Газотурбинный двигатель (ГТД) — Что такое Газотурбинный двигатель (ГТД)?

, Обновлено 14 ноября 11:34

17768

В отличие от поршневого двигателя в ГТД процессы происходят в потоке движущегося газа

Источник: Ростех

Газотурбинный двигатель (ГТД) — тепловой двигатель, любой двигатель внутреннего сгорания (ДВС), в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины.

В отличие от поршневого двигателя в ГТД процессы происходят в потоке движущегося газа.

От ГТД можно получить полезную работу или тягу:


  • приводить в действие генератор,  насос или воздушный винт;

  • развивать тягу за счет ускорения потока выхлопных газов турбины через сопло.  


ГТД работает следующим образом:

  1. сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, туда же подается топливо, которое, сгорая, образует большое количество продуктов сгорания под высоким давлением;


  2. в газовой турбине энергия газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счет вращения струей газа лопаток, большая часть которой расходуется на сжатие воздуха в компрессоре;


  3. остальная часть работы передается на приводимый агрегат. Работа, потребляемая этим агрегатом, является полезной работой ГТД.


Газотурбинные двигатели имеют самую большую удельную мощность среди ДВС, до 6 кВт/кг.

В качестве топлива может использоваться любое горючее, которое можно диспергировать:

  • бензин,

  • керосин,

  • дизтопливо,

  • мазут,

  • природный газ,

  • судовое топливо,

  • водяной газ,

  • спирт, 

  • измельченный уголь.


Существует 2 вида ГТД в зависимости от количества турбин:

  • одновальные — простейшие ГТД, которые имеют только 1 турбину; такие ГТД имеют ограничения в режиме работы;


  • многовальные — имеется несколько последовательно стоящих турбин, каждая из которых приводит свой вал; турбина высокого давления (первая после камеры сгорания) всегда приводит компрессор двигателя, а последующие могут приводить как внешнюю нагрузку (винты вертолета или корабля, мощные электрогенераторы и т. д.), так и дополнительные компрессоры самого двигателя, расположенные перед основным.


Наиболее важным применением газовых турбин является авиация, где они обеспечивают движущую силу для реактивных двигателей.

ГТД широко используются в газотурбинных электростанциях (ГТЭС) среднего размера с «пиковой нагрузкой» для периодической работы в течение коротких периодов высокой потребности в мощности в электрической системе.

На первых промышленных ГТУ использовались авиационные агрегаты, работающие при пониженных температурах на входе в турбину. 

Сейчас используют специальные ГТД для работы:

  • в ГТЭС, 

  • в газоперекачивающих агрегатах (ГПА) на компрессорных станциях (КС) магистральных газопроводов.


Первая успешная газовая турбина, построенная в г. Париже в 1903 г., состояла из 3-цилиндрового многоступенчатого поршневого компрессора, камеры сгорания и импульсной турбины. 

Она работал следующим образом:

  • воздух, подаваемый компрессором, сжигался в камере сгорания с жидким топливом;

  • образовавшиеся газы охлаждались за счет впрыска воды и подавались на импульсную турбину. 


Тепловой КПД составлял около 3 % .

    #Газотурбинный двигатель
    #ГТД

    Последние новости

    Турбовальный двигатель | Техника и человек

     

    Для тех, кто интересуется моторами в целом и их авиационными моделями в частности, турбовальный двигатель в первую очередь ассоциируется с вертолетами, недаром их называют «вертолетными ГТД». Именно здесь ТВаД нашли наибольшее применение и уже не один десяток лет с успехом используются. Но вертолеты – не предел их возможностей, многие другие отрасли машино- и судостроения взяли на вооружение этот тип двигателей, но обо всем по порядку.

