Газотурбинный двигатель (ГТД) — один из видов теплового двигателя, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины. Газотурбинная установка состоит из трех основных элементов: газовой турбины, камер сгорания и воздушного компрессора.
Превращение теплоты в работу осуществляется в нескольких агрегатах ГТД (рис.1)
Рис. 1. Схема газотурбинного двигателя:
ТН – топливный насос; КС – камера сгорания; К – компрессор; Т – турбина; ЭГ – электрогенератор.
Из атмосферы в компрессор поступает чистый воздух. В компрессоре его давление увеличивается и температура растет. На привод компрессора приходится отбирать значительную часть мощности турбины.
Газотурбинные установки, работающие по такой схеме, называют установками открытого цикла. Большинство современных ГТУ работает по этой схеме.
Рис. 2. Цикл газотурбинного двигателя.
Заменив сгорание топлива изобарным подводом теплоты (линия 2-3 на рис. 2), а охлаждение выброшенных в атмосферу продуктов сгорания – изобарным отводом теплоты (линия 1-4), получается цикл ГТД:
1-2 – сжатие рабочего тела от атмосферного давления до давления в двигателе;
2-3 – горение в камере;
3-4 – процесс адиабатного расширения рабочего тела;
4-1 – отработанные газы выбрасываются в атмосферу
Кроме того, применяются замкнутые ГТУ (рис. 3). В замкнутых ГТУ также имеются компрессор 3 и турбина 2. Вместо камеры сгорания используется источник теплоты 1, в котором теплота передается рабочему телу без перемешивания с топливом. В качестве рабочего тела может применяться воздух, углекислый газ, пары ртути или другие газы.
Рабочее тело, давление которого повышено в компрессоре, в источнике теплоты 1 нагревается и поступает в турбину 2, в которой отдает свою энергию. После турбины газ поступает в промежуточный теплообменник 5 (регенератор), в котором он подогревает воздух, а затем охлаждается в охладителе 4, поступает в компрессор 3, и цикл повторяется, В качестве источника теплоты могут использоваться специальные котлы для нагрева рабочего-тела энергией сжигаемого топлива или атомные реакторы.
Рис. 3. Схема газотурбинного двигателя, работающего по замкнутому циклу: 1 — поверхностный нагреватель; 2 — турбина; 3 — компрессор; 4 — охладитель; 5 — регенератор; 6 — аккумулятор воздуха; 7 — вспомогательный компрессор.
studfiles.net
Газотурбинные установки (ГТУ) представляют собой единый, относительно компактный энергетический комплекс, в котором спаренно работают силовая турбина и генератор. Система получила широкое распространение в так называемой малой энергетике. Отлично подходит для электро- и теплоснабжения крупных предприятий, отдаленных населенных пунктов и прочих потребителей. Как правило, ГТУ работают на жидком топливе либо газе.
В наращивании энергетических мощностей электростанций главенствующая роль переходит к газотурбинным установкам и их дальнейшей эволюции – парогазовым установкам (ПГУ). Так, на электростанциях США с начала 1990-х более 60 % вводимых и модернизируемых мощностей уже составляют ГТУ и ПГУ, а в некоторых странах в отдельные годы их доля достигала 90 %.
В большом количестве строятся также простые ГТУ. Газотурбинная установка – мобильная, экономичная в эксплуатации и легкая в ремонте – оказалась оптимальным решением для покрытия пиковых нагрузок. На рубеже веков (1999-2000 годы) суммарная мощность газотурбинных установок достигла 120 000 МВт. Для сравнения: в 80-е годы суммарная мощность систем этого типа составляла 8000-10 000 МВт. Значительная часть ГТУ (более 60 %) предназначались для работы в составе крупных бинарных парогазовых установок со средней мощностью порядка 350 МВт.
Теоретические основы применения парогазовых технологий были достаточно подробно изучены у нас в стране еще в начале 60-х годов. Уже в ту пору стало ясно: генеральный путь развития теплоэнергетики связан именно с парогазовыми технологиями. Однако для их успешной реализации были необходимы надежные и высокоэффективные газотурбинные установки.
