Автопортал || Авто - статьи

Сельскохозяйственная техника
Чтение RSS

газотурбінний двигун

Газотурб і нний дв і гатель (ВМД), тепловий двигун, в якому газ стискається і нагрівається, а потім енергія стислого і нагрітого газу перетворюється в механічну роботу на валу газової турбіни. Робочий процес ГТД може здійснюватися з безперервним згорянням палива при постійному тиску або з переривчастим згорянням палива при постійному об'ємі.

У 1791 англійський винахідник Дж. Барбер вперше запропонував ідею створення ГТД з газогенератором , поршневим компресором , камерою згоряння і газовою турбіною . Російський інженер П. Д. Кузьмінський в 1892 розробив проект, а в 1900 побудував ГТД зі згорянням палива при постійному тиску, призначений для невеликого катера. У цьому ВМД була застосована багатоступінчаста газова турбіна. Випробування не були завершені через смерть Кузьмінського. В 1900-04 німецький інженер Ф. Штольце намагався створити ГТД, але невдало. У 1906 французький інженер Р. Арманг і Ш. Лемаль побудували ГТД, який працював на гасі, зі згорянням палива при постійному тиску, але через низький ККД він не отримав промислового застосування. У 1906 російський інженер В. В. Караводін спроектував, а в 1908 побудував бескомпрессорний ВМД з 4 камерами переривчастого згорання і газовою турбіною, який при 10 000 об / хв розвивав потужність 1,2 кВт (1,6 л. С.). У 1908 за проектом німецький інженера Х. Хольцварта був побудований ГТД переривчастого горіння. До 1 933 ккд ВМД з переривчастим горінням складав 24%, однак вони не знайшли широкого промислового застосування. У Росії в 1909 інженер Н. В. Герасимов отримав патент на ГТД, який був використаний їм для створення реактивної тяги (турбореактивний ГТД); в 1913 М. Н. Микільської спроектував ГТД потужністю 120 квт (160 л. с.) з триступеневої газовою турбіною; в 1923 В. І. Базаров запропонував схему ГТД, близьку до схем сучасних турбогвинтових двигунів; в 1930 В. В. Уваров за участю Н. Р. Брілінга спроектував, а в 1936 побудував ГТД з відцентровим компресором. У 30-і рр. великий внесок у створення авіаційних ГТД внесли радянський конструктор А. М. Люлька (нині академік АН СРСР), англійський винахідник Ф. Уиттл, німецький інженер Л. Франц і ін. У 1939 в Швейцарії був побудований і випробуваний ГТД потужністю 4000 квт (5400 л . с.). Його творцем був словацький учений А. Стодола. У 1939 в Харкові, в лабораторії, керованої В. М. Маковським, виготовлений ГТД потужністю 736 квт (1000 л. С.). Як паливо використаний газ, одержуваний при підземної газифікації вугілля. Випробування цього ГТД в Горлівці були перервані Великою Вітчизняною війною. Великий внесок у розвиток і вдосконалення ГТД внесли радянські вчені і конструктори: А. Г. Івченко, В. Я. Климов, Н. Д. Кузнецов, І. І. Кулагін, Т. М. Мелькумов, А. А. Микулин, Б . С. Стечкин, С. К. Туманський, Я. І. Шнее, Л. А. Шубенко-Шубін та ін. За кордоном в 40-і рр. над створенням ГТД працювали фірми «Юнкерс», «БМВ» (Німеччина), «Брістол Сидли», «Роллс-Ройс» (Великобританія), «Дженерал електрик» і «Дженерал моторс» (США), «Рато» (Франція) і ін.

Найбільше промислове застосування отримали ГТД з безперервним згорянням палива при постійному тиску. В такому ВМД (рис. 1) стислий атмосферне повітря з компресора надходить в камеру згоряння, туди ж подається паливо, яке, згораючи, нагріває повітря; потім в газовій турбіні енергія газоподібних продуктів згорання перетвориться в механічну роботу, велика частина якої витрачається на стиснення повітря в компресорі. Інша частина роботи передається на приводиться агрегат. Робота, споживана цим агрегатом, є корисною роботою ГТД.

Корисна робота Le, віднесена до 1 кг робочого тіла, дорівнює різниці між роботою Lt турбіною, що розвивається при розширенні в ній газу, і роботою Lk, що витрачається компресором на стиск в ньому повітря. Графічно робочий цикл ГТД може бути представлений в PV -діаграмме, де Р - тиск, V - об'єм (рис. 2). Чим вище ккд компресора і турбіни, тим менше LK і більше LT, т. Е. Корисна робота збільшується. Підвищення температури газу перед турбіною також сприяє зростанню корисної роботи L1c (лінія 3'4 'на рис. 2). Економічність ГТД характеризується його ефективним ккд, який є відношенням корисної роботи до кількості тепла, витраченого на створення цієї роботи.