    Итак, турбовальный двигатель принадлежит славному семейству газотурбинных двигателей (ГТД) наравне с турбореактивными (ТРД) и турбовинтовыми (ТВД). ГТД представляет собой тепловую машину, в упрощенной схеме состоящую из компрессора и турбины, работающей за счет сжигания топлива в камере сгорания. Наиболее простой его разновидностью является турбореактивный двигатель, в котором энергия от сжигания топлива идет только на вращение компрессора через турбину, а излишек энергии выходит через сопло в виде газов под высоким давлением, образуя реактивную тягу. Но эта энергия может не только «вылетать в трубу», но и выполнять полезную работу, вращая воздушный винт (турбовинтовой двигатель) или вал (турбовальный двигатель). Это и является принципиальной разницей между всеми вышеотмеченными видами моторов семейства ГТД – способ использования свободной энергии.

    Устройство и принцип работы двигателя

    Строение турбовального двигателя в общих чертах напоминает строение ТРД. Основными составляющими являются комрессор, турбина, камера сгорания и вал. В отличие от других газотурбинных двигателей ТВаД совсем не имеет реактивной тяги – вся свободная энергия расходуется на вращение вала, поэтому и сопла, как такового, у него нет, а есть только каналы (своеобразные выхлопные трубы), по которым отводятся отработанные газы. Еще одна особенность ТВаД – наличие не одной, а двух турбин, не связанных между собой механически. Одна турбина приводит в движение компрессор, а вторая – рабочий вал. Между собой они связаны газодинамически. Некоторые модели турбовинтовых двигателей также имеют схожую конструкцию, но не обязательно. В случае с ТВаД турбин всегда две.

    Две основные схемы устройства ТВаД с описание расположенных механизмов. Картинки кликабельны.

    Принцип работы турбовального двигателя тоже не сильно отличается от ТРД или ТВД. Компрессор, приводимый в движение турбиной, нагнетает воздух в камеру сгорания, где он перемешивается с впрыснутым через форсунки топливом. Топливный заряд воспламеняется и сгорает, в результате чего образуются газы с большим запасом энергии. Расширяясь, они вращают турбины, приводя в движение компрессор и вал, а отработанные газы выводятся наружу.

    Компрессор турбовального двигателя имеет несколько ступеней и может быть центробежным, осевым или комбинированным. Комбинированные компрессоры сочетают в себе и центробежные, и осевые ступени.

    Обязательным конструктивным элементом ТВаД, как, впрочем, и турбовинтового двигателя, является редуктор, установленный между турбиной и валом. Сама турбина вращается с угловой скоростью, достигающей 20 000 об/мин. Понятно, что винт, закрепленный на валу и создающий тягу, не сможет работать при такой скорости и выполнять свои функции, ведь тогда ему придется вращаться со сверхзвуковой скоростью. Редуктор, установленный перед валом, понижает обороты и увеличивает крутящий момент, так что скорость вращения лопастей винта вертолета значительно меньше скорости вращения турбины.

    Если турбовинтовые двигатели, которые используются на самолетах, должны иметь компактные размеры, а вал турбины и вал винта у них устанавливаются параллельно в одном корпусе, то к габаритам турбовальных двигателей таких жестких требований нет. Рабочий вал у них может находиться впереди турбины или за ней, в одном корпусе с ней или отдельно. Это объясняется тем, что мотор спрятан в конструкции кабины, где его можно расположить в любом удобном положении. Различают цельные моторы и модульные, состоящие из отдельных модулей, связанных между собой механически. Часто в одном модуле расположены компрессор и турбины, а в другом – рабочий вал, связанный с валом турбины редуктором.

    Легкий американский вертолет AH-6j Little Bird

     

    Применение

    Нашел себе применение турбовальный двигатель и на земле. Правильнее даже говорить, что именно на земле он изначально и использовался, и только после появления авиации, как таковой, «переселился» на небо. Его можно встретить и на транспорте, и на различных магистральных станциях, где он обычно используется, как альтернатива дизельного двигателя. В сравнении с дизелем ТВД более легкий по весу, менее шумный и более мощный, если брать двигатели одного размера.

