Газотурбинные установки (гту). Газотурбинная установка

Имеют единичную электрическую мощность от двадцати киловатт (микротурбины) и до нескольких десятков мегаватт - это классические газовые турбины.

Электрический КПД современных газотурбинных установок составляет 33–39% . КПД газотурбинных установок, в целом ниже, чем у газопоршневых силовых агрегатов. Но с газотурбинными установками значительно упрощается задача получения высокой мощности электростанции. При реализации всего теплового потенциала газовых турбин значимость высокого электрического КПД для потребителей становится менее актуальной. С учетом высокой температуры выхлопных газов в мощных газотурбинных установках имеется возможность комбинированного использования газовых и паровых турбин . Такой инженерный подход позволяет существенно повысить эффективность использования топлива и увеличивает электрический КПД установок до 57–59%. Этот способ хорош, но ведет к удорожанию и усложнению проекта.

Соотношение производимой электрической энергии к тепловой энергии у составляет ~ 1:2. То есть газотурбинная установка с электрической мощностью 10 МВт способна выдать ~ 20 МВт тепловой энергии. Для перевода МВт в ГКал используется коэффициент 1,163 (1,163 МВт = 1163 кВт = 1 Гкал ).

В зависимости от потребностей дополнительно оснащаются паровыми или водогрейными котлами , что дает возможность иметь пар различного давления для производственных потребностей, или горячую воду со стандартными температурами (ГВС). При комбинированном использовании энергии двух видов коэффициент использования топлива (КИТ) газотурбинной тепловой электростанции увеличивается до 90%.

Режим работы электростанции, с использованием сопутствующей тепловой энергии имеет свой технический термин - когенерация .

Возможность получения от газотурбинных установок больших количеств бесплатной тепловой энергии предполагает возврат более быстрый возврат.

Применение газотурбинных установок в качестве силового оборудования для мощных ТЭС и мини–ТЭЦ оправдано экономически, так как на сегодняшний день электростанции, работающие на газовом топливе , имеют наиболее привлекательную для потребителя удельную стоимость строительства и низкие затраты при последующей эксплуатации.

Избытки бесплатной тепловой энергии в любое время года дают возможность, посредством чиллеров - АБХМ , без затрат электричества, наладить полноценное кондиционирование помещений любого назначения. Охлажденный таким образом теплоноситель можно применять в промышленных целях, в различных производственных циклах. Эта технология называется тригенерация .

Эффективность использования газотурбинных установок обеспечивается в широком диапазоне электрических нагрузок от минимальных 1–3% до максимальных 110–115%.

Позитивным фактором использования газотурбинных установок - ГТУ непосредственно в местах проживания людей, является то, что содержание вредных выбросов у них минимально и находится на уровне 9–25 ppm . Такие отличные экологические качества позволяют без проблем размещать газотурбинные установки в непосредственной близости от местонахождения людей.

Этот критерий газотурбинных установок - ГТУ незначительно лучше, чем у ближайших конкурентов газовых турбин - поршневых электростанций .

При использовании газотурбинных установок потребитель получает экономию денежных средств на катализаторах и при строительстве дымовых труб .

На фото изображена газотурбинная установка SIEMENS SGT–700 мощностью 29 МВт.

Газотурбинные установки имеют незначительные вибрации и шумы в пределах 65–75 дБ (что соответствует по шкале уровня шума звуку пылесоса на расстоянии 1 метр). Как правило, специальная звуковая изоляция для подобного высокотехнологичного генерационного оборудования не нужна.

Газотурбинные установки обладают относительно компактными размерами и небольшим удельным весом. Допускается монтаж ГТУ на техническом этаже здания или крышное расположение маломощных газотурбинных установок. Это полезное свойство ГТУ является важным финансовым фактором в городской застройке, потому что оно позволяет экономить дорогостоящие дефицитные квадратные метры и во многих ситуациях дает больше технического простора инженерам для решения задачи размещения автономной электростанции.

Газотурбинные установки - ГТУ отличаются высокой надежностью и неприхотливостью. Имеются подтвержденные заводские данные о безостановочной работе некоторых газотурбинных установок - ГТУ в течение 5–7 лет.

Некоторые производители современных газовых турбин осуществляют ремонт узлов без транспортировки на завод–изготовитель, а другие производители заранее привозят сменную турбину или камеру сгорания, что существенно снижает сроки выполнения капитального ремонта до 4–6 рабочих дней. Эти меры снижают затраты на обслуживание установок.

Преимуществом газотурбинных установок - ГТУ является длительный ресурс (полный до 200 000 часов, до капитального ремонта 30000–60000 часов). В рабочем цикле газотурбинных установках моторное масло не применяется. Имеется небольшой объем редукторного масла, частота замены которого редка.

Отсутствие водяного охлаждения выгодно отличает газотурбинные установки от поршневых электростанций. Многие марки ГТУ надежно функционируют на различных видах газового топлива , включая попутный нефтяной газ (ПНГ) . Но, как и для других видов электростанций, попутный газ с содержанием сероводорода требует специальной подготовки. Без современной установки - станции подготовки газа жизненный цикл электростанции любого типа сокращается в 4–5 раз. Последствия эксплуатации ГПЭС или ГТУ без станций подготовки ПНГ зачастую носят просто фатальный характер.

Газотурбинные установки подготовлены для эксплуатации в различных климатических условиях. Строительство газотурбинных установок в отдаленных районах позволяет получить экономию финансовых средств за счет исключения дорогостоящего строительства линий электропередач (ЛЭП). В местах с более развитой инфраструктурой газотурбинные установки повышают надежность электрического и теплового снабжения.

Одним из вариантов применения газотурбинных установок - ГТУ является концепция блочно-модульных систем (кластеров). Модульные газотурбинные установки - ГТУ состоят из унифицированных энергоблоков и общих управляющих систем, что позволяет за короткий период времени увеличивать электрическую мощность с наименьшими финансовыми и временными затратами.

Блочные вариации газотурбинных установок - ГТУ обеспечивают высокий уровень заводской готовности. Размеры модулей газотурбинных установок - ГТУ, как правило, стандартны. Существуют мобильные ГТУ , которые можно оперативно перемещать с одного объекта энергоснабжения на другой, но такие установки, как правило, не имеют возможности для производства тепловой энергии.

Автоматизированные системы управления газотурбинной электростанции позволяют отказаться от непосредственного присутствия обслуживающего персонала. Мониторинг работы газотурбинных установок - ГТУ может осуществляться удаленно через различные телекоммуникационные каналы. При возникновении внештатных ситуаций предусмотрены комплексные системы автоматической защиты и пожаротушения.

Газотурбинные установки - ГТУ - принцип работы

В газотурбинных установках - ГТУ многоступенчатый компрессор сжимает атмосферный воздух, и подает его под высоким давлением в камеру сгорания. В камеру сгорания газотурбинных установок - ГТУ подается и определенное количество топлива. При столкновении на высокой скорости топливо и воздух воспламеняются. Топливовоздушная смесь сгорает, выделяя большое количество энергии. Затем, энергия газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счёт вращения струями раскаленного газа лопаток турбины.

ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ

ВВЕДЕНИЕ

На первых этапах развития ГТУ для сжигания топлива применяли два типа камер сгорания. В камеру сгорания первого типа топливо и окислитель (воздух) подавались непрерывно, их горение также поддерживалось непрерывно, а давление не изме­нялось. В камеру сгорания, второго типа топливо и окислитель (воздух) подавались порциями. Смесь поджигалась и сгорала в замкнутом объеме, а затем продукты сгорания поступали в тур­бину. В такой камере сгорания температура и давление не посто­янны: они резко увеличиваются в момент сгорания топлива.

Со временем выявились несомненные преимущества камер сго­рания первого типа. Поэтому в современных ГТУ топливо в большинстве случаев сжигают при постоянном давлении в камере сгорания.

Первые ГТУ имели низкий КПД, так как газовые турбины и компрессоры были несовершенны. По мере совершенствования этих агрегатов увеличивался КПД газотурбинных установок, и они становились конкурентоспособными по отношению к другим видам тепловых двигателей.

В настоящее время газотурбинные установки являются основ­ным видом двигателей, используемых в авиации, что обусловлено простотой их конструкции, способностью быстро набирать нагруз­ку, большой мощностью при малой массе, возможностью полной автоматизации управления. Самолет с газотурбинным двигателем впервые совершил полет в 1941 г.

В энергетике ГТУ работают в основном в то время, когда резко увеличивается потребление электроэнергии, т. е. во время пиков нагрузки. Хотя КПД ГТУ ниже кпд паротурбинных установок (при мощности 20-100 МВт КПД ГТУ достигает 20-30%), исполь­зование их в пиковом режиме оказывается выгодным, так как пуск занимает гораздо меньше времени.

В некоторых пиковых ГТУ в качестве источников газа для турбины, вращающей электрический генератор, применяют авиа­ционные турбореактивные двигатели, отслужившие свой срок в авиации. Наряду с двигателями внут­реннего сгорания ГТУ применяют в качестве основных двигателей на передвижных электростанциях.

В технологических процессах нефтеперегонных и химических производств горючие отходы используются в качестве топлива для газовых турбин.

Газотурбинные установки находят также широкое применение на железнодорожном, морском, речном и автомобильном транс­порте. Так, на быстроходных судах на подводных крыльях и воз­душной подушке ГТУ являются двигателями. На большегрузных автомобилях они могут использоваться в качестве как основного, так и вспомогательного двигателя, предназначенного для подачи воздуха в основной двигатель внутреннего сгорания и работаю­щего на его выхлопных газах.

Кроме того, ГТУ служат приводом нагнетателей природного газа на магистральных газопроводах, резервных электрогенераторов пожарных насосов.

! Основное направление, по которому развивается газотурбиностроение, это повышение экономичности ГТУ за счет увеличения температуры и давления газа перед газовой турбиной. С этой целью разрабатываются сложные системы охлаждения наиболее напряженных деталей турбин или применяются новые, высокопрочные материалы - жаропрочные на основе никеля, керамика и др.

Газотурбинные установки обычно надежны и просты в эксплуа­тации при условии строгого соблюдения установленных правил и режимов работы, отступление от которых может вызвать разру­шение турбин, поломку компрессоров, взрывы в камерах сгорания и др.

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВКАХ

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.

В камеру 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.

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 1нагревается 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.

В соответствии с назначением СЭУ весь комплекс ее механиз­мов и систем условно делят на четыре группы:

Главную установку, предназначенную для обеспечения дви­жения судна:

Вспомогательную, обеспечивающую потребности судна в различных видах энергии на стоянке, при подготовке главной установки к действию и бытовые потребности судна;

Электроэнергетическую, обеспечивающую судно различными видами электроэнергии;

Механизмы и системы общесудового назначения.

Газотурбинная установка может быть главной или се состав­ной частью, может быть приводом электрических генераторов, различных механизмов общесудового назначения. В последних двух случаях ГТУ называют вспомога­тельной.

Судовая энергетическая установка состоит из одного или нескольких комплексов двигатель - движитель, каждый из которых включает движитель, валопровод и одну главную установку.

Главная установка в свою очередь состоит из одного или нескольких однотипных (в КУ, возможно, и разнотипных) двигателей и общей для них передачи, подводящей энергию к движителю через линию вала. Если двигатели главной установки газотурбинные, и она обеспечивает ход и маневрирование судна, ее называют газотурбинной всережимной. В комбинированной установке газотурбинная, как правило, является ускорительной (форсажной), обеспечивающей судну приращение скорости переднего хода.

Газотурбинный двигатель. Газотурбинный двигатель - тепловая машина, предназначенная, для преобразования энергии сгорания топлива в механическую работу на валу двигателя. Основными элементами ГТД являются компрессор, камера сгорания и газовая турбина.

Наибольшее распространение получили ГТД с непрерывным сгоранием топлива при постоянном давлении. Теоретический простой цикл ГТД на диаграмме Т-S: 1-2- изоэнтропийный (адиабатический) процесс повышения давления воздуха в компрессоре; 2-3-изобарный подвод теплоты в КС; 3-4 - изоэнтропийный (адиабатический) процесс расширения газа в турбине; 4-1-изобарный отвод теплоты в атмосферу.

Большая часть работы расширения газа в турбине расходуется на сжатие воздуха в компрессоре, остальная часть производимой турбиной ГТД работы обычно после преобразова­ния передается к потребителю мощности и называется полезной работой.

В так называемых сложных циклах ГТД, где можно получить более высокий КПД, или большую полезную работу, предусматри­вается либо промежуточное охлаждение воздуха (например, между компрессорами или их ступенями), либо вторичный подо­грев газов (в дополнительных КС между турбинами), либо реге­нерация, т.е. использование теплоты выходящих из турбин газов для предварительного подогрева сжатого воздуха, либо любое возможное сочетание названных средств. Двигатели, выполненные по сложному циклу, имеют большие массы и габариты по сравнению с ГТД простого цикла, менее маневренны, менее надежны, весьма сложны.

Существенный недостаток ГТД простого цикла - относительно низкая экономичность - может быть устранен согласованным уве­личением степени повышения давления воздуха Лк в компрессоре ГТД и температуры газа Тоз на входе в первую турбину ГТД (на выходе газа из КС), что наглядно подтверждается зависимостью КПД ГТУ от Лк при различных отношениях Тоз/То: здесь Тоз - абсолютная температура газа на выходе из КС в полных па­раметрах; То - абсолютная температура воздуха на входе в ГТУ.

Максимальное значение КПД при реально достижимой в настоя­щее время температуре Тоз=1000°С имеет место при Лк=16-21. Данную Лк можно осуществить в многоступенчатом осевом ком­прессоре; при этом в составе ГТД могут быть два последовательно установленных компрессора, каждый из которых приводится от отдельной турбины, или один компрессор, устойчивость режимов работы которого повышается вследствие применения поворотных лопаток спрямляющих аппаратов на ряде первых ступеней. При этом возможно применение дополнительных устройств, обеспечивающих устойчивость работы компрессоров, особенно на переходных режимах: лент перепуска воздуха, антипомпажных клапанов и т.д.

Собственно газовыми тур­бинами являются ТВД, ТНД. ТВ; совокупность КНД, ТНД, и со­единяющего их вала образует турбокомпрессорный блок низкого давления (ТКНД); совокупность КВД, ТВД и соединяющих их конструкций-турбокомпрессорный блок высокого давления (ТКВД): часть ГТД, включающую ТКНД, ТКВД и КС, часто на­зывают генератором газа (ГГ).

Таким образом, ГТД можно рассматривать как совокупность генератора газа и пропульсивной турбины.

