«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.
Российский машиностроительный лидер ОДК
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…
Поиски и пар
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.
Рождение газовых турбин
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.
Газовая турбина Николы Тесла
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.
Принципиальная схема
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.
Достоинства авиационных турбин
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.
Есть у газотурбинных двигателей и недостатки
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.
Правильное применение
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.
Тригенераторные электростанции
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 %.
Ядерные энергоустановки
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.
Широкое применение
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.
в Избранное в Избранном из Избранного
0Интересная винтажная статья, которая, думаю, заинтересует коллег.
ЕЕ ДОСТОИНСТВА
В прозрачной синеве неба рокочет самолет. Люди останавливаются, ладонями прикрыв от солнца глаза, ищут его между редкими островками облаков. Но найти не могут. Может быть, его скрывает облачко или он залетел так высоко, что уже невидим для невооруженного глаза? Нет, вот кто-то уже увидел его и рукой показывает соседу - совсем не в ту сторону, куда смотрят остальные. Тонкий, с отброшенными назад крыльями, похожий на стрелу, он летит так быстро, что звук его полета достигает земли из той точки, в которой уже давно нет самолета. Кажется, звук отстает от него. А самолет, словно резвясь в родной стихии, внезапно круто, почти по вертикали, взлетает вверх, переворачивается, камнем падает вниз и снова стремительно проносится по горизонтали… Это реактивный самолет.
Основным элементом воздушно-реактивного двигателя, сообщающего самолету эту исключительно высокую скорость, почти равную скорости звука, является газовая турбина. В последние 10-15 лет проникла она на самолет, и скорости искусственных птиц выросли на четыре-пять сотен километров. Лучшие поршневые двигатели не могли обеспечить серийным самолетам таких скоростей. Как же устроен этот удивительный двигатель, обеспечивший авиации такой большой шаг вперед, этот новейший двигатель - газовая турбина?
И тут внезапно оказывается, что газовая турбина отнюдь не является новейшим двигателем. Оказывается, еще в прошлом веке имелись проекты газотурбинных двигателей. Но до некоторого времени, определяемого уровнем развития техники, газовая турбина не могла соперничать с другими типами двигателей. И это несмотря на то, что газовая турбина обладает по сравнению с ними целым рядом преимуществ.
Сравним газовую турбину, например, с паровой машиной. Простота ее устройства при этом сравнении сразу же бросается в глаза. Газовая турбина не требует сложно устроенного, громоздкого парового котла, огромного конденсатора и многих других вспомогательных механизмов.
Но ведь и обычный поршневой двигатель внутреннего сгорания не имеет ни котла, ни конденсатора. В чем же преимущества газовой турбины перед поршневым двигателем, который она столь стремительно вытеснила со скоростных самолетов?
В том, что газотурбинный двигатель - чрезвычайно легкий двигатель. Его вес на единицу мощности значительно ниже, чем у двигателей других типов.
Кроме того, она не имеет поступательно-движущихся частей - поршней, шатунов и т. д., ограничивающих число оборотов двигателя. Это преимущество, которое не кажется таким уж важным для людей, не особенно близких технике, нередко оказывается решающим для инженера.
Газовая турбина имеет еще одно подавляющее преимущество перед другими двигателями внутреннего сгорания. Она может работать на твердом топливе. Причем коэффициент полезного действия ее будет не меньше, а больше, чем у лучшего поршневого двигателя внутреннего сгорания, работающего на дорогом жидком топливе.
Какой же коэффициент полезного действия может обеспечить газовая турбина?
Оказывается, уже простейшая газотурбинная установка, которая сможет работать на газе с температурой перед турбиной в 1250-1300°С, будет иметь коэффициент полезного действия около 40-45%. Если же усложнить установку, применить регенераторы (в них используется тепло отработанного газа для подогрева воздуха), применить промежуточное охлаждение и многоступенчатое сгорание, можно получить коэффициент полезного действия газотурбинной установки порядка 55-60%. Эти цифры показывают, что по экономичности газовая турбина намного может превзойти все существующие типы двигателей. Поэтому победу газовой турбины в авиации надо рассматривать только как первую победу этого двигателя, за которой последуют другие: в железнодорожном транспорте - над паровой машиной, в стационарной энергетике - над паровой турбиной. Газовую турбину следует считать основным двигателем ближайшего будущего.