    В промышленности и народном хозяйства

    ТВаД успешно используется в качестве нагнетателя природного газа на газоперекачивающих станциях. Его нередко можно увидеть на крупных газовых магистралях. Одна из последних разработок газовая турбина T16, мощностью 16 МВт. Короткое видео с применением турбовального двигателя в электроэнергетики.

    Основные показатели:

    • 16,5 МВт — мощность на валу.
    • 37% — КПД, механический привод.
    • 36% — КПД, электрический (простой цикл).
    • 80% — КПД, комбинированное производство электроэнергии и тепла
    • 200 000 часов — полный жизненный цикл
    • выбросы NOx — не более 25 ppm.

    Турбовальные двигатели используются в мобильных электростанциях для привода генератора. Электростанции с данным двигателем занимают меньший объем, аналогичной электростанции с традиционными двигателями.

    В транспортной сфере

    Несмотря на то, что в большинстве случаев турбовальные двигатели описываются, как силовые установки вертолетов, их применение не ограничено только ими. Частенько ТВаД играет роль не основного движителя, а вспомогательной установки. Такими установками обычно оснащаются самолеты, а используются они для питания энергией основных систем судна при его наземном обслуживании. То есть, когда самолет находится на земле, не обязательно запускать его основные моторы для получения электричества или создания давления в гидросистемах, для этого достаточно запуска такой небольшой установки. Также ТВаД используется в качестве пускового агрегата, который проворачивает ротор турбины при запуске. В этом случае он имеет название турбостартер.

    Вид железнодорожного транспорта, на который устанавливается ТВаД, носит название газотурбовоз. Принцип его работы заключается в том, что турбовальный двигатель вращает вал генератора, вырабатывающего электрический ток. Ток поступает на электромоторы, которые, по сути, и являются основной силовой установкой. История газотурбовозов началась в 60-е годы, когда были сконструированы первые опытные образцы, правда, потом они уступили место более известным сейчас электровозам. Вместе с тем с 2007 года возобновились работы по созданию газотурбовозов, и даже был создан пробный экземпляр, работающий на сжиженном газе. Его испытания прошли успешно, так что в скором будущем, возможно, он будет выпускаться серийно.

    Не обошли стороной ТВаД и создатели военной наземной техники. Некоторые танки, в том числе и отечественный Т-80 и американский М1 Abrams, оснащены ТВаД. Короткое видео разработки, внедрения и применения турбовального двигателя на танке.

    Турбовальные двигатели также используются и на водном транспорте, называемом газотурбоходами. К ним относятся суда на воздушной подушке или на подводных крыльях. Наиболее известным отечественным газотурбоходом является военное судно «Зубр» — наиболее крупный десантный корабль на воздушной подушке. Этот гигант известен далеко за пределами России и является мировым рекордсменом среди суден на воздушной подушке по своим габаритам. А вот с отечественными пассажирскими газотурбоходами как-то не сложилось. Судно «Циклон», сконструированное в 80-хх годах, не пережило перестройки и со временем забылось, а новые пассажирские суда, оснащенные ТВаД пока не появились.

    Танк Т-80 с газотурбинным двигателем

    Десантное судно «Зубр»

    Преимущества и недостатки

    Основным преимуществом турбовального двигателя является то, что по сравнения с поршневыми двигателями он более легкий по весу, менее шумный и более мощный, если брать двигатели одного размера. Вся суть турбовального двигателя и заключается, чтоб максимально использовать энергию сгорающего топлива, по сравнению с поршневыми двигателями это реализуется лучшим образом. Тем самым в одном килограмме двигателя можно реализовать конструкцию, более мощную своих цилиндрических сородичей, которая с каждого килограмма топлива будет забирать тепловую энергию и преобразовывать ее в механическую.