Именно существенный прогресс газотурбостроения определил современный качественный скачок теплоэнергетики. Ряд зарубежных фирм успешно решили задачи создания эффективных стационарных ГТУ в ту пору, когда отечественные головные ведущие организации в условиях командной экономики занимались продвижением наименее перспективных паротурбинных технологий (ПТУ).
Если в 60-х годах коэффициент полезного действия газотурбинных установок находился на уровне 24-32 %, то в конце 80-х лучшие стационарные энергетические газотурбинные установки уже имели КПД (при автономном использовании) 36-37 %. Это позволяло на их основе создавать ПГУ, КПД которых достигал 50 %. К началу нового века данный показатель был равен 40 %, а в комплексе с парогазовыми – и вовсе 60 %.
В парогазовых установках, базирующихся на ГТУ, ближайшей и реальной перспективой стало получение КПД 65 % и более. В то же время для паротурбинных установок (развиваемых в СССР), только в случае успешного решения ряда сложных научных проблем, связанных с генерацией и использованием пара сверхкритических параметров, можно надеяться на КПД не более 46-49 %. Таким образом, по экономичности паротурбинные системы безнадежно проигрывают парогазовым.
Существенно уступают паротурбинные электростанции также по стоимости и срокам строительства. В 2005 году на мировом энергетическом рынке цена 1 кВт на ПГУ мощностью 200 МВт и более составляла 500-600 $/кВт. Для ПГУ меньших мощностей стоимость была в пределах 600-900 $/кВт. Мощные газотурбинные установки соответствуют значениям 200-250 $/кВт. С уменьшением единичной мощности их цена растет, но не превышает обычно 500 $/кВт. Эти значения в разы меньше стоимости киловатта электроэнергии паротурбинных систем. Например, цена установленного киловатта у конденсационных паротурбинных электростанций колеблется в пределах 2000-3000 $/кВт.
Установка включает три базовых узла: газовую турбину, камеру сгорания и воздушный компрессор. Причем все агрегаты размещаются в сборном едином корпусе. Роторы компрессора и турбины соединяются друг с другом жестко, опираясь на подшипники.
Вокруг компрессора размещаются камеры сгорания (например, 14 шт.), каждая в своем отдельном корпусе. Для поступления в компрессор воздуха служит входной патрубок, из газовой турбины воздух уходит через выхлопной патрубок. Базируется корпус ГТУ на мощных опорах, размещенных симметрично на единой раме.
В большинстве установок ГТУ используется принцип непрерывного горения, или открытого цикла:
В отличие от предыдущей конструктивной схемы, в установках прерывистого горения применяются два клапана вместо одного.
Переходя к практической реализации того или иного термодинамического цикла, конструкторам приходится сталкиваться с множеством непреодолимых технических препятствий. Наиболее характерный пример: при влажности пара более 8-12 % потери в проточной части паровой турбины резко возрастают, растут динамические нагрузки, возникает эрозия. Это в конечном счете приводит к разрушению проточной части турбины.
В результате указанных ограничений в энергетике (для получения работы) широкое применение пока находят только два базовых термодинамических цикла: цикл Ренкина и цикл Брайтона. Большинство энергетических установок строится на сочетании элементов указанных циклов.
Цикл Ренкина применяют для рабочих тел, которые в процессе реализации цикла совершают фазовый переход, по такому циклу работают паросиловые установки. Для рабочих тел, которые не могут быть сконденсированы в реальных условиях и которые мы называем газами, применяют цикл Брайтона. По этому циклу работают газотурбинные установки и двигатели ДВС.
Подавляющее большинство ГТУ рассчитаны на работу на природном газе. Иногда жидкое топливо используется в системах малой мощности (реже – средней, очень редко – большой мощности). Новым трендом становится переход компактных газотурбинных систем на применение твердых горючих материалов (уголь, реже торф и древесина). Указанные тенденции связаны с тем, что газ является ценным технологическим сырьем для химической промышленности, где его использование часто более рентабельно, чем в энергетике. Производство газотурбинных установок, способных эффективно работать на твердом топливе, активно набирает обороты.
