На рис. 9.22 представлена схема одновального идеализированного ГТД, состоящего из центробежного компрессора, высокотемпературного источника тепловой энергии (нагревателя), соплового аппарата, осевой турбины, низкотемпературного источника тепловой энергии (холодильника), редуктора и пускового устройства (стартера). Рабочее тело в таком тепловом двигателе движется по замкнутой траектории и не покидает пределов двигателя. Это позволяет заключить, что рассматриваемый идеализированный ГТД работает по замкнутому циклу.
| Нагреватель
Подвода тепловой энергии |
Пуск двигателя осуществляется с помощью электрического стартера, а затем его работа поддерживается самим двигателем автоматически. При пуске стартер раскручивает ротор турбины и компрессора, соединенные валом. Компрессор за счет действия центробежных сил перемещает рабочее тело к периферии[27]. Рабочее тело движется от компрессора в сторону турбинной ступени, так как за турбиной давление ниже (равно атмосферному давлению р0). Давление рабочего тела на выходе из компрессора определяется характеристиками компрессора и турбинной ступени (соплового аппарата). Рабочее тело после компрессора проходит через диффузор[28], где его давление увеличивается до pi. От высокотемпературного источника энергии рабочему телу передается энергия в тепловой форме в количестве Qi. В результате нагревания внутренняя энергия (и температура) рабочего тела увеличиваются, а давление не изменяется (р = Idem).
Это обусловлено тем, что в процессе нагревания рабочее тело находится в открытом пространстве (справа и слева от него нет ограничивающих стенок). Рассматриваемое рабочее тело, как и любое другое тело, в результате нагревания несколько расширяется. Далее, поступая в турбинную ступень (сопловой аппарат и рабочее колесо), рабочее тело также расширяется[29]. В некоторых типах турбинных ступеней рабочее тело расширяется только в сопловом аппарате. В результате расширения давление рабочего тела уменьшается от р\ до р0> а, скорость рабочего тела увеличивается, т. е. потенциальная энергия давления преобразуется в кинетическую энергию потока. В рабочем колесе компрессора поток рабочего тела отдает кинетическую энергию колесу, в результате чего оно вращается, приводя в движение внешние агрегаты через понижающий редуктор.
Таким образом, ГТД, как и поршневой двигатель, в своем составе имеет расширительную машину. Это еще раз доказывает, что процесс преобразования энергии из тепловой формы в механическую форму и обратно в циклически работающих машинах сопровождается сжатием и расширением рабочего тела.
После турбинной ступени рабочее тело поступает в холодильник, где отдает часть своей внутренней энергии окружающей среде. Энергия отводится в форме теплоты. В дальнейшем рабочее тело поступает в компрессор, и процесс повторяется.
Таким образом, в ГТД рабочее тело находится в непрерывном движении. Это позволяет непрерывно подводить к нему энергию в тепловой форме (в нагревателе) и также непрерывно отводить ее (в холодильнике). В поршневом двигателе процессы подвода энергии к рабочему тела и отвода ее в окружающую среду происходят прерывисто. Этот факт обуславливает некоторое преимущество ГТД перед поршневым двигателем. При прочих равных условиях характеристики ГТД должны быть лучше по сравнению с поршневым двигателем. Тем не менее, на практике выигрыш оказывается несущественным. Несмотря на это, ГТД получили широкое распространение, особенно в авиации.
paruem.ru
Га́зовая турби́на (фр. turbine от лат. turbo вихрь, вращение) — это двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого энергия сжатого и/или нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу.[1][2] Горение топлива может происходить как вне турбины, так и в самой турбине.[источник не указан 404 дня] Основными элементами конструкции являются ротор (рабочие лопатки, закреплённые на дисках) и статор, выполненный в виде выравнивающего аппарата (направляющие лопатки, закреплённые в корпусе).
Газовые турбины используются в составе газотурбинных двигателей, стационарных газотурбинных установок (ГТУ) и парогазовых установок (ПГУ).
Попытки создать механизмы, похожие на турбины, делались очень давно. Известно описание примитивной паровой турбины, сделанное Героном Александрийским (1 в. до н. э.). В восемнадцатом веке англичанин Джон Барбер получил патент на устройство, которое имело большинство элементов, присутствующих в современных газовых турбинах. В 1872 году Франц Столц разработал газотурбинный двигатель.[источник не указан 404 дня] Однако только в конце XIX века, когда термодинамика, машиностроение и металлургия достигли достаточного уровня, Густаф Лаваль (Швеция) и Чарлз Парсонс (Великобритания) независимо друг от друга создали пригодные для промышленного использования паровые турбины.[3]
| В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 11 ноября 2011. |
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.