ЕЕ НЕДОСТАТКИ
Принципиальное устройство авиационной газовой турбины сегодняшнего дня не сложно (см. схему ниже). На одном валу с газовой турбиной размещается компрессор, который сжимает воздух и направляет его в камеры сгорания. Отсюда газ поступает на лопатки турбины, где часть его энергии преобразуется в механическую работу, необходимую для вращения компрессора и вспомогательных устройств, в первую очередь насоса для непрерывной подачи топлива в камеры сгорания. Другая часть энергии газа преобразуется уже в реактивном сопле, создавая реактивную тягу. Иногда делают турбины, которые вырабатывают большие мощности, чем требуется на привод компрессора и на привод вспомогательных устройств; избыточная часть этой энергии передается через редуктор на винт. Бывают авиационные газотурбинные двигатели, снабженные и винтом и реактивным соплом.
Стационарная газовая турбина принципиально не отличается от авиационной, только вместо воздушного винта к ее валу присоединяется ротор электрогенератора и газы горения не выбрасываются в реактивное сопло, а до наивозможного предела отдают заключенную в них энергию лопаткам турбины. Кроме того, стационарная газовая турбина, не связанная жесткими требованиями габаритов, веса, имеет целый ряд дополнительных устройств, обеспечивающих повышение ее экономичности, уменьшение потерь.
Газовая турбина - машина высоких параметров. Мы уже называли желательную температуру газов перед лопатками ее рабочего колеса - 1250-1300°. Это температура плавления стали. Со скоростью в несколько сотен метров в секунду движется газ, нагретый до такой температуры в соплах и лопастях турбины. Свыше тысячи оборотов в минуту делает ее ротор. Газовая турбина - это преднамеренно организованный поток раскаленного газа. Пути огненных потоков, движущихся в соплах и между лопатками турбины, точно предуказаны и рассчитаны конструкторами.
Газовая турбина - машина высокой точности. Подшипники вала, делающего тысячи оборотов в минуту, должны быть выполнены по самому высокому классу точности. Ни малейшей неуравновешенности не может быть допущено в роторе, вращающемся с этой скоростью, - иначе биения разнесут машину. Исключительно высокими должны быть требования к металлу лопаток - центробежные силы напрягают его до предела.
Эти особенности газовой турбины отчасти и затормозили внедрение ее, несмотря на все ее высокие достоинства. Действительно, какими жаропрочными и жаростойкими должны быть материалы, чтобы выдерживать в течение длительного времени напряженнейшую работу при температуре плавления стали? Современная техника не знает таких материалов.
Повышение температуры за счет достижений металлургии идет очень медленно. За последние 10-12 лет они обеспечили повышение температуры на 100-150°, то есть по 10-12° в год. Таким образом, сегодня наши стационарные газовые турбины могли бы работать (если бы не было других путей борьбы с высокой температурой) всего при температуре около 700°. Высокая же экономичность стационарных газовых турбин может быть обеспечена только при более высокой температуре рабочих газов. Если металлурги будут повышать жаропрочность материалов теми же темпами (что вообще-то сомнительно), только через пятьдесят лет они обеспечат работу стационарных газовых турбин.
Инженеры сегодня идут по другому пути. Необходимо охлаждать, говорят они, элементы газовой турбины, омываемые горячими газами. В первую очередь это относится к сопловым аппаратам и лопаткам рабочего колеса газовой турбины. И для этой цели предложен целый ряд разнообразнейших решений.