Принципиальное отличие двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных комплексов сводится к следующему. В ДВС процессы сжатия воздуха, сгорания топлива и расширения продуктов сгорания происходят в пределах одного конструктивного элемента, именуемого цилиндром двигателя. В ГТУ указанные процессы разнесены по отдельным конструктивным узлам:
В результате конструктивно газотурбинные установки и ДВС мало похожи, хотя работают по схожим термодинамическим циклам.
С развитием малой энергетики, повышением ее КПД системы ГТУ и ПТУ занимают все большую долю в общей энергосистеме мира. Соответственно, все более востребована перспективная профессия машинист газотурбинных установок. Вслед за западными партнерами ряд российских производителей освоили выпуск экономически эффективных установок газотурбинного типа. Первой парогазовой электростанцией нового поколения в РФ стала Северо-Западная ТЭЦ в Санкт-Петербурге.
fb.ru
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение конструкции и назначения выходного устройства ГТД.
Выходное устройство - часть двигателя, расположенная за силовой турбиной и предназначенная для отвода газов из ее проточной части.
Оно должно иметь минимальное гидравлическое сопротивление, обладая при этом высокой стойкостью против коробления, прогара и газовой коррозии.
Выходное устройство состоит из наружного и внутреннего оболочек, соединенных стойками. Внутренний конус-обтекатель служит для предотвращения резкого расширения газа за турбиной и плавного перехода потока из кольцевого сечения за турбиной в сплошное за конусом.
Выходное устройство также является элементом силовой схемы ГТУ и служит задней опорой ротора силовой турбины.
На наружном корпусе выходного устройства имеются:
штуцера для подвода масла к подшипникам и для его отвода;
электрические разъемы для снятия сигнала от индуктивных датчиков частоты вращения ротора силовой турбины, размещенных во внутреннем конусе;
фланцами для отбора горячих газов.
Угол внутреннего конуса у вершины составляет 30-50 0. Устойчивое разряжение вокруг конуса использовано для организации воздушного охлаждения размещенных в нем подшипников ротора силовой турбины.
К заднему фланцу наружной обечайки корпуса выходного устройства крепится поворотный патрубок, который может монтироваться как при правом, так и левом варианте установки двигателя.
Детали конструкции выходных устройств работают в условиях обтекания химически активными газами при высокой температуре, достигающей 900 - 1000 К. Поэтому для изготовления деталей выходного устройства используются жаропрочные нержавеющие стали типа 1Х18Н9Т, 0Х18Н12Б или титанового сплава.
Порядок выполнения работы
1. Изучение конструкции и назначения выходного устройства газотурбинного двигателя.
2. Эскизирование выходного устройства ГТД и определение его основных геометрических параметров.
Контрольные вопросы
1. Для чего служит выходное устройство ГТД?
2. Какие требования предъявляются выходным устройствам ГТД?
3. Из каких материалов изготавливаются элементы выходных устройств?
Лабораторная работа №10
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение расположения основных узлов ГТД и их силовой взаимосвязи.
Основные неподвижные элементы ГТД, воспринимающие силы и моменты, возникающие в процессе работы двигателя, образуют его силовую схему. В ее состав входят корпуса компрессора, камеры сгорания, турбин, корпуса входного и выходного устройств и опор подшипников.
При работе ГТД на силовые корпуса действуют газодинамические силы, силы инерции и тяжести. Поэтому к нему предъявляются повышенные требования в отношении прочности и жесткости.
Газодинамические силы возникают во входном устройстве, при обтекании лопаток направляющих и сопловых аппаратов компрессора и турбины. Величина газодинамических сил пропорциональна массе воздуха или газа, протекающих по проточной части турбомашин в единицу времени, и разности скоростей потока на соответствующих участках. Вектор газодинамических сил направлен под углом к оси двигателя.
Силы, возникающие на направляющих лопатках компрессора и на диффузорном участке камеры сгорания, направлены в сторону входного устройства ГТД.
Силы, возникающие на лопатках сопловых аппаратов турбин, направлены в сторону выходного патрубка.
