабочих колесах – в механическую работу, передаваемую непрерывно вращающемуся валу.

Паровые турбины по своей конструкции представляют тепловой двигатель, который постоянно находится в работе. В период эксплуатации перегретый или насыщенный пар воды, который поступает в проточную часть, и благодаря своему расширению принуждает вращаться ротор. Вращение происходит в результате воздействия на лопаточный аппарат потока пара.

Турбина паровая входит в состав паротурбинной конструкции, которая предназначена для вырабатывания энергии. Также существуют установки, способные кроме электроэнергии вырабатывать тепловую энергию – пар, прошедший через лопатки пар, поступает на нагреватели сетевой воды. Подобный вид турбин именуется промышленно-теплофикационным или теплофикационным типом турбин. В первом случае, в турбине отбор пара предусмотрен для промышленных целей. В комплекте с генератором паровая турбина представляет турбоагрегат.

Типы паровых турбин

Турбины делятся, в зависимости от того, в каком направлении движется пар, на радиальные и аксиальные турбины. Паровой поток в радиальных турбинах направлен перпендикулярно оси. Паровые турбины могут быть одно-, двух- и трехкорпусные. Паровая турбина снабжена разнообразными техническими устройствами, которые предупреждают попадание внутрь корпуса окружающего воздуха. Это разнообразные уплотнители, на которые подается водяной пар в небольшом количестве.

На переднем участке вала размещается регулятор безопасности, предназначенный для отключения паровой подачи при увеличении частоты вращения турбины.

Характеристика основных параметров номинальных значений

· Номинальная мощность турбины - наибольшая мощность, которую турбина должна длительно развивать на зажимах электрогенератора, при нормальных величинах основных параметров или при изменении их в пределах, оговоренных отраслевыми и государственными стандартами. Турбина с регулируемым отбором пара может развивать мощность выше номинальной, если это соответствует условиям прочности её деталей.

· Экономическая мощность турбины - мощность, при которой турбина работает с наибольшей экономичностью. В зависимости от параметров свежего пара и назначения турбины номинальная мощность может быть равна экономической или более её на 10-25 %.

· Номинальная температура регенеративного подогрева питательной воды - температура питательной воды за последним по ходу воды подогревателем.

· Номинальная температура охлаждающей воды - температура охлаждающей воды при входе в конденсатор.

Газовая турбина (фр. turbine от лат. turbo вихрь, вращение ) - это тепловой двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу. Состоит из ротора (рабочие лопатки, закреплённые на дисках) и статора (направляющие лопатки, закреплённые в корпусе).

Газ, имеющий высокую температуру и давление, поступает через сопловой аппарат турбины в область низкого давления за сопловой частью, попутно расширяется и ускоряется. Далее, поток газа попадает на рабочие лопатки турбины, отдавая им часть своей кинетической энергии и сообщая лопаткам крутящий момент. Рабочие лопатки передают крутящий момент через диски турбины на вал. Полезные свойства газовой турбины: газовая турбина, например, приводит во вращение находящийся с ней на одном валу генератор, что и является полезной работой газовой турбины.

Газовые турбины используются в составе газотурбинных двигателей (применяются для транспорта) и газотурбинных установок (применяются на ТЭЦ в составе стационарных ГТУ, ПГУ). Газовые турбины описываются термодинамическим циклом Брайтона, в котором сначала происходит адиабатическое сжатие воздуха, затем сжигание при постоянном давлении, а после этого осуществляется адиабатическое расширение обратно до стартового давления.

Типы газовых турбин

- Авиационные и реактивные двигатели

- Вспомогательная силовая установка

- Промышленные газовые турбины для производства электричества

- Турбовальные двигатели

- Радиальные газовые турбины

- Микротурбины

Механически газовые турбины могут быть значительно проще, чем поршневые двигатели внутреннего сгорания. Простые турбины могут иметь одну движущуюся часть: вал / компрессор / турбина / альтернативный ротор в сборе (см. изображение выше), не учитывая топливную систему.