Передача. Оптимальные условия работы гребного винта и пропульсивной турбины ГТД обеспечиваются обычно при различных частотах вращения. Для достижения приемлемых экономичности, масс и га­баритов частота вращения ротора пропульсивной турбины должна быть значительно выше, чем гребного винта. Снижение частоты вращения осуществляется в передаче при обязательном требова­нии минимальных потерь мощности.

Передача может выполнять и другие функции, в частности «собирать» мощности нескольких двигателей на один движитель, «раздавать» мощность теплового двигателя на несколько движителей, разобщать двигатели от дви­жителей, осуществлять реверс и т. д.

Различают передачи механические, гидравлические, электри­ческие. Последняя может работать на переменном и постоянном токе. В первом случае потери энергии в передаче составляют 6- 14%, во втором-11-19%. Для электропередач характерны большие массы и габариты: так, приходящаяся на 1 кВт масса электропередачи составляет 7-22 кг. Несомненны преимущества электропередач:

Возможность использования нереверсивного главного дви­гателя;

Удобство управления установкой;

Уменьшение длины гребных валов;

Отсутствие жесткой связи между главным двигателем и вин­том и т. д.

Чисто гидравлическая передача имеет относительно малый КПД: 95-96 и 85-88 % - соответственно гидромуфты и гидро­трансформатора переднего хода, 70-75 % -гидротрансформатора заднего хода. По этой причине их предпочитают применять в со­четании с механической передачей. Механическая (обычно зубча­тая) передача имеет высокий КПД (до 98-99 %) и находит пре­имущественное применение на судах.

Общая компоновка ГТУ. На судах применяют ГТУ двух основных типов: с ГТД про­мышленного (тяжелого) типа; с ГТД авиационного (легкого) типа. Компоновочные схемы этих ГТУ могут существенно отли­чаться. Для ГТУ второго типа характерно выполнение ГТД в рамном или безрамном варианте, с трубчатым основанием, в звукоизолирующем кожухе.

Максимально возможная часть си­стем, обеспечивающих работу ГТД, смонтирована на нем или в его раме; основные вспомогательные механизмы (например, ос­новные топливный и масляный насосы) навешены на ГТД и при­водятся от блока его вращения, в наименьшей степени изменяю­щего частоту вращения при переходе ГТД с режима на режим.

На редукторе ГТУ также смонтированы обеспечивающие его работу системы и механизмы (например, навесные маслонасосы). Связь ГТД с редуктором осуществляется посредством рессор.

Системы ГТУ включают комплексы разнообразных техниче­ских средств, при помощи которых могут быть осуществлены все эксплуатационные режимы работы установки, а также ее техни­ческое обслуживание. Условно их можно разделить на две группы. Первая группа-это комплексы технических средств, которые по­зволяют управлять установкой, т.е. задавать и поддерживать не­обходимые режимы се работы и изменять эти режимы при необхо­димости.

К ним относятся системы:

Управления, воздействующая на подачу топлива в КС, на системы пуска и реверса и другие системы, обеспечивающие под­держание и изменение режима работы;

Пуска, с помощью которой ГТУ вводится в действие;

Реверса, обеспечивающая изменение направления упора, со­здаваемого гребным винтом или другим движителем.

Ко второй группе относятся следующие системы, обеспечиваю­щие оптимальные условия для работы ГТУ:

Топливная, состоящая из технических средств, размещенных на ГТД, а также вне двигателя;

Масляная с техническими средствами на ГТД, передаче (ре­дукторе) и вне их;

Охлаждения забортной водой, размещенная обычно вне ГТУ и предназначенная для охлаждения масла ГТУ в маслоохлади­телях;

Сжатого воздуха, технические средства которой размещены как на ГТУ, так и вне установки;

Промывки проточной части;

Антиобледенительная (система обогрева входного устрой­ства ГТД) и ряд других.

Кроме того, работа ГТД на судне обеспечивается воздухоприемным и газовыпускным устройствами, системой теплоизоляции ГТД.

Судовые ГТУ промышленного типа. Примером названных установок может служить ГТУ-20 судна «Парижская коммуна». Она состоит из двух одинаковых устано­вок ГТУ-10, работающих через общий редуктор на один ВРШ. Особенностью ГТУ-20 является блокированная ТНД, что потребовало установки ВРШ.

Установки промышленного типа МS-1000, МS-3000, МS-5000, МS-7000 и их модификации фирмы «Дженерал электрик» конвер­тированы в судовые из стационарных ГТУ. Все они работают по открытому циклу с регенерацией теплоты уходящих газов для по­догрева воздуха.

Особенностью ГТУ М5-3012К является привод генератора пе­ременного тока от ТНД и постоянная частота их вращения. Глав­ный электродвигатель (ГЭД) переменного тока с постоянной ча­стотой вращения приводит в действие ВРШ. Установка М5-3012К со всеми обслуживающими механизмами и системами располо­жена на верхней палубе судна, а ГЭД - в машинном отделении.

Судовые ГТУ легкого типа. На судах такие ГТУ нашли применение в следующем исполнении:

С одним компрессором и одной турбиной;

С одним турбокомпрессором и свободной ТВ;

С двумя турбокомпрессорами и свободной ТВ.

Были проведены большие работы по конвертированию авиаци­онных ГТД для использования их на судах: в СССР - ГТУ М-25.

В США были созданы ГТД типов: LМ-100, LМ-300, LМ-1500, LМ-2500, LМ-5000, FТ-4А, FТ-4А12, FТ-4С-2 и др.; в Англия - типов «Олимп», «Тайн», «Гном» и др.

Судовые газотурбинные установки с теплоутилизирующим кон­туром (ТУК)

ГТУ М-25 мощностью 25 000 кВт эксплуатируются на судах типа «Капитан Смирнов».

Головной газотурбоход «Капитан Смирнов» - ролкер водоизмещением 35 000 т. Он предназначен для перевозки пакетированных грузов и контейнеров, имеет две ГТУ суммарной мощностью 36800 кВт. Скорость судна 27 уз. На газотурбоходе высок уровень автоматизации. В машинном отделении нет постоянной вахты.

Контролирует работу оборудования с центрального поста управления энергетической установкой один механик. Главным двигателем управляет с мостика вахтенный штурман. Оттуда же осуществляется управление мощными подруливающими устройствами, расположенными в носу и корме. Благодаря им при швартовных операциях можно обходиться без помощи портовых буксиров.

Установка ГТУ М-25 состоит из газотурбинного двигателя, редуктора и теплоутилизирующего контура, который в свою очередь включает в себя паровой котел с сепаратором пара и арматурой дистанционного управления, паровую турбину с конденсатором и вспомогательное оборудование.

Тепловая схема ГТУ дана на рис. 5.2 Атмосферный воздух засасывается КНД 6 и последовательно сжимается в КНД и КВД 5. Затем в камере сгорания 4 при постоянном давлении происходит сжигание топлива, и образовавшийся при этом газ расширяется последовательно в ТВД 3, ТНД 2 и турбине винта (ТВ) 1. Отсюда газ поступает утилизационный котел 7, где отдает теплоту питательной воде. Пар из котла направляется в силовую паровую турбину 21, совместно с ТВ вращающую через упругие муфты и редуктор 24 гребной винт. Вся мощность ТВД и ТНД полностью потребляется соответственно КВД и КНД.