Осевые силы вызывают напряжения растяжения или сжатия в силовых корпусах ГТД.
Окружные составляющие сил, действующие на корпуса, создают крутящий момент, который также воспринимает судовой фундамент.
Число узлов крепления ГТД к судовому фундаменту определяется размерами двигателя, величиной и характером действующих нагрузок.
Неравномерность полей скоростей и давлений газового потока вызывают вибрации силовых корпусов, что негативным образом сказывается на ресурсе и надежности ГТД.
Окружные составляющие газодинамических сил определяют величины крутящих моментов, действующих в рабочих колесах компрессора и турбин.
Осевые составляющие сил, действующие в компрессоре и турбинах, направлены в противоположные стороны. Поэтому соединение роторов компрессора и турбины позволяет уменьшить нагрузку, действующую на радиально-упорный подшипник.
Равнодействующая всех осевых сил, воздействующая как на корпуса, так и передаваемая роторами через радиально-упорные подшипники, воспринимается через узлы крепления ГТД судовым фундаментом.
Количество радиально-упорных подшипников равно числу роторов.
В вертолетных и танковых ГТД , применение которых наиболее вероятно на судах речного флота, используют как двухроторную, так и трехроторную схемы.
В двигателях, выполненных по двухроторной схеме, например в двигателях типа ТВ3-117, применяют два радиально-упорных подшипника. Один из них устанавливают на задней цапфе ротора компрессора, в корпусе опоры, расположенной между компрессором и камерой сгорания.
Второй радиально-упорный подшипник устанавливают на вале силовой турбины за ее второй ступенью, в корпусе выходного устройства.
В этой схеме ротор компрессора и турбины его привода имеют еще два радиальных подшипника. Один из них расположен во входном устройстве, а второй - в корпусе опор, расположенном между турбиной привода компрессора и силовой турбиной.
Радиальный подшипник силовой турбины расположен также в корпусе выходного устройства.
В трехроторных схемах , в которых имеется компрессоры низкого и высокого давления и соответствующие турбины для их привода, радиально-упорные подшипники расположены между компрессорами. Каждый из этих роторов имеет еще по два радиальных подшипника.
Силовая турбины, как и в предыдущем случае, имеет два подшипника, один из которых выполняют радиально-упорным.
Порядок выполнения работы
С помощью чертежей, технической документации и узлов двигателя ТВ3-117 определить корпуса, входящие в его силовую схему.
Определить положение радиальных и радиально-упорных подшипников.
Определить направление осевых и окружных составляющих сил, действующих на корпусы и роторы компрессора и турбин.
Выполнить схематический чертеж двигателя.
Контрольные вопросы
Какие узлы входят в силовую схему ГТД?
Какие силы действуют на корпуса и роторы ГТД?
На какое количество подшипников опираются роторы компрессора и турбин?
Где расположены радиально-упорные подшипники роторов?
Список рекомендованной литературы
Артемов Г.А. Совершенствование судовых газотурбинных установок. Л.: Судостроение, 1984, 230 с.
Жаров Г.Г., Венцюлис Л.С. Судовые высокотемпературные газотурбинные установки. Л.: Судостроение, 1973.
Масленников М.М., Шальман Ю.И. Авиационные газотурбинные двигатели. М.: Машиностроение, 1975
Маслов Л.А. Судовые газотурбинные установки. Л.: Судостроение, 1973.
Справочник инженера-механика судовых газотурбинных установок. /Под ред. В.Д. Речистера. Л.: Судостроение, 1985
studfiles.net
Газотурбинный двигатель это то, что в последнее время используется как энергетическая установка для машины. И это связано не только с несомненными преимуществами данного агрегата. Газотурбинный двигатель способен развить мощность, которая просто необходима некоторым автомобилям.