Более сложные турбины (те, которые используются в современных реактивных двигателях), могут иметь несколько валов (катушек), сотни турбинных лопаток, движущихся статорных лезвий, а также обширную систему сложных трубопроводов, камер сгорания и теплообменников.

Как правило, чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала(ов), необходимая для поддержания максимальной линейной скорости лопаток. Максимальная скорость турбинных лопаток определяет максимальное давление, которое может быть достигнуто, что приводит к получению максимальной мощности, независимо от размера двигателя. Реактивный двигатель вращается с частотой около 10000 об/мин и микро-турбина - с частотой около 100000 об/мин.

«Турбонаддув», «турбореактивные», «турбовинтовые», - эти термины прочно вошли в лексикон инженеров XX века, занимающихся проектированием и обслуживанием транспортных средств и стационарных электрических установок. Их применяют даже в смежных областях и рекламе, когда хотят придать названию продукта какой-то намек на особую мощность и эффективность. В авиации, ракетах, кораблях и на электростанциях чаще всего применяется газовая турбина. Как она устроена? Работает ли на природном газе (как можно подумать из названия), и какими вообще они бывают? Чем турбина отличается от других типов двигателя внутреннего сгорания? В чем ее преимущества и недостатки? Попытка как можно полнее ответить на эти вопросы предпринята в этой статье.

Российский машиностроительный лидер ОДК

России, в отличие от многих других независимых государств, образовавшихся после распада СССР, удалось в значительной мере сохранить машиностроительную промышленность. В частности, производством силовых установок особого назначения занимается фирма «Сатурн». Газовые турбины этой компании находят применение в судостроении, сырьевой отрасли и энергетики. Продукция высокотехнологична, она требует особого подхода при монтаже, отладке и эксплуатации, а также специальных знаний и дорогостоящей оснастки при плановом обслуживании. Все эти услуги доступны заказчикам фирмы «ОДК - Газовые турбины», так сегодня она называется. Таких предприятий в мире не так уж много, хотя принцип устройства главной продукции на первый взгляд несложен. Имеет огромное значение накопленный опыт, позволяющий учитывать многие технологические тонкости, без чего добиться долговечной и надежной работы агрегата невозможно. Вот лишь часть ассортимента продукции ОДК: газовые турбины, электростанции, агрегаты для перекачки газа. Среди заказчиков - "Росатом", "Газпром" и другие «киты» химической промышленности и энергетики.

Изготовление таких сложных машин требует в каждом случае индивидуального подхода. Расчет газовой турбины в настоящее время полностью автоматизирован, но имеют значение материалы и особенности монтажных схем в каждом отдельном случае.

А начиналось все так просто…

Поиски и пар

Первые опыты преобразования поступательной энергии потока во вращательную силу человечество провело еще в глубокой древности, применив обычное водяное колесо. Все предельно просто, сверху вниз течет жидкость, в ее поток помещаются лопатки. Колесо, снабженное ими по периметру, крутится. Так же работает и ветряная мельница. Затем настал век пара, и вращение колеса убыстрилось. Кстати, так называемый «эолипил», изобретённый древним греком Героном примерно за 130 лет до Рождества Христова, представлял собой паровой двигатель, работающий именно по такому принципу. В сущности, это была первая известная исторической науке газовая турбина (ведь пар - это газообразное агрегатное состояние воды). Сегодня все же принято разделять эти два понятия. К изобретению Герона тогда в Александрии отнеслись без особого восторга, хотя и с любопытством. Промышленное оборудование турбинного типа появилось только в конце XIX века, после создания шведом Густафом Лавалем первого в мире активного силового агрегата, оснащенного соплом. Примерно в том же направлении работал инженер Парсонс, снабдив свою машину несколькими функционально связанными ступенями.