Утилизационный котел (расположен над газоотводом ГТД) - водотрубный с многократной принудительной циркуляцией, в сечении имеет прямоугольную форму. Котел состоит из экономайзера, испарителя и пароперегревателя, между которыми предусмотрены пазухи для размещения опорных балок крепления трубных пакетов, осмотра и ремонта поверхности горения. Котел включает в себя также сепаратор пара, служащий для отделения пара от пароводяной смеси, поступающей из испарителя котла.

Паровая турбина состоит из регулировочной ступени в виде двухвенечного колеса и семи ступеней давления. Ее сварнолитой корпус изготавливается с корпусами (стульями) подшипников. На верхней крышке крепится паровпускной быстрозапорный клапан, а на выпускном патрубке - дроссельно-увлажнительная установка.

Ротор паровой турбины составной - с насадными дисками. Упор­ный гребень выполнен заодно с валом. Турбина имеет два опорных и один упорный подшипники. Опорные подшипники имеют стальные вкладыши, залитые баббитом. Упорный подшипник двусторонний с самоустанавливающими упорными сегментами Конденсатор двухпроточный, он одновременно является рамой, на которой располагаются турбина и вспомогательное оборудование. Редуктор позволяет подключить и отключить паровую турбину при работающем и остановленном ГТД, обеспечивает проворачивание валопровода при неработающих ГТД и паровой турбине и стопорение валопровода.

В правой части рис. 5.2 представлен теплоутилизирующий контур одного борта установки. Питательная вода из теплого ящика 15 электропитательным насосом 14 подается через двухимпульсный регулятор 12 питания в сепаратор 11 питания. Из него насос 13 многократной циркуляции подает воду в экономайзер 8. Из него вода по опускным трубам идет в испаритель 9. Затем пароводяная смесь поступает в сепаратор. Из него влажный пар направляется в пароперегреватель 10 и далее (уже перегретый пар) через главный стопорный клапан 19 - к быстрозапорному клапану 20 паровой турбины. Схемой ТУК предусматривается отбор 6000 кг/ч перегретого пара из главного паропровода на турбогенератор мощностью 1000 кВт и 2000 кг/ч насыщенного пара из сепаратора на общесудовые нужды.

Рис. 5.2 Тепловая схема ГТУ с ТУК газотурбохода «Капитан Смирнов» (одного борта)

Главный стопорный клапан открывается автоматически при давле­нии пара 0,4 МПа. При достижении давления в конденсаторе 5-6 КПа открывается быстрозапорный клапан в положение холостого хода, и паровая турбина начинает набирать частоту вращения.

Как только паровая турбина сравняется по частоте вращения с турбиной винта, происходят синхронизация и подключение паровой турбины к редуктору. Избыток пара при этом стравливается через редукционное охладительное устройство 22 и дроссельно-увлажнительное устройство 23 в выпускной патрубок турбины на конденсатор 18. Оттуда электроконденсатный насос 17 возвращает конденсат в теплый ящик через регулятор уровня конденсата 16. После прогрева паровой турбины на режиме холостого хода в течение 12-15 мин БЗК открывается полностью, и паровая турбина начинает работать в режиме полной мощности.

Газотурбинная установка может устойчиво эксплуатироваться как при работе с ТУК, так и без него. Включение ТУК происходит при подаче питательной воды в котел и может производиться при любом режиме работы ГТД (горячий пуск) и при неработающем ГТД (холодный пуск). Пуск ТУК и управление им осуществляются с центрального поста управления. Отбор пара на турбогенератор производится вручную.

В установке предусмотрена возможность работы перекрестным путем. В этом случае работает газовая турбина с ТУК одного борта, пар подается на паровую турбину другого борта. При этом газовая турбина этого борта не работает (снимают рессору от ТВ к редуктору), при такой работе подача топлива уменьшается почти в 2 раза (при скорости судна примерно 20 уз).

Ресурс всего агрегата составляет 100000 ч (примерно 25 лет). В то же время ресурс ГТД до заводского ремонта составляет 25000 ч. Пос­ле заводского ремонта ресурс ГТД восстанавливается. Технический ресурс ГТД (до замены) равен 50000 ч (приблизительно 12,5 года).

При наличии запасного ГТД на судне (или обменного фонда ГТД) его замена может быть проведена силами судового экипажа в течение двух суток, т.е. во время погрузочно-разгрузочных работ в порту. Любой из навешенных на ГТД агрегатов может быть заменен в течение 1-2 ч.

Газотурбинный двигатель (рис. 5.3) изготавливается в морском (корабельном) исполнении.

Он состоит из осевых расположенных последовательно компрессоров - семиступенчатого КНД 1 и девятиступенчатого КВД 2 трубчато-кольцевой камеры сгорания 3, в корпусе: которой находятся десять жаровых труб 4 с форсунками и из расположенных последовательно двухступенчатых ТВД 5 и ТНД 6 и четырехступенчатой ТВ 7.

Рис. 5.3 ГТУ М-25 со схематическим разрезом ГТД

Корпуса компрессоров, камеры сгорания и трубки соединяются между собой последовательно вертикальными фланцами и образуют единый корпус.

Вопросы для самопроверки

Устройство газотурбинного двигателя.

Устройство газотурбинной установки

Принцип работы ГТУ и ГТД.

Газотурбинные установки (ГТУ) представляют собой единый, относительно компактный 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.

На острие прогресса

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.

Историческая справка

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 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 %.

Сравнение паротурбинных и парогазовых установок

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: 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.

Принцип работы

В большинстве установок ГТУ используется принцип непрерывного горения, или открытого цикла:

• Вначале рабочее тело (воздух) закачивается при атмосферном давлении соответствующим компрессором.
• Далее воздух сжимается до большего давления и направляется в камеру сгорания.
• В нее подается топливо, которое сгорает при постоянном давлении, обеспечивая постоянный подвод тепла. Благодаря сгоранию топлива температура рабочего тела увеличивается.
• Далее рабочее тело (теперь это уже газ, представляющей собой смесь воздуха и продуктов сгорания) поступает в газовую турбину, где, расширяясь до атмосферного давления, совершает полезную работу (крутит турбину, вырабатывающую электроэнергию).
• После турбины газы сбрасываются в атмосферу, через которую рабочий цикл и замыкается.
• Разность работы турбины и компрессора воспринимается электрогенератором, расположенным на общем валу с турбиной и компрессором.

Установки прерывистого горения

В отличие от предыдущей конструктивной схемы, в установках прерывистого горения применяются два клапана вместо одного.

• Компрессор нагнетает воздух в камеру сгорания через первый клапан при закрытом втором клапане.
• Когда давление в камере сгорания поднимается, первый клапан закрывают. В результате объем камеры оказывается замкнутым.
• При закрытых клапанах в камере сжигают топливо, естественно, его сгорание происходит при постоянном объеме. В результате давление рабочего тела дополнительно увеличивается.
• Далее открывают второй клапан, и рабочее тело поступает в газовую турбину. При этом давление перед турбиной будет постепенно снижаться. Когда оно приблизится к атмосферному, второй клапан следует закрыть, а первый открыть и повторить последовательность действий.

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 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 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.

Используемое топливо

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.

Отличие ДВС от ГТУ

Принципиальное отличие 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:

• сжатие осуществляется в компрессоре;
• сгорание топлива, соответственно, в специальной камере;
• расширение осуществляется в газовой турбине.

