Газотурбинный двигатель (ГТД)

Газотурбинный двигатель (ГТД)

Газотурбинный двигатель – разновидность теплового двигателя, в котором происходят сжатие газа и повышение его температуры, в результате чего энергия газа переходит в механическую энергию.

Рабочий процесс газотурбинного двигателя может осуществляться в двух вариантах: с непрерывным сгоранием топлива при постоянном давлении или с прерывистым сгоранием топлива при постоянном объеме.

Идею создания газотурбинного двигателя с газогенератором, поршневым компрессором, камерой сгорания и газовой турбиной впервые предложил в 1791 г. английский изобретатель Дж. Барбер. Через 100 лет русский инженер П. Д. Кузьминский в 1892 г. разработал проект, а в 1900 г. построил газотурбинный двигатель, он был предназначен для небольшого катера. В этом газотурбинном двигателе была применена газовая турбина с большим количеством ступеней (многоступенчатая). Из-за смерти Кузьминского испытания не были доведены до логического завершения. Немецкий инженер Ф. Штольце пытался создать газотурбинный двигатель в период с 1900 по 1904 г. Но его попытки не увенчались успехом. В 1906 г. французские инженеры Р. Арманго и Ш. Лемаль построили газотурбинный двигатель, который работал на керосине, топливо сгорало при постоянном давлении. Но из-за низкого КПД он не получил промышленного применения. Русский инженер В. В. Караводин в 1906 г. спроектировал, а в 1908 г. построил бескомпрессорный 4-камерный газотурбинный двигатель прерывистого сгорания, который при 10 000 об/мин развивал мощность 1,2 кВт (1,6 л. с.). По проекту немецкого инженера Х. Хольцварта в 1908 г. был построен газотурбинный двигатель прерывистого горения. К 1909 г. КПД газотурбинных двигателей с прерывистым горением составлял 24%. Несмотря на этот факт, они не нашли широкого промышленного применения. В России в 1909 г. инженер Н. В. Герасимов получил патент на газотурбинный двигатель. Он был использован им для создания реактивной тяги (турбореактивный газотурбинный двигатель).

Позже, в 1913 г., М. Н. Никольский спроектировал газотурбинный двигатель мощностью 120 кВт (160 л. с.), у которого было три ступени газовой турбины.

В 1923 г. В. И. Базаров предложил схему газотурбинного двигателя, которая максимально близка к схемам современных турбовинтовых двигателей.

В 1930 г. инженеры В. В. Уваров и Н. Р. Брилинг спроектировали, а в 1936 г. построили газотурбинный двигатель с центробежным компрессором. В 1930-е гг. очень большой вклад в создание авиационных газотурбинных двигателей внесли советский конструктор А. М. Люлька (в дальнейшем академик АН СССР), немецкий инженер Л. Франц, английский изобретатель Ф. Уиттл и многие другие. Словацким ученым А. Стодола в 1939 г. в Швейцарии был построен и испытан газотурбинный двигатель мощностью 4000 кВт (5400 л. с.). В 1939 г. в Харьковской лаборатории, руководимой В. М. Маковским, изготовлен газотурбинный двигатель мощностью 736 кВт (1000 л. с.). В качестве топлива использовался газ, который получался при подземной газификации угля. Испытания этого газотурбинного двигателя в Горловке были прерваны Великой Отечественной войной. Огромный вклад в развитие и совершенствование газотурбинных двигателей внесли советские конструкторы и ученые: А. Г. Ивченко, В. Я. Климов, Н. Д. Кузнецов, И. И. Кулагин, Т. М. Мелькумов, А. А. Микулин, Б. С. Стечкин, С. К. Туманский, Я. И. Шнеэ, Л. А. Шубенко-Шубин и многие другие. За рубежом в 1940-е гг. над созданием газотурбинных двигателей работали фирмы «Юнкерс», «БМВ» (Германия), «Бристол Сидли», «Роллс-Ройс» (Великобритания), «Дженерал электрик» и «Дженерал моторс» (США), «Рато» (Франция) и др.

Широкое промышленное применение получили газотурбинные двигатели с непрерывным сгоранием топлива с постоянным давлением. В таком газотурбинном двигателе сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, туда же подается топливо. Сгорая, топливо нагревает воздух, после чего в газовой турбине энергия газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую работу. Большая часть энергии расходуется на сжатие воздуха в компрессоре. Остальная часть работы передается на приводимый агрегат. Работа, которая потребляется этим агрегатом, является полезной работой газотурбинного двигателя.