    Есть у турбовального двигателя и недостатки. Первый из них – сравнительно большой расход топлива и, соответственно, низкий КПД, несмотря на высокие показатели мощности. Именно этот недостаток объясняет его ограниченное применение на наземном транспорте, где его можно заменить более эффективными силовыми установками. Второй недостаток – чувствительность к загрязнениям. Компрессор, втягивая воздух в камеру сгорания, заодно всасывает и пыль, и посторонние предметы, что сказывается на качестве работы двигателя и на его исправность в целом. На высоких оборотах даже незначительные твердые частички могут повредить лопасти турбины. Поэтому ТВаД нуждается в надежной системе тщательной очистки воздуха, а расходы на нее далеко не всегда оправданы – в большинстве случаев намного проще и дешевле использовать традиционный дизель. Это еще одна причина, по которой эти двигатели в основном используются в воздухе: там и грязи меньше, и птицы летают ниже высоты полета, так что нормальной работе компрессора и турбины ничего не мешает. Зато масса ТВаД намного меньше любого поршневого двигателя, а это в авиации немаловажно.

    Турбовальные двигатели – это действительно в первую очередь «сердца» вертолетов, а уж потом все остальное. Именно эти стальные «стрекозы» дают возможность оценить основные преимущества ТВаД, ну а недостатки в этом случае совсем незначительны.

    Как работают газотурбинные электростанции

    Управление
    Управление ископаемой энергией и выбросами углерода

    Изображение

    Турбины внутреннего сгорания (газовые), устанавливаемые на многих современных электростанциях, работающих на природном газе, представляют собой сложные машины, но в основном состоят из трех основных секций:

    • нагнетает его и подает в камеру сгорания со скоростью сотни миль в час.
    • Система сгорания , обычно состоящая из кольца топливных форсунок, которые впрыскивают постоянный поток топлива в камеры сгорания, где оно смешивается с воздухом. Смесь сгорает при температуре более 2000 градусов по Фаренгейту. В результате сгорания образуется высокотемпературный поток газа под высоким давлением, который входит и расширяется через секцию турбины.
    • Турбина представляет собой сложную систему чередующихся стационарных и вращающихся лопастей с аэродинамическим профилем. Когда горячий дымовой газ расширяется через турбину, он вращает вращающиеся лопасти. Вращающиеся лопасти выполняют двойную функцию: они приводят в действие компрессор, чтобы накачать больше сжатого воздуха в секцию сгорания, и вращают генератор для производства электроэнергии.

    Наземные газовые турбины бывают двух типов: (1) двигатели с тяжелой рамой и (2) авиационные двигатели. Двигатели с тяжелой рамой характеризуются более низким коэффициентом давления (обычно ниже 20) и, как правило, имеют большие физические размеры. Степень сжатия – это отношение давления нагнетания компрессора к давлению воздуха на входе. Авиационные двигатели произошли от реактивных двигателей, как следует из названия, и работают при очень высокой степени сжатия (обычно более 30). Авиационные двигатели, как правило, очень компактны и полезны там, где требуется меньшая выходная мощность. Поскольку турбины с большой рамой имеют более высокую выходную мощность, они могут производить большее количество выбросов и должны быть спроектированы для достижения низкого уровня выбросов загрязняющих веществ, таких как NOx.

    Одним из ключевых факторов эффективности отношения топлива к мощности турбины является температура, при которой она работает. Более высокие температуры обычно означают более высокую эффективность, что, в свою очередь, может привести к более экономичной работе. Газ, протекающий через турбину типичной электростанции, может иметь температуру до 2300 градусов по Фаренгейту, но некоторые из критических металлов в турбине могут выдерживать температуры только до 1500–1700 градусов по Фаренгейту. Следовательно, воздух из компрессора может использоваться для охлаждения. ключевые компоненты турбины, снижая предельную тепловую эффективность.

    Одним из главных достижений программы Министерства энергетики США по созданию усовершенствованных турбин стало преодоление прежних ограничений по температуре турбины за счет сочетания инновационных технологий охлаждения и передовых материалов. Усовершенствованные турбины, появившиеся в результате исследовательской программы Департамента, смогли повысить температуру на входе в турбину до 2600 градусов по Фаренгейту, что почти на 300 градусов выше, чем в предыдущих турбинах, и достичь эффективности до 60 процентов.