В результате конструктивно газотурбинные установки и ДВС мало похожи, хотя работают по схожим термодинамическим циклам.

Вывод

С развитием малой энергетики, повышением ее КПД системы ГТУ и ПТУ занимают все большую долю в общей энергосистеме мира. Соответственно, все более востребована 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.

Пока мы говорили только о самой газовой турбине, не

* * задавая вопроса, откуда берется газ, приводящий ее в действие.

В паровую турбину рабочий пар поступает из паро­вого котла. Какие же устройства необходимы для того, чтобы питать рабочим газом газовую турбину?

Для работы газовой турбины необходим газ, имеющий большой запас энергии. Энергия газа - его способность совершать при определенных условиях механическую ра­боту- зависит от давления и температуры. Чем сильнее сжат газ и чем выше его температура, тем большую ме­ханическую работу способен он совершить при своем рас­ширении. Значит, для работы турбин необходим сжатый и нагретый газ. Отсюда понятно, какие устройства должны входить в газотурбинную установку (или газо­турбинный двигатель). Это, во-первых, устройство для сжатия воздуха, во-вторых, устройство для его подогрева

И, в-третьих, сама газовая турбина, преобразующая вну­треннюю энергию сжатого и нагретого газа в механиче­скую работу.

Сжатие воздуха - сложная задача. Осуществить ее значительно труднее, чем подать в камеру сгорания жидкое горючее. Например, чтобы подавать в камеру сго­рания с давлением 10 атмосфер один килограмм керосина в секунду, необходимо расходовать около 2 лошадиных сил, а для сжатия до 10 атмосфер одного килограмма воздуха в секунду необходимо примерно 400 лошадиных сил. А в газотурбинных установках на один килограмм керосина приходится примерно 60 килограммов воздуха.

Значит, на подачу воздуха в камеру сгорания с давле­нием 10 атмосфер надо затрачивать в 12 тысяч раз боль­шую мощность, чем на подачу жидкого горючего.

Для сжатия воздуха применяются специальные ма­шины, называемые нагнетателями или компрессорами. Они получают необходимую для их работы механическую энергию от самой газовой турбины. Компрессор и тур-

Бина крепятся на одном валу, и турбина во время работы отдает часть своей мощности воздушному компрессору.

В газотурбинных установках используются компрес­соры двух типов: центробежные и осевые.

В центробежном компрессоре (рис. 6), как показывает его название, для сжатия воздуха используется действие центробежной силы. Такой компрессор состоит из вход­ного патрубка, по которому внешний воздух входит в компрессор; диска с рабочими лопатками, называемого часто крыльчаткой (рис. 7); так называемого диффузора, в который поступает выходящий из крыльчатки воздух, и выходных патрубков, отводящих сжатый воздух к месту назначения, например к камере сгорания газотурбинной установки.

Воздух, входящий в центробежный компрессор, под­хватывается лопатками быстровращающейся крыль­чатки и под действием центробежной силы отбрасывается от центра к окружности. Двигаясь по каналам между лопатками и вращаясь вместе с диском, он сжимается центробежными силами. Чем быстрее вращение крыль­чатки, тем больше сжатие воздуха. В современных ком­прессорах окружная скорость крыльчатки достигает 500 метров в секунду. При этом давление воздуха на выходе из крыльчатки составляет примерно 2,5 атмо­сферы. Помимо повышенного давления, воздух, проходя между лопатками, приобретает большую скорость, близ­кую по величине к окружной скорости крыльчатки. За­тем воздух пропускают через диффузор - постепенно расширяющийся канал. При движении по такому каналу скорость воздуха уменьшается, а давление растет. На выходе из диффузора воздух обычно имеет давление по­рядка 5 атмосфер.

Центробежные компрессоры просты по конструкции. Они имеют малый вес, могут сравнительно эффективно работать при различных числах оборотов вала и расходах воздуха. Эти качества обеспечили им широкое примене­ние в технике. Однако у центробежных компрессоров не­достаточно высок коэффициент полезного действия - всего 70-75%. Поэтому в газотурбинных установках, где на сжатие воздуха затрачивается очень много энергии, чаще применяются компрессоры осевого типа. Их коэф­фициент полезного действия выше, он достигает 85-90 %. Но по своему устройству осевой компрессор сложнее центробежного и имеет больший вес.

Осевой компрессор состоит из нескольких рабочих ко­лес, жестко укрепленных на валу и помещенных в канал, по которому движется воздух. Каждое рабочее колесо представляет собой диск с лопатками на ободе. При бы­стром вращении рабочего колеса лопатки сжимают про­ходящий по каналу воздух и увеличивают его скорость.

За каждым рабочим колесом помещается один ряд не­подвижных лопаток - направляющий аппарат, который еще более повышает давление воздуха и сообщает струе требуемое направление.

Рабочее колесо с расположенным за ним рядом не­подвижных лопаток направляющего аппарата называется ступенью компрессора. Одна ступень осевого компрес­сора увеличивает давление воздуха примерно в 1,3 раза. Чтобы получить большее давление, применяют осевые компрессоры с несколькими ступенями. Для получения высоких давлений используются осевые компрессоры с

14, 16 и большим числом ступеней. В многоступенчатых осевых компрессорах рабочие лопатки иногда крепятся не на отдельных дисках, а на общем пустотелом валу, так называемом барабане. Вращающуюся часть компрес­сора (барабан с рядами лопаток или рабочие колеса, укрепленные на валу) называют ротором (рис. 8), а не­подвижные направляющие лопатки, укрепленные на ко­жухе компрессора,- его статором.

Свое название осевой компрессор получил потому, что воздух движется вдоль его оси, в отличие от центробеж­ного компрессора, в котором воздух перемещается в ра­диальном направлении.

Воздух, сжатый в компрессоре до высокого давления, подается в камеру сгорания. Здесь в поток воздуха впры­скивается через распылители-форсунки жидкое топливо, которое воспламеняется таким же путем, как это де­лается в двигателях внутреннего сгорания,- с помощью электросвечи. Электросвеча работает только в период запуска двигателя. Далее горение происходит непре­рывно. При этом выделяется большое количество тепла. При сгорании одного килограмма керосина выделяется 10 500 калорий тепла.

Чем больше тепла выделится при сгорании топлива, тем выше будет температура газов в конце камеры сгора­ния. Если на 15 килограммов воздуха подать 1 килограмм керосина, то температура газов достигнет примерно 2500° С. При столь высокой температуре газов работа газотурбинной установки была бы весьма эффективной. Однако материал лопаток соплового аппарата и рабочих лопаток турбины не может выдержать такого нагрева. Лучшие современные жаропрочные сплавы, применяемые в авиационных газотурбинных двигателях, позволяют ра­ботать при температуре газов порядка 900° С. В турбинах, работающих на электростанциях, где требуется более длительный срок службы и используются менее дорогие сплавы, допустимая температура газов еще ниже. По­этому в камерах сгорания газотурбинных установок на

1 килограмм керосина или нефти подается 50-80 кило­граммов воздуха. При таком соотношении в конце ка­меры сгорания устанавливается температура газов, допу­скаемая прочностью лопаток.