Упорные подшипники и радиальные подшипники являются критическими элементом разработки. Традиционно они были гидродинамические, или охлаждаемые маслом шарикоподшипники. Их превзошли воздушные подшипники, которые успешно используются в микротурбинах и вспомогательных силовых установках.
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.
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 использыванием абсорбционных холодильных машинах в системах хладоснабжения. Одновременное использование выхлопа для получения тепла и холода называется режимом тригенерации. Коэффициент использования топлива в тригенераторном режиме, в сравнении с когенераторным может достигать более 90 %.[источник не указан 404 дня]
Турбины в больших промышленных газовых турбинах работают на синхронных с частотой переменного тока скоростях — 3000 или 3600 оборотов в минуту (об./мин.).[источник не указан 404 дня]
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 емкости. 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. Типичная турбина простого цикла может выдавать от 100 до 300 мегаватт (МВт) мощности и иметь тепловой КПД 35-40 %.[источник не указан 404 дня] Максимальные КПД турбин простого цикла достигает 41 %.[источник не указан 404 дня]
Отчасти, успех микротурбин обусловлен развитием электроники, делающей возможной работу оборудования без вмешательства человека. Микротурбины применяются в самых сложных проектах автономного электроснабжения.
| В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 11 ноября 2011. |
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 и мощности. А также то, почему в аэропортах при короткой стыковке двигатели самолета не останавливают - излишне потребленное топливо дешевле ремонта турбин из-за пусков-остановов.
| В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 13 мая 2011. |
dic.academic.ru
Поршневые и газотурбинные двигатели существенно отличаются кинематическими схемами. В поршневых двигателях внутреннего сгорания к необходимым элементам относятся шатунно-кривошипный механизм, маховик возвратно-поступательное движение поршня создает неравномерность работы. Перечисленные особенности конструкций поршневых двигателей внутреннего сгорания являются вместе с тем и недостатками этих двигателей. К недостаткам поршневых ДВС следует также отнести ограничения по единичной мощности двигателя. В газотурбинных установках нет возвратно-поступательно движущихся частей установки, что в сочетании с ротационным принципом движения обеспечивает возможность концентрации большой мощности в одной установке. [c.133]
Сформулированы основные принципы создания композиционного материала с покрытиями Ме—Сг—А1, отличающегося физико-химической устойчивостью в условиях работы судовых газотурбинных двигателей в течение планируемого срока службы. На примере электронно-лучевого покрытия Со—Сг—AI—У показана взаимосвязь между физическими свойствами конденсатов, их структурой и интенсивностью коррозионной повреждаемости. [c.244]Широкий диапазон изменения высот и скоростей полета и изменяющийся характер требований к обеспечению летных характеристик затрудняют создание единой силовой установки, высокоэффективной во всем диапазоне режимов работы, для летательных аппаратов различных классов. Существуют как области возможного и рационального применения дозвуковых и сверхзвуковых самолетов, винтокрылых летательных аппаратов, определяемые законами аэродинамики и конструкцией этих аппаратов, так и области возможного и рационального использования газотурбинных двигателей различных типов, определяемые параметрами и характером протекания процессов в них, принципами обеспечения тяговых характеристик силовой установки. [c.236]
Заканчивая рассмотрение принципа действия ГТУ и проблемы экономичности таких установок в различных областях их применения, можно сказать следуюш ее. Принципиальные схемы ГТУ, в основном, созданы, и борьба ведется за достижение таких параметров их работы, которые обеспечивали бы высокую экономичность, большую удельную мош ность и надежность установок. Одна из важнейших задач в газотурбостроении — повышение экономичности установок. Экономичность ГТУ может быть увеличена повышением рабочей температуры и соответственно степени сжатия установки или использованием отработанного тепла путем регенерации тепла отходящих газов. Повышение рабочей температуры возможно благодаря применению все более и более жаропрочных сталей или введению охлаждения рабочих элементов турбины, главным образом, рабочих лопаток. Использование отработанного тепла позволяет создавать новые принципиальные схемы работы установок и добиваться значительного повышения экономичности при доступных уже теперь рабочих температурах, но требует включения теплообменников в схему работы установки это усложняет схему и увеличивает габариты газотурбинного двигателя. [c.141]