Полезная работа Le, отнесенная к 1 кг рабочего тела, будет равна разности между работой Lt, развиваемой турбиной при расширении в ней газа, и работой Lk, которая расходуется компрессором на сжатие в нем воздуха. Рабочий цикл газотурбинного двигателя может быть представлен графически в PV-диаграмме, где Р – давление, V – объем. Экономичность газотурбинного двигателя характеризуется его эффективным КПД. Он представляет собой отношение полезной работы к количеству тепла, затраченного на создание этой работы. В современных газотурбинных двигателях КПД компрессоров и турбин соответственно составляет 0,88—0,9 и 0,9—0,92. Температура газа перед турбиной в стационарных и транспортных газотурбинных двигателях составляет 1100—1200 К, а в авиационных достигает 1600 К. При достижении таких температур требуется изготовление деталей газотурбинных двигателей из жаропрочных материалов и применение охлаждения его элементов.

При температуре газов 1000 К и достигнутом совершенстве проточной части КПД двигателя, который работает по простейшей схеме, не превышает 25%. Чтобы повысить КПД, тепло, содержащееся в выходящем из турбины газе, используется в рабочем цикле газотурбинного двигателя для подогрева сжатого воздуха, который поступает в камеру сгорания. В регенеративных теплообменниках происходит теплообмен между отходящими газами и сжатым воздухом, поступающим в камеру сгорания. Рабочий процесс такого газотурбинного двигателя, в котором утилизируется тепло выходящих из турбины газов, называется регенеративным. Подогрев газа в процессе его расширения в турбине совместно с использованием тепла выходящих газов и охлаждение воздуха в процессе его сжатия в компрессоре также способствуют повышению КПД. При этом полезная работа возрастает благодаря увеличению работы Lm, развиваемой турбиной, и уменьшению работы Lk, потребляемой компрессором. Такая схема газотурбинного двигателя в 1930-е гг. была предложена советским ученым Г. И. Зотиковым. Турбина низкого давления и компрессор находятся на одном валу, который, в свою очередь, не связан с валом привода (например, генератора, гребного винта). Частота их вращения может изменяться и зависит от режима работы. Это существенно улучшает экономичность газотурбинных двигателей при частичных нагрузках.

Газотурбинные двигатели могут работать на различных видах топлива: на газообразном (природном газе, попутных и побочных горючих газах, газогенераторных газах, газах доменных и сажевых печей и подземной газификации); на жидком (керосине, газойле, дизельном топливе, мазуте); твердом топливе (угольной и торфяной пыли). Тяжелые жидкие и твердые топлива нашли свое применение в газотурбинных двигателях, работающих по полузамкнутому и замкнутому циклу. В газотурбинных двигателях с замкнутым циклом рабочее тело после совершения работы в турбине не выбрасывается в окружающую среду, а участвует в последующем цикле. В таких газотурбинных двигателях увеличивается единичная мощность, что дает возможность использовать в них ядерное топливо. Газотурбинные двигатели нашли широкое применение в авиации (см. «Авиационный двигатель»). Они устанавливаются в качестве основных двигателей силовых установок самолетов, вертолетов, беспилотных летательных аппаратов и т. п. Газотурбинные двигатели очень широко используют на тепловых электростанциях в качестве привода электрогенераторов. Также они используются в качестве тяговых двигателей газотурбовозов, автобусов, легковых и грузовых автомобилей, гусеничных тракторов, танков; как силовые установки кораблей, катеров, подводных лодок и для привода вспомогательных машин и механизмов (лебедок, насосов и др.); на объектах военной техники в качестве энергетических и тяговых силовых установок. Зачастую они встречаются на передвижных электростанциях (энергопоездах), для привода компрессоров (воздушных и газовых) с одновременной выработкой электрической и тепловой энергии в нефтяной, газовой, металлургической и химической промышленности. И, несмотря на столь широкое применение газотурбинного двигателя, область его применения постоянно расширяется. По статистическим данным, в 1956 г. мощность газотурбинных двигателей во всем мире составила 900 МВт, к 1958 г. она превысила 2000 МВт, а к началу 1968 г. достигла 40 000 МВт (без авиации и военной техники).

Развитие газотурбинных двигателей идет по пути совершенствования конструктивных элементов, таких как компрессор, турбина, камера сгорания, теплообменники и др. Также ведутся разработки по повышению температуры и давления газа перед турбиной, применению комбинированных силовых установок с паровыми турбинами и свободнопоршневыми генераторами газа. Данные при эксплуатации таких установок в стационарной энергетике и на транспорте показали, что при утилизации тепла отходящих газов и высоком совершенстве основных элементов их эффективный КПД (в среднем) достигает 42—45%, а иногда и выше.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.