Проектирование камеры сгорания для газотурбинных установок представляет собой сложную научно-техниче­скую задачу. К камере сгорания предъявляется ряд стро­гих требований, от выполнения которых зависит работо­способность всей установки. Вот важнейшие из этих тре­бований. Во-первых, необходимо обеспечить полное сго­рание топлива. Если топливо не успеет полностью сго­реть в камере сгорания, то часть его энергии будет напрасно потеряна. Экономичность газотурбинной уста­новки понизится. Более того, топливо, не успевшее сгореть в камере сгорания, станет догорать между лопат­ками турбины, что приведет к прогоранию и поломке лопаток, то есть к аварии. Нельзя допускать также, чтобы поступающий в турбину газ вместо одинаковой температуры по всему поперечному сечению имел в одном месте, например, 600° С, а в другом - 1200°. Нужно поэто­му обеспечить хорошее смешение газов перед выходом из камеры, исключить возможность проникновения в турбину отдельных «факелов» газа с повышенной температурой. Наконец, необходимо хорошо охлаждать стенки камеры сгорания, чтобы защитить их от прогорания.

Для решения всех этих задач воздушный поток в ка­мерах сгорания газотурбинных двигателей делят на две части (рис. 9). Меньшая часть потока направляется во внутреннюю часть камеры - в так называемую жаровую трубу. Там топливо сгорает при высокой температуре (высокая температура позволяет достигнуть достаточно

Полного сгорания). Остальная часть воздуха не участвует в горении. Она омывает с внешней стороны жаровую трубу и охлаждает ее. Затем происходит смешивание холодного воздуха с горячими газами. Для лучшего перемешивания в стенках трубы делается большое число мелких отверстий, через которые охлаждающий воздух небольшими порциями вводится внутрь и смешивается с горячими газами. Благодаря такой подаче охлаждаю­щего воздуха температура газа около стенок оказывается ниже, чем в центре жаровой трубы. Это также способ­ствует ее защите от прогорания.

Камера сгорания газотурбинной установки обычно располагается между компрессором и турбиной. При та­ком расположении поток газов идет прямо от входа уста­новки к ее выходу. Но в центре установки проходит вал, соединяющий турбину с компрессором. Этот вал не дол­жен сильно нагреваться, иначе его прочность понизится. Поэтому камеру сгорания делают кольцевой или одну

Общую камеру заменяют 6-10 отдельными камерами, расположенными по окружности вокруг вала.

Вы познакомились с тремя основными частями газо­турбинной установки: воздушным компрессором, камерой сгорания и газовой турбиной. На рис. 10 показана схема газотурбинного двигателя. Вот как он работает.

Компрессор засасывает воздух из атмосферы и сжи­мает его. Сжатый воздух поступает в камеру сгорания, где благодаря сжиганию топлива его температура возра­стает на несколько сот градусов. Давление же газа

Остается примерно постоянным. Поэтому двигатели такого типа называют газотурбинными двигателями с постоян­ным давлением сгорания. Из камеры сгорания газ с вы­соким давлением и температурой, а следовательно, с большим запасом энергии идет в турбину. Там происхо­дит процесс перехода энергии сжатого и нагретого газа в полезную работу.

Газ совершает в турбине работу в процессе расшире­ния, то есть когда снижается его давление. В большин­стве газотурбинных установок давление газа снижается до атмосферного. Значит, в турбине происходит процесс, обратный тому, который идет в компрессоре.

Если бы температура воздуха на выходе из компрес­сора и при входе в турбину была одинакова, то при рас­ширении воздуха в турбине он совершал бы такую же работу, какая была затрачена на его сжатие в компрес­соре - при том условии, что не было бы никаких потерь энергии на трение воздуха и на его завихрение. А с уче­том этих потерь воздух совершал бы в турбине работу меньшую, чем работа, требуемая для вращения компрес­сора. Ясно, что от такой установки не было бы никакой пользы. Но в компрессоре сжимается холодный воздух, а в турбину поступает сильно нагретый газ. Поэтому работа расширения газа оказывается в 1,5-2 ра­за больше, чем требуется для компрессора. Например, если газовая турбина развивает мощность в 10 ООО лошадиных сил, то на вращение соединенного с ней ком­прессора надо затрачивать примерно 6000 лошадиных

Сил. Оставшаяся свободная мощность в 4000 лошадиных сил может быть использована для вращения электрогене­ратора, судового винта, воздушного винта самолета или каких-либо иных механизмов.

Для работы газотурбинного двигателя необходим ряд вспомогательных агрегатов: топливные насосы, автома­тические приборы, регулирующие его работу, система смазки и охлаждения, система управления и др.

Чтобы запустить газотурбинный двигатель, надо рас­крутить его ротор (рис. 11) до нескольких сот оборотов в минуту. Для этой цели служит небольшой вспомога­тельный двигатель, называемый стартером. У больших газотурбинных двигателей стартером часто служат ма­ленькие газотурбинные двигатели мощностью порядка 100 лошадиных сил, а иногда и более. Эти стартеры в свою очередь раскручиваются небольшими электромото­рами, получающими питание от аккумулятора.

ЖДысль о возможности использовать поток горячих га - *** зов для получения механической работы зароди­лась очень давно. Еще 450 лет назад великий итальян­ский ученый Леонардо да Винчи дал описание колеса с лопастями, установленного в дымоходе над очагом. Под действием газового потока такое колесо могло вра­щаться и приводить в действие вертел. Колесо Леонардо да Винчи можно считать прообразом газовой турбины.

В 1791 году англичанин Джон Барбер взял патент на газотурбинную установку. По рисунку, приложенному к патенту, можно было представить, что установка, по мысли автора, должна была работать на горючем газе, получаемом перегонкой твердого или жидкого топлива. Газ с помощью примитивного компрессора нагнетался в резервуар. Из него он поступал в камеру сгорания, где смешивался с воздухом, подаваемым вторым компрессо­ром, и воспламенялся. Продукты сгорания поступали из камеры на колесо турбины. Однако при существовавшем тогда уровне развития техники осуществить газовую тур­бину не представлялось возможным. Первая газовая тур­бина была создана лишь в самом конце XIX века рус­ским изобретателем П. Д. Кузьминским, который, как мы уже говорили, построил и первую паровую турбину для морских судов.

Газотурбинный двигатель, построенный в 1897 году по проекту П. Д. Кузьминского, состоял из воздушного компрессора, камеры сгорания и радиальной турбины (рис. 12). Кузьминский применил охлаждение камеры сгорания водой. Вода охлаждала стенки и затем посту­пала внутрь камеры. Подача воды снижала температуру и в то же время увеличивала массу газов, поступающих в турбину, что должно было повысить эффективность установки. К сожалению, работа Кузьминского не встре­тила никакой поддержки со стороны царского правитель­ства.

Спустя 7 лет, в 1904 году, за границей была по­строена газовая турбина по проекту немецкого инженера Штольца, но практического применения она не получила, так как имела много недостатков.

В 1906 году французские инженеры Арманго и Ле- маль построили газовую турбину мощностью в 25 лоша­диных сил, а затем другую - мощностью уже в 400 ло­шадиных сил. Коэффициент полезного действия этой установки составлял всего 3%.