Второе направление — создание малотоксичных двигателей для автомобилей. Такие двигатели базируются на других принципах работы, чем применяемые теперь карбюраторные и дизельные. В качестве возможных малотоксичных двигателей автомобилей исследуются газотурбинный внешнего сгорания — двигатель Стирлинга и паровой электрический с аккумуляторной батареей электрический с топливными элементами. [c.25]
Третье издание учебника имеет следующее построение курса. Часть первая Основные законы термодинамики . Гл, 1 Введение гл, 2 Первое начало термодинамики гл. 3 Второе начало термодинамики (сущность второго начала термодинамики интегрирующий делитель для выражения элементарного количества тепла энтропия аналитическое выражение второго начала термодинамики полезная внешняя работа термодинамические потенциалы и характеристические функции тепловая теорема Нернста дифференциальные уравнения термодинамики в частных производных статистическое толкование второго начала термодинамики) гл. 4 Термодинамическое равновесие гл. 5 Термодинамические процессы гл. 6 Газы и их смеси гл. 7 Насыщенные влажные и перегретые пары гл. 8 Течение газов и паров гл. 9 Общий термодинамический метод анализа циклов тепловых двигателей . Часть вторая Рабочие циклы тепловых двигателей . Гл. 10 Сжатие газов и паров гл. 11 Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания гл. 12 Циклы газотурбинных установок и реактивных двигателей гл. 13 Циклы паросиловых установок гл. 14 Циклы холодильных машин гл. 15 Термодинамические принципы получения теплоты гл. 16 Термодинамика химических реакций . [c.349]
У газотурбовозов, как уже отмечалось, основным двигателем является газовая турбина. По сравнению с поршневыми двигателями газотурбинные имеют ряд преимуществ газовая турбина может работать на низкосортном жидком топливе (мазуте) в одном силовом агрегате концентрируется большая мощность при небольших объемных габаритах (удельная мощность 0,5—2,0 кг/л. с.) число деталей в турбине значительно меньше, чем в поршневом двигателе, следовательно, сокращаются ремонтные расходы и стоимость отсутствие поверхностей трения, иной принцип охлаждения деталей позволяют уменьшить расход смазки в 7—10 раз по сравнению с поршневым двигателем возможность применения жестких передач (механической и др.). [c.138]
Существенным недостатком двигателей внутреннего сгорания являются возвратно-поступательное движение поршня н наличие больших инерционных усилий, что не позволяет создавать поршневые двигатели больших мощностей с малыми габаритными размерамй и массой. В газовой турбине, как и в двигателе внутреннего сгорании, рабочим телом являются продукты сгорания жидкого или газообразного топлива, но возвратно-поступательное движение заменено вращательным движением колеса под действием струи газа (рис. 7.3, а). Кроме того, в турбине осуществляется полное адиабатное расширение продуктов сгорания до давления наружного воздуха, с чем связан дополнительный выигрыш работы (ил. 4 414 на рис. 7.3, б). Это обстоятельство, а также ротационный принцип работы газотурбинного двигателя позволяют выполнять его быстроходным, с высокой частотой вращения, большой мощности в (Отдельном агрегате при умеренных размерах и небольшой массе. [c.115]
После рассмотрения принципа работы газотурбинного двигателя изучим его диаграмму. Термодинамический цикл начинается в компрессоре 2, где происходит адиабатическое сжатие воздуха, поступившего из окружающей среды. На гу-диаграмме этот процесс отображается адиабатой АС (рис. 9.4, а). Далее в камере 3 при сгорании происходит подвод теплоты. В двигателях с подводом теплоты Q, при постоянном давлении (цикл Брайтона) это осуществляется по изобаре Z], а в двигателях с подводом теплоты Q, ( при постоянном объеме (цикл Гемфри) — по изохоре Z . Затем в турбине происходят адиабатический процесс расширения газа по линии Z E (или ZiE) и условный изобарический процесс отвода теплоты Q,i — выброс газовой смеси продуктов сгорания (линия ЕА на рис. 9.4, а). [c.112]
Регенератор обычно изготавливается из пористого материала, образующего длинный извилистый канал для протекающего по нему рабочего тела, чтобы обеспечить наибольщую площадь поверхности контакта между материалом регенератора и газом. Высокие значения суммарного коэффициента теплоотдачи в регенераторе достигаются не только за счет развитых теплообменных поверхностей, но п за счет малых гидравлических диаметров. Эти факторы обеспечивают близкую к единице эффективность регенеративных теплообменников при условии, что теплоемкость материала существенно больше теплоемкости рабочего тела. Это условие в общем ограничивает использование регенераторов случаем систем с газообразным рабочим телом. Регенераторы используются на различных крупных предприятиях типа доменных и стеклоплавильных печей, а также на газотурбинных станциях. Эти регенераторы обычно представляют собой крупные теплообменники, размеры которых достигают 40 м и в которых направление потока не меняется в течение периодов, составляющих многие часы. Регенераторы, применяющиеся в современных двигателях Стирлинга, считаются большими, если их диаметр превышает 60 мм, а периоды