Рождение газовых турбин

Столетием ранее некоему Джону Барберу пришла в голову гениальная мысль. Зачем нужно сначала нагревать пар, не проще ли использовать непосредственно выхлопной газ, образующийся при сгорании горючего, и тем самым устранить ненужное посредничество в процессе преобразования энергии? Так получилась первая настоящая газовая турбина. Патент 1791 года излагает основную идею использования в безлошадной повозке, но его элементы сегодня применяются в современных ракетных, авиационных танковых и автомобильных моторах. Начало процессу реактивного двигателестроения дал в 1930 году Фрэнк Уиттл. Ему пришла идея использовать турбину для приведения в движение самолета. В дальнейшем она нашла развитие в многочисленных турбовинтовых и турбореактивных проектах.

Газовая турбина Николы Тесла

Знаменитый ученый-изобретатель всегда подходил к изучаемым вопросам нестандартно. Для всех казался очевидным тот факт, что колеса с лопатками или лопастями «улавливают» движение среды лучше, чем плоские предметы. Тесла, в свойственной ему манере, доказал, что если собрать роторную систему из дисков, расположениях на оси последовательно, то за счет подхватывания пограничных слоев потоком газа, она будет вращаться не хуже, а в некоторых случаях даже лучше, чем многолопастный пропеллер. Правда, направленность подвижной среды должна быть тангенциальной, что в современных агрегатах не всегда возможно или желательно, но зато существенно упрощается конструкция, - в ней совершенно не нужны лопатки. Газовой турбины по схеме Тесла пока не строят, но возможно, идея лишь ждет своего времени.

Принципиальная схема

Теперь о принципиальном устройстве машины. Она представляет собой совокупность вращающейся системы, насаженной на ось (ротора) и неподвижной части (статора). На валу размещен диск с рабочими лопатками, образующими концентрическую решетку, на них воздействует газ, подаваемый под давлением через специальные сопла. Затем расширившийся газ поступает на крыльчатку, также оборудованную лопатками, называемыми рабочими. Для впуска воздушно-топливной смеси и выпуска (выхлопа) служат особые патрубки. Также в общей схеме участвует компрессор. Он может быть выполнен по различному принципу, в зависимости от требуемого рабочего давления. Для его работы от оси отбирается часть энергии, идущая на сжатие воздуха. Газовая турбина работает за счет процесса сгорания воздушно-топливной смеси, сопровождающегося значительным увеличением объема. Вал вращается, его энергию можно использовать полезно. Такая схема называется одноконтурной, если же она повторяется, то ее считают многоступенчатой.

Достоинства авиационных турбин

Примерно с середины пятидесятых годов появилось новое поколение самолетов, в том числе и пассажирских (в СССР это Ил-18, Ан-24, Ан-10, Ту-104, Ту-114, Ту-124 и т. д.), в конструкции которых авиационные поршневые двигатели окончательно и бесповоротно были вытеснены турбинными. Это свидетельствует о большей эффективности такого типа силовой установки. Характеристики газовой турбины превосходят параметры карбюраторных моторов по многим пунктам, в частности, по отношению мощность/вес, которое для авиации имеет первостепенное значение, а также по не менее важным показателям надежности. Ниже расход топлива, меньше подвижных деталей, лучше экологические параметры, снижен шум и вибрации. Турбины менее критичны к качеству горючего (чего нельзя сказать о топливных системах), их легче обслуживать, они требуют не так много смазочного масла. В общем, на первый взгляд кажется, что состоят они не из металла, а из сплошных достоинств. Увы, это не так.

Есть у газотурбинных двигателей и недостатки

Газовая турбина во время работы нагревается, и передает тепло окружающим ее элементам конструкции. Особенно это критично опять же в авиации, при использовании реданной схемы компоновки, предполагающей омывание реактивной струей нижней части хвостового оперения. Да и сам корпус двигателя требует особой теплоизоляции и применения особых тугоплавких материалов, выдерживающих высокие температуры.

Охлаждение газовых турбин - сложная техническая задача. Шутка ли, они работают в режиме фактически перманентного взрыва, происходящего в корпусе. КПД в некоторых режимах ниже, чем у карбюраторных моторов, впрочем, при использовании двухконтурной схемы этот недостаток устраняется, хотя усложняется конструкция, как и в случае включения в схему компрессоров «дожима». Разгон турбин и выход на рабочий режим требует некоторого времени. Чем чаще происходит запуск и остановка агрегата, тем быстрей он изнашивается.