Испытания первых газотурбинных установок показали, что для повышения их эффективности необходимо до­биться значительного увеличения коэффициента полез­ного действия компрессора и турбины, а также поднять

Температуру газов в камере сгорания. Это побудило мно­гих изобретателей искать другие конструкции газовых турбин. Возникло желание избавиться от компрессора, чтобы избежать больших потерь энергии при сжатии воз­духа. Но турбина может работать лишь тогда, когда давление газов в камере сгорания выше, чем за турби­ной. Иначе газ не потечет из камеры в турбину и не при­ведет в действие ее рабочее колесо. При непрерывном процессе горения в камере неизбежно применение ком­прессора, подающего сжатый воздух. Однако, если сде­лать процесс горения прерывистым, то можно отказаться

От компрессора или использовать компрессор, дающий не­большое сждтие воздуха и соответственно с этим потреб­ляющий меньшую мощность. В такую пульсирующую ка­меру воздух подается в то время, когда в ней нет горения и давление очень низкое. После входа воздуха и впрыска горючего входное отверстие камеры закрывается, проис­ходит вспышка. Так как камера закрыта и газы расши­риться не могут, то давление в ней резко возрастает. После то­го как газы вытекут из камеры в турбину, впускной клапан от­крывается и в камеру входит новая порция воздуха. Так, осуще­ствляя процесс горе­ния при постоянном объеме газов, то есть в замкнутой камере, можно повысить их давление без помощи компрессора.

В 1908 году рус­ский инженер В. В.

Кароводин создал опытную модель та­кой газовой турбины (рис. 13). Закрытие камеры в период го­рения топлива осу­ществлялось в ней с помощью специального клапана. Тур­бина имела четыре камеры сгорания, из которых газ по четырем длинным соплам шел к рабочему колесу. При испытаниях модель развивала мощность 1,6 лошадиной силы; коэффициент полезного действия равнялся всего 3%. Для промышленного применения эта турбина также еще не годилась.

Над созданием газовых турбин с постоянным объе­мом сгорания долго работал и немецкий инженер Хольц - варт. По его проектам в период 1914-1920 годов было
построено несколько турбин мощностью от 500 до 2000 ло­шадиных сил. Однако ни одна из них не годилась для промышленной эксплуатации. Лишь в 30-х годах швей­царской фирме «Броун-Бовери» удалось создать не­сколько пригодных для практической эксплуатации тур­бин с горением при постоянном объеме. В настоящее время работы над подобными турбинами почти полно­стью прекращены.

Наши ученые пошли по другому пути. Инженер

В. X. Абианц в своей книге «Теория авиационных газовых турбин» пишет о трудах советских специалистов:

«Одна из главных заслуг советских ученых заклю­чается в том, что они обосновали целесообразность и перспективность развития турбин с постоянным давле­нием сгорания, в то время как зарубежные (в частности, немецкие) газотурбинисты работали в области турбин с постоянным объемом сгорания. Все последующее разви­тие газовых турбин, в том числе и авиационных, бле­стяще подтвердило прогнозы советских ученых, ибо стол­бовой дорогой развития газовых турбин оказался путь создания турбин с постоянным давлением сгорания».

Трудами советских ученых было доказано, что газо­турбинные установки с постоянным давлением сгорания при достаточно высокой температуре газов могут иметь высокий коэффициент полезного действия.

В 1939 году профессором В. М. Маковским была по­строена на Харьковском турбогенераторном заводе газо­вая турбина с постоянным давлением сгорания. Ее мощ­ность составляла 400 киловатт. Вал, диск и полые ло­патки турбины охлаждались водой. Турбина Маковского предназначалась для работы на горючем газе, получае­мом в результате подземной газификации каменного угля. Она была установлена и успешно испытана на одной из шахт в Горловке.

В настоящее время наши заводы производят различ­ные типы высокоэффективных газовых турбин.

Хотя газотурбинная установка по своему устройству более проста, чем поршневой двигатель внутреннего сго­рания, для создания ее потребовалось провести огромную научно-исследовательскую работу. Вот почему только в наше время, на основе современных достижений науки и техники, удалось создать эффективный газотурбинный двигатель.

Какие же научные проблемы надо было решить уче­ным, прежде чем сделать возможным создание газотур­бинных установок?

При создании газовой турбины необходимо было стре­миться к тому, чтобы возможно полнее использовать энер­гию газа, предельно снизить ее потери на трение и вихре - образование. Большая скорость движения газа через турбину позволяет получить и большую мощность неболь­шой по - размерам установки. Но в то же время такая скорость таит в себе опасность больших потерь энергии. Чем больше скорость движения жидкости или газа, тем больше потери энергии на трение и образование вихрей.

Чтобы построить газотурбинную установку с высоким коэффициентом полезного действия, надо было выбрать наивыгодные размеры, форму и взаимное расположение частей компрессора и турбины. А для этого требовалось изучить движение газов и узнать, как они воздействуют на обтекаемые ими твердые тела. Изучение движения газа требовалось для развития многих отраслей техники.

Первой задачей ученых в этой области было исследо­вать движение газа при сравнительно малых скоростях, когда он практически не сжимается. Поскольку движение несжимаемого газа подчиняется тем же законам, что и движение жидкости, этот раздел науки получил название гидродинамики («гидр» - по-гречески вода).

Одновременно развивалась наука о молекулярном строении газа, о процессах изменения его состояния под действием давления и температуры. Она называется тер­модинамикой (от латинского слова «термо» - теплота).

В процессе развития гидродинамики возникла необхо­димость учитывать характерные особенности газа, отли­чающие его от жидкости. И вот на базе гидродинамики возникла аэродинамика - наука о законах течения воз­духа и обтекания тел воздушным потоком. В то же время появление паровых турбин побудило ученых-термодина - миков исследовать и такие вопросы, как истечение газов и паров из сопел.

В процессе своего развития гидродинамика и термо­динамика, расширяя круг изучаемых вопросов, проникая все глубже и глубже в сущность физических явлений, приближались друг к другу. Так возник еще один новый раздел науки - газовая динамика, изучающая законы движения газа с большими скоростями и тепловые про­цессы, происходящие в газовом потоке.

Эта наука и послужила теоретической основой для развития газотурбинных двигателей. Первые фундамен­тальные работы по теории газовых турбин были выпол­нены выдающимся чешским ученым Стодола, советскими профессорами В. М. Маковским, В. В. Уваровым и рядом других ученых.

Разработка теоретических основ газотурбинной тех­ники и начавшиеся во многих странах мира эксперимен­тальные работы в этой области показали, что важнейшей задачей в развитии двигателей такого типа являлось усо­вершенствование их проточной части, т. е. тех элементов двигателя, по которым течет газ: воздухозаборника, ком­прессора, камеры сгорания, турбины и сопла. В первую очередь стоял вопрос о разработке теории компрессоров и турбин, которые часто называют одним термином «ло­паточные машины». Именно решением этой фундамен­тальной задачи и занялись советские ученые. На основе гениальных трудов Эйлера, Бернулли, Жуковского, Чап­лыгина советские ученые создали теорию газотурбинных двигателей.

Исключительно ценный вклад в теорию газотурбин­ных двигателей внес академик Б. С. Стечкин. Его тру­дами была создана стройная теория лопаточных машин. Им были разработаны методы расчета осевых и центро­бежных компрессоров. Он является творцом теории са­мых распространенных в современной авиации газотур­бинных воздушно-реактивных двигателей.

Глубокие теоретические исследования и плодотворную экспериментальную работу по компрессорам провели профессора К. А. Ушаков, В. Н. Дмитриевский, К. В. Хол­щевников, П. К. Казанджан и ряд других ученых. Значи­тельным вкладом в теорию лопаточных машин явился труд украинского академика Г. Ф. Проскура «Гидродина­мика турбомашины», изданный еще в 1934 году.