    Другим способом повышения эффективности является установка рекуператора или парогенератора-утилизатора (HRSG) для извлечения энергии из выхлопных газов турбины. Рекуператор улавливает отработанное тепло в выхлопной системе турбины для предварительного нагрева нагнетаемого компрессором воздуха перед его подачей в камеру сгорания. Котел-утилизатор вырабатывает пар, улавливая тепло выхлопных газов турбины. Эти котлы также известны как парогенераторы-утилизаторы. Пар высокого давления из этих котлов можно использовать для выработки дополнительной электроэнергии с помощью паровых турбин, конфигурация которых называется комбинированным циклом.

    Газовая турбина простого цикла может достигать эффективности преобразования энергии в диапазоне от 20 до 35 процентов. Благодаря более высоким температурам, достигнутым в программе турбин Министерства энергетики, будущие электростанции с комбинированным циклом, работающие на водороде и сингазе, вероятно, достигнут эффективности 60 процентов или более. Когда отработанное тепло улавливается из этих систем для отопления или промышленных целей, общая эффективность энергетического цикла может достигать 80 процентов.

     

    Что такое газовая турбина и как она работает? (Для начинающих)

    В этой статье и видео ниже вы узнаете, что такое газовая турбина и как она работает в очень удобном формате.

    Двумя наиболее распространенными сферами применения газовых турбин в современной промышленности являются турбогенераторы и турбокомпрессоры.

    Пытаюсь приблизиться к газотурбогенератору (ГТГ), чтобы лучше прочувствовать предмет.

    Обзор газовой турбины

    Итак, как работает газовая турбина? На газотурбинной электростанции есть генератор, представляющий собой электрическую машину. Но для выработки электроэнергии этому генератору нужен первичный двигатель, которым в моем примере является газовая турбина.

    Газовая турбина преобразует химическую энергию топлива, например, природного газа или аналогичного топлива, в механическую энергию.

    Механическая энергия, генерируемая выходным валом турбины, затем передается через редуктор на вал генератора.

    Теперь мой генератор может вырабатывать электроэнергию.

    Эта примитивная форма электрической энергии обычно имеет низкий или средний уровень напряжения, и для лучшего управления потерями мощности в линиях электропередачи это напряжение следует повышать с помощью повышающих трансформаторов.

    Такие трансформаторы обеспечивают необходимый уровень напряжения для электрической энергии, которая будет передаваться по линиям электропередачи и доставляться в сеть.

    После этого краткого обзора примера приложения газовой турбины я собираюсь более подробно изучить механизм газовой турбины.

    Газовая турбина Основные принципы работы

    Во-первых, представьте себе ракету, в которой сгорает некоторое количество топлива и образуется выхлопной газ под высоким давлением. В соответствии с законом сохранения энергии химическая энергия топлива преобразуется в механическую энергию выхлопных газов высокого давления.

    При запуске ракеты тяга выхлопных газов толкает ракету вперед. Этого количества ракетостроения мне достаточно, и теперь предположим, что я закрепил корпус ракеты прочной механической конструкцией, чтобы предотвратить ее движение. Что произойдет?

    Выхлопной газ высокого давления должен быть выпущен, и у него не будет другого пути, кроме как назад!

    Теперь помните об этой конструкции и представьте, что я поставил набор лопаток турбины на пути этого обратного выхлопа высокого давления.

    Вы видите, что высвобождение механической энергии, которое в основном происходит в «линейном» обратном направлении, будет большей частью трансформироваться в своего рода «вращательное» движение вала турбины, и пока я бы сказал, что это большой успех, т.е. преобразование химической энергии топливного газа в механическую энергию вращения вала турбины.

    Теперь у меня есть «Первичный двигатель» для моего генератора в приведенном выше примере электростанции. Кроме того, эта концепция первичного двигателя может использоваться в различных приложениях, таких как турбокомпрессоры и т. п.