В сучасних ГТД ккд компресорів і турбін відповідно складає 0,88-0,9 і 0,9-0,92. температура газу перед турбіною в транспортних і стаціонарних ГТД складає 1100-1200 К, а в авіаційних сягає 1600 К. Досягнення таких температур стало можливим завдяки виготовленню деталей ГТД з жароміцних матеріалів і застосування охолодження його елементів. При досягнутому досконало проточної частини і температурі газів 1000 К ккд двигуна, що працює за найпростішою схемою, не перевищує 25%. Для підвищення ККД тепло, що міститься у вихідному з турбіни газі, використовується в робочому циклі ГТД для підігріву стиснутого повітря, що надходить в камеру згоряння. Теплообмін між газами і стисненим повітрям, що поступає в камеру згорання, відбувається в регенеративних теплообмінниках, а робочий процес ГТД, в якому утилізується тепло виходять з турбіни газів, називається регенеративним. Підвищенню ккд сприяють також підігрів газу в процесі його розширення в турбіні, спільно з використанням тепла вихідних газів, і охолодження повітря в процесі його стиснення в компресорі (рис. 3). При цьому корисна робота зростає завдяки збільшенню роботи Lm турбіною, що розвивається, і зменшенню роботи LK, споживаної компресором. Схема такого ВМД в 30-і рр. була запропонована радянським ученим Г. І. Зотикова. Компресор і турбіна низького тиску знаходяться на одному валу, який не пов'язаний з валом приводу, наприклад, генератора, гребного гвинта. Їх частота обертання може змінюватися в залежності від режиму роботи, що істотно покращує економічність ГТД при часткових навантаженнях.

ВМД можуть працювати на газоподібному паливі (природному газі, попутних і побічних горючих газах, газогенераторних газах, газах доменних і саж печей і підземної газифікації); на рідкому паливі (гасі, газойлі, дизельному паливі, мазуті); твердому паливі (вугільної та торф'яної пилу). Важкі рідкі і тверді палива знаходять застосування в ВМД, що працюють по напівзамкнутих і замкнутому циклу (рис. 4). У ВМД замкнутого циклу робоче тіло після здійснення роботи в турбіні не викидається, а бере участь у наступному циклі. Такі ГТД дозволяють збільшувати одиничну потужність і використовувати в них ядерне паливо. ВМД знайшли широке застосування в авіації (див. авіаційний двигун ) В якості основних двигунів силових установок літаків, вертольотів, безпілотних літальних апаратів і т. П. ГТД використовують на теплових електростанціях для приводу електрогенераторів; на пересувних електростанціях, наприклад в енергопоїздах; для приводу компресорів (повітряних і газових) з одночасним виробленням електричної і теплової енергії в нафтовій, газовій, металургійній і хімічній промисловості; в якості тягових двигунів газотурбовозів, автобусів, легкових та вантажних автомобілів, гусеничних тракторів, танків; як силові установки кораблів, катерів, підводних човнів і для приводу допоміжних машин і механізмів (лебідок, насосів та ін.); на об'єктах військової техніки як енергетичних і тягових силових установок. Область застосування ВМД розширюється. У 1956 потужність ГТД у всьому світі склала 900 Мвт, до 1958 вона перевищила 2000 МВт, а до початку 1968 сягнула 40 000 Мвт (без авіації і військової техніки). Найбільша одинична потужність що випускаються в СРСР ГТД складає 100 Мвт (1969). Досягнутий ефективний ккд двигунів - 35%.

Розвиток ВМД йде по шляху вдосконалення його елементів (компресора, турбіни, камери згоряння, теплообмінників та ін.), Підвищення температури і тиску газу перед турбіною, а також застосування комбінованих силових установок з паровими турбінами і вільнопоршневих генераторами газу. Експлуатація таких установок в стаціонарній енергетиці і на транспорті показала, що при утилізації тепла відхідних газів і високому досконало основних елементів їх ефективний ккд досягає 42-45%.

Літ .: Бикчентаев Р. Н., Лоноян Г. С., Поршаков Б. П., Застосування газотурбінних установок в промисловості, М., 1959; Уваров В. В. та Чернобровкин А. П., Газові турбіни, М., 1960; Шнее Я. І., Газові турбіни, М., 1960; Основи проектування та характеристики газотурбінних двигунів, [пер. з англ.], М., 1964; Газотурбінні установки. Атлас конструкцій і схем, М., 1967; Simmons С. R., Gas turbine manual, L., 1968.

Див. Також літ. при ст. Авіаційна газова турбіна .

С. З. Копелев.

Газотурб і нний дв і гатель (ВМД), тепловий двигун, в якому газ стискається і нагрівається, а потім енергія стислого і нагрітого газу перетворюється в механічну роботу на валу газової турбіни

Мал. 4. Схема газотурбінного двигуна, що працює по замкнутому циклу: 1 - поверхневий нагрівач; 2 - турбіна; 3 - компресор; 4 - охолоджувач; 5 - регенератор; 6 - акумулятор повітря; 7 - допоміжний компресор.

Мал. 2. Робочий цикл газотурбінного двигуна в PV-діаграмі: 1РНР22 - LК; 4РНР23 - LТ; 4 123 - Lе; 411231 - L12.

Мал. 1. Газотурбінний двигун: 1 - відцентровий компресор; 2 - камера згоряння; 3 - паливна форсунка; 4 - соплової апарат; 5 - робоче колесо турбіни; 6 - вихлопної патрубок.

Мал. 3. Схема газотурбінного двигуна з регенерацією тепла, охолодженням повітря в процесі стиснення і підігрівом газу в процесі розширення: 1 - пусковий двигун; 2, 3, 4 - компресори низького, середнього і високого тиску; 5 - камера згоряння; 6, 7 - турбіни високого і низького тиску; 8 - регенератор; 9 - охолоджувач повітря.