Теории газовых турбин и газотурбинных двигателей в целом были посвящены работы профессоров Г. С. Жи -

Ридкого, А. В. Квасникова, П. И. Кириллова, Я. И. Шнеэ, Г. П. Зотикова и многих других.

Большая работа была проделана учеными по созда­нию наиболее выгодной формы турбинных лопаток. Ра­бота лопаток турбины имеет много общего с работой крыла самолета. Однако между ними имеются и суще­ственные различия. Крыло работает изолированно, а тур­бинная лопатка - в соседстве с другими лопатками. В последнем случае получается, как принято говорить, «решетка профилей». Влияние соседних лопаток сильно изменяет картину обтекания газом профиля лопатки. Кроме того, крыло обдувается потоком воздуха, имею­щим перед встречей с самолетом одинаковую скорость вдоль всего размаха крыла. А скорость газа относи­тельно лопатки турбины не одинакова по ее длине. Она зависит от окружной скорости лопаток. Так как лопатки делают довольно длинными, то окружная скорость у корня лопатки значительно меньше, чем у ее конца. Зна­чит, и скорость газа относительно лопатки у ее корня будет иная, чем у внешней окружности рабочего колеса. Поэтому профиль лопатки должен быть таким, чтобы лопатка по всей своей длине работала с наибольшей эффективностью. Задача создания таких лопаток была решена трудами профессора В. В. Уварова и других ученых.

Важнейшей проблемой, от решения которой зависело создание экономичных газотурбинных двигателей, была проблема жаропрочных материалов. Экономичность газо­турбинной установки увеличивается с ростом темпера­туры газов. Но чтобы турбина могла надежно работать при высокой температуре, необходимо изготавливать ее лопатки и диск из таких сплавов, прочность которых со­храняется и при большом нагреве. Поэтому для развития газотурбинной техники требовался высокий уровень раз­вития металлургии. В настоящее время металлургами созданы сплавы, способные выдерживать большие тем­пературы. Лопатки турбины, изготовленные из таких сплавов, могут без специального охлаждения работать при температуре поступающих в турбину газов до 900° С.

Кроме сплавов, существуют и другие жаростойкие материалы, например особая керамика. Но керамика довольно хрупка, это препятствует ее применению в газо­вых турбинах. Дальнейшие работы по усовершенствова­нию жаропрочной керамики могут оказать, однако, суще­ственное влияние на развитие газовых турбин.

Конструкторы газовых турбин разрабатывают также лопатки с искусственным охлаждением. Внутри лопаток делают каналы, по которым пропускают воздух или жид­кость. Диск турбины обычно обдувается воздухом.

Условия горения топлива в газотурбинных установках существенно отличаются от условий в топках паровых котлов или в цилиндрах поршневых двигателей. Газо­турбинный двигатель способен при малых размерах про­изводить громадную работу. Но для этого надо сжигать в малом объеме камеры большое количество горючего. Этого можно добиться лишь при очень большой скорости горения. Частицы топлива находятся в камере сгорания газотурбинного двигателя менее сотой доли секунды. За такое короткое время должно произойти хорошее пере­мешивание топлива с воздухом, его испарение и полное сгорание.

Чтобы успешно решить задачу, необходимо изучить физику горения. Над этим работают в наше время круп­ные коллективы ученых.

Учеными детально исследован и вопрос о максималь­ном использовании тепла, выделяемого при горении топ­лива в газотурбинных установках. Из рабочего колеса турбины газы выходят с высокой температурой и, сле­довательно, уносят с собой в атмосферу большое коли­чество внутренней энергии. Возникло естественное жела­ние использовать тепло отходящих газов. Для этого была предложена следующая схема установки. Газы из рабо­чего колеса, прежде чем выйти в атмосферу, проходят через теплообменник, где передают часть своего тепла сжатому воздуху, вышедшему из компрессора. Воздух, нагреваясь в теплообменнике, повышает свою энергию без расхода на это какого-либо количества горючего. Из теплообменника воздух направляется в камеру сгорания, где его температура поднимается еще выше. Устройством таких теплообменников можно значительно сократить расход топлива на нагревание газа и тем самым повы­сить экономичность установки. Теплообменник представ­ляет собой канал, по которому текут горячие газы. Внутри канала помещается пучок стальных труб, распо­ложенных по потоку газов или перпендикулярно к нему. Внутри этих труб течет воздух. Газ нагревает стенки труб и текущий внутри них воздух. Происходит возврат части тепла из уходящих газов в рабочий воздух. Этот процесс называется процессом регенерации тепла. И теп­лообменники часто называют регенераторами.

Газотурбинные установки с регенерацией тепла яв­ляются значительно более экономичными, чем обычные турбины. К сожалению, теплообменники очень громоздки по своим размерам, что затрудняет их применение на некоторых транспортных установках.

В числе научных проблем, лежащих в основе разви­тия газотурбинной техники, следует отметить и проч­ность конструкций. Для постройки прочных камер сго­рания необходимо знать методы расчета тонкостенных оболочек. Этим занимается один из новых разделов науки о сопротивлении материалов. Сложной задачей является обеспечение прочности рабочих лопаток турбины. Ротор турбины совершает очень большое число оборотов (5000-10 ООО оборотов в минуту, а в некоторых конструк­циях и более), и на лопатки действуют большие центро­бежные силы (несколько тонн на каждую лопатку).

Мы рассказали здесь только о самых главных научных проблемах, решение которых потребовалось для развития газотурбинной техники. Ученые и инженеры продолжают работать над совершенствованием газотурбинных двига­телей. Перед ними стоит еще много нерешенных вопро­сов, много интересных и важных проблем.

Например, исключительно большое значение имеют работы по созданию газовых турбин, использующих в качестве топлива каменный уголь. Известно, что камен­ного угля добывается больше, чем нефти, и он дешевле ее. Сжигание угля в камере сгорания газовой турбины - трудная задача. Его приходится размельчать, превра­щать в угольную пыль. Газы, выходящие из камеры сго­рания, надо очищать от золы. Если в газе содержатся частицы золы размером даже в 0,03-0,05 миллиметра, то лопатки турбины начнут разрушаться, и турбина вый­дет из строя.

Создание очистителей газа - дело сложное. Но ре­шить такую задачу для газотурбинного двигателя можно. У двигателей внутреннего сгорания сжатие воздуха, сго­рание и расширение газа происходят в одном месте - в цилиндре. Установить в цилиндре какой-нибудь очисти­тель оказалось невозможным. Поэтому до сих пор по­пытки сжигания угля в цилиндрах двигателей внутрен­него сгорания ни к чему не привели. В газотурбинной же установке сжатие, сгорание и расширение совершаются в разных местах. Сжатие воздуха осуществляется в ком­прессоре, нагревание - в камере, а расширение - в тур­бине. Очиститель можно поместить между камерой и тур­биной. Нужно только, чтобы он не сильно снижал давле­ние проходящих через него газов и не был слишком велик по размерам.

В наши дни ведутся исследования и по созданию атомных газотурбинных двигателей. В этих двигателях нагрев воздуха осуществляется не за счет сжигания топ­лива, а за счет тепла, выделяющегося в атомном котле. Много трудностей предстоит преодолеть ученым на этом пути. Но нет сомнения, что атомным газотурбинным дви­гателям предстоит большое будущее.