Правильное применение

Что же, без недостатков ни одна система не обходится. Важно найти такое применение каждой из них, при котором ярче проявятся ее достоинства. Например, танки, такие как американский «Абрамс», в основе силовой установки которого - газовая турбина. Его можно заправлять всем, что горит, от высокооктанового бензина до виски, и он выдает большую мощность. Пример, возможно, не очень удачный, так как опыт применения в Ираке и Афганистане показал уязвимость лопаток компрессора к воздействию песка. Ремонт газовых турбин приходится производить в США, на заводе-изготовителе. Отвести танк туда, потом обратно, да и стоимость самого обслуживания плюс комплектующие…

Вертолеты, российские, американские и других стран, а также мощные быстроходные катера в меньшей степени страдают от засорений. В жидкостных ракетах без них не обойтись.

Современные боевые корабли и гражданские суда также имеют газотурбинные двигатели. А еще энергетика.

Тригенераторные электростанции

Проблемы, с которыми сталкивались авиастроители, не так волнуют тех, кто производит промышленное оборудование для производства электроэнергии. Вес в этом случае уже не так важен, и можно сосредоточиться на таких параметрах, как КПД и общая эффективность. Генераторные газотурбинные агрегаты имеют массивный каркас, надежную станину и более толстые лопасти. Выделяемое тепло вполне возможно утилизировать, используя для самых различных нужд, - от вторичного рециклинга в самой системе, до отопления бытовых помещений и термального питания холодильных установок абсорбционного типа. Такой подход называется тригенераторным, и КПД в этом режиме приближается к 90 %.

Ядерные энергоустановки

Для газовой турбины не имеет принципиальной разницы, каков источник разогретой среды, отдающей свою энергию ее лопаткам. Это может быть и сгоревшая воздушно-топливная смесь, и просто перегретый пар (не обязательно водяной), главное, чтобы он обеспечивал ее бесперебойное питание. По своей сути энергетические установки всех атомных электростанций, подводных лодок, авианосцев, ледоколов и некоторых военных надводных кораблей (ракетный крейсер «Петр Великий», например) имеют в своей основе газовую турбину (ГТУ), вращаемую паром. Вопросы безопасности и экологии диктуют закрытый цикл первого контура. Это означает, что первичный тепловой агент (в первых образцах эту роль выполнял свинец, сейчас его заменили парафином), не покидает приреакторной зоны, обтекая тепловыделяющие элементы по кругу. Нагрев рабочего вещества осуществляется в последующих контурах, и испаренный углекислый газ, гелий или азот вращает колесо турбины.

Широкое применение

Сложные и большие установки практически всегда уникальны, их производство ведется малыми сериями или вообще изготовляются единичные экземпляры. Чаще всего агрегаты, выпускаемые в больших количествах, находят применение в мирных отраслях хозяйства, например, для перекачки углеводородного сырья по трубопроводам. Именно такие и производятся компанией ОДК под маркой «Сатурн». Газовые турбины насосных станций полностью соответствуют по назначению своему названию. Они действительно качают природный газ, используя для своей работы его же энергию.