Благодаря тому, что у этого агрегата отсутствуют возвратно-поступательно двигающиеся части, а также тому, что его ротор обладает высокой частотой вращений, можно существенно уменьшить габаритные размеры и удельную массу этого двигателя. А это, в свою очередь, позволяет рассмотреть его как перспективный агрегат. Итак, чтобы создать газотурбинный двигатель своими руками, нужно иметь турбины, камеру сгорания и компрессор. Также в его комплектацию входят стартер, масляный насос, регулятор частоты вращений и другое оборудование. Как правило, в автомобильных двигателях газотурбинного типа применяется центробежный одноступенчатый компрессор, при помощи которого давление воздуха увеличивается в 3,5 раза. Чтобы достичь указанного давления, нужно, чтобы компрессорное колесо вращалось с как можно большей скоростью. А она составляет около 420-450 метров в секунду.
Для изготовления камеры сгорания чаще всего используется листовой жаростойкий материал. Газотурбинный двигатель в своей комплектации имеет осевую и центростремительную турбины. Они же состоят из рабочего колеса и соплового аппарата. Газ в осевой турбине, проходя по каналам, которые находятся в рабочем колесе, изменяет направление своего движения. При этом оказывается давление на лопатки. Благодаря этому образуется сила, которая приводит во вращение рабочее колесо.
Газотурбинный двигатель: принцип работы устройства
Компрессорный вал при помощи стартера приводится в движение. Пусковая частота вращения составляет 2530% от номинальной. Сжатый воздух подается компрессором в камеру сгорания, а в неё через форсунку нагнетается топливо с помощью шестеренчатого насоса. После этого посредством электрической свечи накаливания поджигается горючее. И как только устойчивая зона горения образована, последующее горючее воспламеняется от соприкосновения с огнем, а отработанные газы затем уходят в атмосферу через выпускную трубу.
Хочется отметить, что газотурбинный двигатель обладает еще и высочайшими пусковыми качествами. Несмотря на то что его стартер имеет достаточно небольшую производительность, он может обеспечить пуск при абсолютно любой температуре внешней среды. Это очень хорошее качество. И еще одно его существенное преимущество достаточно малая токсичность газов, которые отрабатываются двигателем: она в 37 раз меньше тех, которые извергает дизель. Из этого можно сделать вывод, что такой двигатель еще и безопасен для окружающей среды.
В 50-х гг. этого столетия на судах начали применять новый вид главного двигателя — газовую турбину. По принципу действия газовая турбина аналогична паровой. Рабочей средой в них служат газы, образующиеся в результате сжигания жидкого топлива. Газовые турбины используют, в качестве приводов для центробежных компрессоров в турбонаддувочных агрегатах ДВС. В газовых турбинах газы образуются в особой камере сгорания. Так как температура газов очень высока, что влияет на срок службы турбин, в камеру сгорания необходимо подавать намного больше воздуха, чем требуется для сжигания топлива. Из-за избытка воздуха температура рабочих газов понижается до 700—800°С. На рисунке дана схема газовой турбины с так называемым открытым циклом, когда воздух забирается из атмосферы и отработавшие газы также выбрасываются в атмосферу. Тринадцати ступенчатый осевой компрессор приводится в действие специальной двухступенчатой газовой турбиной. Сжатый до давления около 0,4 МПа воздух подается в камеру сгорания, служащую для получения и последующего охлаждения газов. Отработавшие газы проходят через турбину компрессорного двигателя; при этом их давление понижается до 0,17 МПа, а температура - с 750 до 580°С. Вторая - тоже двухступенчатая - газовая турбина является собственно рабочей турбиной, которая через редукторную передачу приводит в движение либо судовой движитель, либо генератор. Газовые турбины, насосные системы и другое оборудование GE Energy. В судовых газовых турбинах довольно часто применяются поршневые компрессоры. так называемые свободнопоршневые генераторы. Газотурбинные двигатели устанавливают в основном на кораблях военно-морского флота. На торговых судах они не оправдали себя; в настоящее время газовые турбины используют только на небольшом количестве судов. Причинами понизившегося интереса к этому виду двигателей являются малый термический КПД, довольно большой расход топлива и высокая рабочая температура, требующая применения высокопрочных и дорогих материалов. К преимуществам газотурбинного двигателя относятся малые габаритные размеры по сравнению с достигаемой мощностью и небольшая собственная масса. Газовые турбины можно также использовать в качестве главных и вспомогательных двигателей на судах на подводных крыльях и воздушной подушке.