движения потока в одном направлении составляют несколько миллисекунд. Поэтому большая часть подробных аналитических результатов, полученных для крупных инерционных регенераторов, вряд ли применима для регенераторов двигателя Стирлинга, хотя основные концепции и принципы работы являются, по существу, одинаковыми. В регенераторах малого размера гораздо больщее значение имеют такие факторы, как аэродинамическое сопротивление, влияние стенки кожуха регенератора и задержка рабочего тела. Последний эффект вызван тем, что некоторая часть рабочего тела не может пройти весь канал регенератора. и задерживается внутри него на несколько циклов вследствие сложности природы колеблющегося и возвратного течения, а это отрицательно влияет на характеристики теплообмена в регенераторе. [c.251]
Термический коэффициент полезного действия газовой турбины не меньше к.п.д. других тепловых двигателей. Известно, что в поршневых дв1игателях невозможно осуществить адиабатное расширение до атмосферного давления. Когда поршень доходит до нижнего крайнего положения (точка 4 на фиг. 8. 2, 8. 5), то в цилиндре двигателя существует еще давление выше атмосферного и этот перепад давления (р4—рг) не используется для совершения поршнем работы, т. е. дальнейшее расширение рабочего агента не осуществляется, открываются выхлопные клапаны, в процессе истечения газов давление в цилиндре падает до атмосферного давления. Следовательно, в силу самого принципа работы дв1игателя использовать перепад Р4—Р1 невозможно, что приводит к потере определенной работы. В газотурбинных же двигателях полное расширение вполне осуществимо, что увеличивает Т1( цикла. [c.174]
Главная энергетическая установка двухвальная, газотурбинная, размещена в двух машинных отделениях в каждом два газотурбинных двигателя (ГТД) Олимпус . Воздухозаборники двигателей проходят в верхней части правого и левого борта корабля. ГТД работают на трехступенчатый редуктор с гидродинамической муфтой, обеспечивающей реверс гребного вала. Гребной винт постоянного шага. ГТД могут работать одновременно и порознь, так что при необходимости можно производить их ремонт и замену на ходу в море. Все двигатели однотипные, что облегчает обслуживание и ремонт. Номенклатура и объем запчастей главной энергетической установки основаны на принципе агрегатного ремонта. В частности, по данным зарубежной печати, на корабле имеются два резервных газотурбинных двигателя. [c.35]
Следует учитывать основной принцип оптимизации оценка качества системы данного класса определяется эффективностью ее функционирования в системе более высокого класса. Например, качество ступени компрессора следует оценивать по ее влияняю на работу всего компрессора. В свою очередь, эффективность компрессора должна оцениваться в системе более высокого класса (например, газотурбинного двигателя и т. д.). Естественно, что по мере расширения класса цели оптимизации становятся более общими. Однако в практических расчетах в большинстве случаев можно использовать локальную или внутреннюю оптимизацию элементов, узлов и всего изделия, которая, как правило, оказывается полезной и для глобальной оптимизации. К целям локальной оптимизации относятся максимум экономичности (максимум коэффициента полезного действия), минимум массы, минимум трудоемкости изготовления и др. [c.623]
Во второй части рассматривается второй закон термодинамики и его основополагающая роль в теории тепловых машин, включая ДВС. Значительное внимание уделено циклическим процессам. Приведены основы анализа эффективности работы тепловых машин с помощью эк-сергетического метода. Особое внимание обращено на идеализированные и действительные циклы ДВС, сгорание топлива в них. Рассматриваются принципы работы компрессоров различных типов и турбин. Изложены основы теории теплообмена и химической термодинамики. Даны описания теплоэнергетических установок, рассмотрены принципы работы поршневых, газотурбинных, реактивных и ракетных двигателей. [c.2]
Возникла идея разработки газотурбинного двигателя, в котором горение топлива происходит не при постоянном давлении р = onst, а при постоянном объеме V = onst (рис. 12.2). Такая газотурбинная установка работает по следующему принципу. В камеру сгорания 3 через воздушный клапан 4 от компрессора 1 подают воздух, который через газовый клапан 6 вытесняет оставшиеся продукты сгорания. При заполнении камеры воздухом открывается топливный клапан 2, через который поступает топливо. После заполнения камеры воздухом и топливом все клапаны закрываются и при помощи запального устройства 5 смесь воспламеняется. Топ- [c.368]
Так как поведение многих технически важных газов и ях смесей в условиях работы ряда тепловых машин не дает значительных отклонений в свойствах, описываемых уравнением Клап( йрона то расчет двигателей внутреннего сгорания, газотурбинных установок, жидкостно-ракетных двигателей существенно упрощается. Некоторые принципы построения уравнения состояния реальных газов рассматриваются в гл. IX. [c.19]
mash-xxl.info