Газотурбинная установка (ГТУ) состоит из газотурбинного двигателя (ГТД) и вспомогательных устройств.В состав двигателя входят: газовая турбина, камера сгорания, компрессор, воздухоохладитель, регенеративные теплообменники. К вспомогательным устройствам, в зависимости от назначения ГТУ, можно отнести: газоотводящие устройства (газоходы, борова, трубы), пусковые устройства, масляные системы, элементы водоснабжения и т. п.ГТУ предназначена либо для выработки электроэнергии, либо для привода механизмов. Принцип работы газовой турбины аналогичен паровой. Однако ра­бочим телом здесь являются продукты сгорания топлива. Основное различие связано со свойствами рабочих тел и их параметрами: давление продуктов сгорания ниже, а температура выше, чем у пара. ГТУ намного проще, т.к. нет парциального подвода газа, регулирующей ступени, и отборов промежуточных ступеней. Относительно небольшой располагаемый теплоперепад определяет небольшое количество ступеней, и к тому же разница между высотами лопаток1й и последней ступеней меньше, чем у паровой. Почти все современные газовые турбины работают по такой схеме, при которой продукты сгорания проходят через ее проточную часть. Поэтому в газовых турбинах топливо должно содержать очень малое количество золы и других вредных примесей. К такому топливу можно отнести природный газ, хорошо очищенные искусственные газы (до­менный, коксовый, генераторный) и специальное газотурбинное жидкое топливо (прошедшее обработку дизельное моторное, соляровое масло).

В связи с высокой температурой газов (1100 0 К) детали проточной части (сопла, диски, валы, рабочие лопатки) изготавливают из высококачественных легированных сталей. У большинства турбин предусмотрено интенсивное воздушное охлаждение наиболее нагретых деталей. Подготовка рабочей смеси производится в камере сгорания. Тепловой КПД КС КС = 0,970,99 устанавливают,в основном, цилиндрические камеры. Объём камеры разделяется на зону горения, где происходит сгорание топлива при Т = 2000 0 С и зону смешения, где к продуктам сгорания подмешивают воздух для снижения температуры. В камерах устанавливают несколько форсунок, что позволяет регулировать тепловую мощность изменением числа работающих форсунок. Тепловая мощность камеры доходит до 40 МВт при давлении 0,4 – 0,45 МПа. Расход топлива до 3000кг/ч, расход воздуха 2,5*10 5 м 3 /ч. В ГТУ применяют осевые и реже центробежные компрессоры. Осевые конструируют на расход воздуха 100 – 200 м 3 /с; степень повышения давления до 1,35. Т.о. для обеспечения необходимого давления число ступеней делают более 10. КПД осевого компрессора 83 – 90%. Центробежные применяют небольшой мощности – до 400кВт; КПД одноступенчатых - 7585%. Жаропрочность материалов деталей ГТ не позволяет иметь температуру свыше 1100 К и только в авиационных турбинах, которые имеют ограниченный моторесурс, температура может достигать 1500 0 К. Снижение температуры на входе в компрессор Т 1 значительно влияет на внутренний КПД i , т.к. Т 1 значительно зависит от климата района. Поэтому ГТУ экономичнее работают в районах с более низкой среднегодовой температурой воздуха.

КПД простейших ГТУ не превышает 14 – 18% и для его повышения используют регенеративный подогрев сжатого воздуха отработавшими газами после газовой турбины, т.е. используют теплоту выхлопных газов для предварительного подогрева воздуха перед камерой сгорания.

Подогрев производят в регенераторах, которые представляют собой трубчатый теплообменник, где для получения высоких коэффициентов теплоотдачи от газа и воздуха применяют высокие скорости потока, а это снижает КПД реального цикла из-за увеличения сопротивления газовоздушного тракта.

ГТУ с промежуточным охлаждением и подогревом рабочего тела уменьшает работу сжатия в компрессоре и увеличивает работу расширения в ГТ.

Атмосферный воздух сжимается в компрессоре низкого давления КНД, затем охлаждается в водяном теплообменнике ВО, далее снова сжимается в компрессоре высокого давления КВД и поступает в камеру сгорания высокого давления КСВ, продукты сгорания расширяются в газовой турбине высокого давления ТВД, подогреваются в камере сгорания низкого давления КСН, затем снова расширяются в турбине низкого давления ТНД. Чем больше промежуточных ступеней подогрева и охлаждения, тем выше КПД установки, но это усложняет конструкцию, поэтому в современных ГТУ применяют не более 2 промежуточных охладителей воздуха и одного промежуточного подогревателя.