Источники: www.syl.ru, frutta-life.ru, seaships.ru
Новая российская тяжёлая ракета-носитель Ангара-А5 cтартовала 23 декабря с космодрома Плесецк. Она выведет на геостационарную орбиту грузомакет космического аппарата массой ...
Преуспеть в любой сфере Интернет-бизнеса могут исключительно люди, виртуозно владеющие знанием законов продажи. Да-да, для раскрутки сайта маловато будет уникального контента ...
Без оборудования для мытья посуды не в состоянии обойтись, пожалуй, ни один бизнес, связанный с общественным питанием. Ведь от ...
Среди таинственных существ, сообщения о которых периодически появляются, особое место занимают люди-ящерицы. Речь в данном случае идет не просто об ...
В СССР запущен беспилотный космический корабль «Венера-3», который успешно приземлился на Венере 16 ноября 1965 года с космодрома «Байконур» в ...
В 1893 году в городе Чикаго была построена гостиница, получившая в народе название Колумбовской. Причина была проста: она была возведена к ...
Самые быстрые автомобили всегда будоражат наше воображение. Мы видим их по телевизору, читаем о них в журналах, кому-то даже доводилось видеть ...
Су-35С глубоко модернизированный сверхманевренный многофункциональный истребитель поколения 4++, который должен сменить фронтовой истребитель Су-27. Благодаря усовершенствованному планеру с усиленной конструкцией ...
Человек склонен верить, что он не один во Вселенной, человек хочет верить, что он не один во Вселенной. Но готов ли ...
В список попали 3 азиатские страны и два представителя Центральной Америки. Таиланд Одно из самых любимых направлений у туристов ...
Цюрих – крупнейший город страны, он находится на берегу Цюрихского озера. Старый город ничем не отличается от европейской классики. Там очень ...
Бывший американский военный Ал Билек, который утверждает, что стал участником знаменитого Филадельфийского эксперимента, рассказал о своем путешествии во времени. По его ...
www.objectiv-x.ru
«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.
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…
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 %.
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.
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.
www.syl.ru
Газотурбинная установка состоит из трех основных элементов: газовой турбины, камер сгорания и воздушного компрессора.
На рис. 1-а показана газотурбинная установка, компрессор 1, камеры сгорания 2 и газовая турбина 3 которой расположены в едином сборном корпусе. Роторы 6 и 5 компрессора и турбины жестко соединены друг с другом и опираются на три подшипника. Четырнадцать камер сгорания располагаются вокруг компрессора каждая в своем корпусе. Воздух поступает в компрессор через входной патрубок и уходит из газовой турбины через выхлопной патрубок. Корпус газотурбинной установки опирается на четыре опоры 4 и 8, которые расположены на единой раме 7.
Тепловая схема такой газотурбинной установки показана на рис. 1-б. В камеры сгорания топливным насосом подаются топливо и сжатый воздух после компрессора. Топливо перемешивается с воздухом, который служит окислителем, поджигается и сгорает. Чистые продукты сгорания также смешиваются с воздухом, чтобы температура газа, получившегося после смешения, не превышала заданного значения. Из камер сгорания газ поступает в газовую турбину, которая предназначена для преобразования его потенциальной энергии в механическую работу. Совершая работу, газ остывает и давление его уменьшается до атмосферного. Из газовой турбины газ выбрасывается в окружающую среду.
Из атмосферы в компрессор поступает чистый воздух. В компрессоре его давление увеличивается и температура растет. На привод компрессора приходится отбирать значительную часть мощности турбины.
Газотурбинные установки, работающие по такой схеме, называют установками открытого цикла. Большинство современных ГТУ работает по этой схеме.
Кроме того, применяются замкнутые ГТУ (рис. 2). В замкнутых ГТУ также имеются компрессор 1 и турбина 2. Вместо камеры сгорания используется источник теплоты 4, в котором теплота передается рабочему телу без перемешивания с топливом. В качестве рабочего тела может применяться воздух, углекислый газ, пары ртути или другие газы.