    Теперь, когда я изучил основы газовых турбин, давайте сосредоточимся на современной газовой турбине и ее компонентах.

    Компоненты газовой турбины

    Скорее всего, вы знаете о «Треугольнике огня» или «Треугольнике горения», которые иллюстрируют необходимые ингредиенты огня или горения, т.е. « Топливо» , « Воздух» и « Тепло» .

    Чтобы преобразовать химическую энергию топливного газа в механическую энергию, топливо должно сжигаться в «камере сгорания» газовой турбины, поэтому мне нужен воздух и тепло, добавляемые к топливу.

    Воздух подается в газовую турбину через «Воздухозаборник» и смешивается с соответствующим количеством природного газа. Соотношение воздух/газ определяется на основе удельной теплотворной способности газа и качества воздуха, количества влаги, высоты над уровнем моря и так далее.

    Теперь в дело вступает система зажигания, которая создает первоначальные искры, благодаря чему обеспечивается тепло.

    При установлении и стабилизации пожара в камере сгорания система зажигания будет выведена из строя.

    Наиболее важным процессом при нормальной работе турбины является управление сгоранием и производство надлежащего количества выхлопных газов под высоким давлением.

    Этот выхлопной газ подается на лопатки турбины и после вращения вала турбины направляется в выхлопную трубу.

    Судя по этому беглому обзору ключевых компонентов газовой турбины, пришло время уменьшить высоту и доработать систему.

    Приборы для газовых турбин

    Как упоминалось ранее, воздух подается в газовую турбину через воздухозаборник.

    Воздух подвержен загрязнению или содержит некоторые нежелательные частицы, которые могут повредить систему и ухудшить общую производительность. Просеивание и фильтрация являются основными требованиями к поступающему воздуху.

    Кроме того, на воздуховоде установлены соответствующие приборы для контроля давления тяги и температуры.

    В неблагоприятных условиях воздух может нуждаться в предварительном подогреве или кондиционировании. Кроме того, контроль перепада давления на воздушных фильтрах предупредит оператора турбины о засорении фильтра.

    Кондиционированный воздух подается в «турбинный воздушный компрессор » , который представляет собой осевой компрессор, состоящий из многоступенчатых лопаток, радиально установленных на входном валу турбины.

    Давление нагнетания и температура воздушного компрессора контролируются для управления качеством сгорания в камере сгорания.

    «Топливный газ» является ключевым фактором в конструкции и эксплуатации газовой турбины. Производителям необходимо знать особенности топливного газа, и только на основе его характеристик они могут гарантировать работоспособность своих газовых турбин.

    Также контролируются давление и температура топливного газа во время нормальной работы газовой турбины.

    Существуют различные технологии правильного смешивания воздуха и газа и обеспечения эффективного сгорания от производителя к производителю.

    Камеры сгорания представляют собой трубчатые жаропрочные конструкции, впрыск топлива в которые осуществляется обычно по окружности и в разных местах поперечного сечения.

    Температура в различных местах камеры сгорания тщательно контролируется с помощью соответствующих датчиков, таких как термопары.

    Эта зона высокой температуры/высокого давления в конструкции газовой турбины имеет наивысший уровень важности для контроля и управления.

    Также технологии, используемые при проектировании и строительстве камеры сгорания, являются одними из самых передовых.

    Теперь, когда смешивание воздуха и газа хорошо организовано и сгорание происходит должным образом, образуется большое количество выхлопных газов высокого давления/высокой температуры, которые следует подавать на лопатки газовой турбины, чтобы обеспечить вращение выходного вала турбины. достижимый.

    На этом этапе необходимо тщательно контролировать высокие обороты ротора газовой турбины, и в зависимости от нагрузки, создаваемой турбиной, помпаж турбины приобретает первостепенное значение для производительности турбины и ее защиты.

Posted inДвигатель