Для ГТУ характерно высокое количество отходящих газов и достаточно высокая температура – 400 – 500 0 С. Эту теплоту можно использовать для получения пара и горячей воды в обычных теплообменниках. Так установки ГТ-25-700 ЛМЗ снабжены сетевыми подогревателями, обеспечивающими подогрев воды до 150-160 0 С. Сочетание преимуществ парового и газотурбинного цикла привел к созданию парогазовых установок ПГУ (до 200МВт). Работают на параметрах до 14МПа (паровая часть) и 570 0 С, а газовый агрегат 0,65 МПа и 770 0 С. Паровая турбина работает в комплекте с электрогенератором мощностью 165 МВт, а газовая турбина 33 МВт. ГТУ применяют в энергетике для покрытия пиковых нагрузок и в качестве аварийного резерва.

25.Схема ДВС. Принцип работы .

Поршневым двигателем внутреннего сгорания (ДВС) называется тепловая машина в рабочем цилиндре которой происходит сжигание топлива и преобразование теплоты в работу.

Принципиальная схема ДВС показана на рис.28.1. основным элементом любого поршневого двигателя является цилиндр 4 с поршнем 5, соединенным посредством кривошипно-шатунного механизма с внешним потребителем работы. Цилиндр монтируется на верхней части картера 1 ; он сверху закрыт крышкой, в которой установлены впускной 2 и выпускной 3 клапаны и электрическая свеча зажигания (в карбюраторном или газовом двигателях) или форсунка (в дизеле). В зарубашечном пространстве цилиндра и его головки циркулирует охлаждающая жидкость.

В картере монтируется коленчатый вал, кривошип 7, который шарнирно соединен с шатуном 6. Верхняя головка шатуна сочленена с поршнем, который совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение в цилиндре. Кроме основных деталей двигатель имеет ряд вспомогательных механизмов для подачи топлива, смазки, для охлаждения и другие устройства, необходимые для его обслуживания.

Крайнее положение поршня называют верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ). Ход поршня от ВМТ до НМТ называют ходом (тактом поршня). Объем, описываемый поршнем за 1 ход, является рабочим объемом цилиндра.

Анализ рабочего цикла обычно производят с помощью индикаторной диаграммы, на которой графически изображена зависимость давления в цилиндре от объема, занятого газом, или положения поршня.

Различается 2 типа поршневых ДВС –четырехтактные и двухтактные.

Рисунок 28.2а. Отдельным процессам соответствуют: 0-1 – всасывание топливной смеси (1-й такт); 1-2- сжатие смеси (2-й такт); 2-3 – сгорание; 3-4 – расширение продуктов сгорания; 4-5 – выхлоп (3-й такт); 5-0 – выталкивание продуктов сгорания (4- й такт).

Из всех 4-х тактов составляющих цикл только в 3-м получается полезная работа, в остальных 3-х тактах работа затрачивается.

Рисунок 28.2б. : 0-1 – введение новой порции смеси; 1-2 – сжатие -1-й такт; 2-3 – сгорание; 3-4 – расширение; 4-0 – выхлоп (2-й такт).

Двигатели с «мгновенным сгоранием» топлива (карбюраторные и газовые). В цилиндр такого двигателя всасывается горючая смесь, которая в нужный момент поджигается от внешнего источника. Время сгорания готовой смеси очень мало, в связи с чем допустимо считать, что процесс сгорания осуществляется при (почти) постоянном объеме.

Двигатели со сгоранием топлива при (почти) постоянном давлении (компрессорные дизельные двигатели. В цилиндре двигателя сжимается чистый воздух. В конце сжатия в цилиндр впрыскивается топливо, которое в процессе смешения с горячим воздухом воспламеняется и сгорает при постоянном давлении.

Двигатели со смешанным сгоранием топлива (бескомпрессорные дизельные двигатели). В цилиндре двигателя тоже сжимается чистый воздух, а жидкое топливо подается форсункой в мелко-распыленном виде в цилиндр в конце такта сжатия.

Все типы двигателей могут выполняться как 4-х тактными, так и 2-х тактными.