Рис. 2. Схема замкнутой ГТУ:1 - компрессор, 2 - турбина, 3 - электрический генератор,4 - источник теплоты, 5 - регенератор, 6 - охладитель
Рабочее тело, давление которого повышено в компрессоре, в источнике теплоты 4 нагревается и поступает в турбину 2, в которой отдает свою энергию. После турбины газ поступает в промежуточный теплообменник 5 (регенератор), в котором он подогревает воздух, а затем охлаждается в охладителе 6, поступает в компрессор 1, и цикл повторяется. В качестве источника теплоты могут использоваться специальные котлы для нагрева рабочего тела энергией сжигаемого топлива или атомные реакторы.
www.gigavat.com
Авиационный двигатель ПС-90А и его масляная система
...
Газотурбинные двигатели
Газотурбинный двигатель (ГТД), тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины...
Газотурбинные двигатели
...
Двигатели внутреннего сгорания
Работа двигателя внутреннего сгорания в принципе невозможна без кривошипно-шатунного механизма. Его предназначение -- преобразование поступательно-вращательного движения поршня внутри цилиндра во вращательное движение коленчатого вала...
Кривошипно-шатунный механизм двигателя Камаза 740-10
На автомобилях КамАЗ устанавливаются восьмицилиндровые, V-образные, четырехтактные дизели модели 740 с жидкостным охлаждением. Блок-картер двигателя отлит из чугуна и снизу закрыт штампованным поддоном...
Назначение и общее устройство двигателя внутреннего сгорания, его систем и механизмов
...
Сборка двигателя
1.1 Назначение двигателя, его виды Двигатель - механизм, при помощи которого автомобили, получают возможность передвигаться. Двигатели, у которых топливо, распыленное и смешанное с воздухом...
Сборка двигателя
Устройство двигателя автомобиля в поперечном разрезе показано на рисунке 1.1. Рисунок 1.1 - Схема На схеме показаны основные части двигателя автомобиля: - распределительный вал, - штанга, - коромысло, - клапан, - головка цилиндра, - цилиндр...
Сущность и параметры рабочего процесса поршневого двигателя внутреннего сгорания
В настоящее время на автомобильном транспорте распространены четырехтактные поршневые двигатели без наддува цилиндров сжатым воздухом и с наддувом...
Технические характеристики и конструктивные особенности эксплуатируемых транспортных средств категории В
Бензиновый, четырехтактный, четырехцилиндровый, рядный, с поперечным расположением, шестнадцатиклапанный, с двумя распределительными валами. Порядок работы цилиндров: 1-3-4-2, отсчет - от шкива коленчатого вала...
Техническое обслуживание, диагностика и ремонт карбюраторного двигателя
Система питания (рис. 1) состоит из: - топливного бака - 2, - топливопроводов - 5, - фильтров очистки топлива - 6, - топливного насоса - 7, - воздушного фильтра - 9...
Технология ремонта цилиндропоршневой группы автомобиля с разработкой приспособления для выпрессовки поршневых пальцев
В состав ЦПГ цилиндропоршневой группы двигателя входит две группы деталей: неподвижные и подвижные. К неподвижным деталям относятся блок цилиндров, служащий основой двигателя, цилиндр, головки блока или головки цилиндров...
Топливная система автомобиля ВАЗ
Система питания включает приборы подачи в карбюратор топлива и воздуха, приготовления горючей смеси и выпуска отработавших газов. Система питания состоит из топливного бака, топливного насоса, воздушного фильтра, карбюратора, впускной трубы...
Устройство трактора Т–130
Для нормальной работы двигателя в цилиндры должны подаваться горючая смесь в определенной пропорции (у карбюраторных двигателей) или отмеренные порции топлива в строго определенный момент под высоким давлением (у дизелей)...
Электронная система управления бензиновым инжекторным отечественным двигателем
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) -- самый распространенный тип двигателя легкового автомобиля. Работа двигателя автомобиля этого типа основана на свойстве газов расширяться при нагревании...
tran.bobrodobro.ru