Так, предлагается сделать лопатки полыми и охлаждать их изнутри либо холодным воздухом, либо жидкостью. Есть и другое предложение - обдувать поверхность лопатки холодным воздухом, создавая вокруг нее защитную холодную пленку, как бы одевая лопатку в рубашку из холодного воздуха. Можно, наконец, делать лопатку из пористого материала и через эти поры изнутри подавать охлаждающую жидкость, чтобы лопатка как бы «потела». Но все эти предложения очень сложны при непосредственном конструктивном решении.
Есть и еще одна нерешенная техническая задача в конструировании газовых турбин. Ведь одно из основных преимуществ газовой Турбины в том, что она может работать на твердом топливе. Наиболее целесообразно при этом сжигать распыленное твердое топливо прямо в камере сгорания турбины. Но оказывается, что мы не умеем при этом достаточно эффективно отделять от газов горения твердые частички золы и шлака. Эти частички размерами более 10-15 микрон вместе с потоком раскаленных газов попадают на лопатки турбины и царапают, разрушают их поверхность. Радикальная очистка газов горения от частиц золы и шлака или сжигание распыленного топлива так, чтобы образовались твердые частички только меньше 10 микрон, - вот еще одна задача, которая должна быть решена для того, чтобы газовая турбина «сошла с небес на землю».
В АВИАЦИИ
А как же в авиации? Почему высоко в небе к. п. д. газовой турбины при одинаковых температурах газов больше, чем на земле? Потому что основным критерием для экономичности ее работы является вообще-то не температура газов горения, а отношение этой температуры к температуре наружного воздуха. А на высотах, освоенных нашей современной авиацией, эти температуры всегда сравнительно низкие.
Благодаря этому в авиации газовая турбина и стала в настоящее время основным типом двигателя. Сейчас скоростные самолеты отказались от поршневого мотора. На самолетах дальнего действия используется газовая турбина в виде воздушно-реактивного газотурбинного или турбовинтового двигателя. В авиации с особой силой сказались преимущества газовой турбины перед другими двигателями в отношении габаритов и веса.
А преимущества эти, выраженные точным языком цифр, примерно таковы: поршневой двигатель у земли имеет вес 0,4-0,5 кг на 1 л.с., газотурбинный - 0,08-0,1 кг на 1 л.с.. В высотных же условиях, скажем на высоте 10 км, поршневой мотор становится уже раз в десять тяжелее газотурбинного воздушно-реактивного двигателя.
В настоящее время официальный мировой рекорд скорости, достигнутый на самолете с турбореактивным двигателем, составляет 1212 км/час. Проектируются самолеты и для скоростей, намного превышающих скорость звука (напомним, что скорость звука у земли равна приблизительно 1220 км/час).
Даже из сказанного видно, каким революционным двигателем является в авиации газовая турбина. История еще не знала случаев, чтобы за такой короткий срок (10-15 лет) новый тип двигателя полностью вытеснил в целой области техники другой, совершенный тип двигателя.
НА ЛОКОМОТИВЕ
С самого появления железных дорог и до конца прошлого столетия паровая машина - паровоз - являлась единственным типом железнодорожного двигателя. В начале нашего столетия появился новый, более экономичный и совершенный локомотив - электровоз. Приблизительно лет тридцать тому назад на железных дорогах появляются и другие новые типы локомотивов - тепловозы и паротурбовозы.
Конечно, и паровоз за время своего существования претерпел много существенных изменений. Изменялась и его конструкция, изменялись и основные параметры - скорость, вес, мощность. Постоянно улучшались и тягово-теплотехнические характеристики паровозов, чему способствовало введение повышенной температуры перегретого пара, подогрева питательной воды, подогрева воздуха, подаваемого в топку, применение пылеугольного отопления и т. д. Однако экономичность паровозов до сих пор остается очень низкой и достигает всего 6-8%.
Известно, что железнодорожный транспорт, главным образом паровозы, расходует около 30-35°/о всего добываемого в стране угля. Повышение экономичности паровозов всего на несколько процентов означало бы гигантскую экономию, исчисляемую десятками миллионов тонн угля, добытого из-под земли тяжелым трудом шахтеров.
Низкая экономичность является главным и самым существенным недостатком паровоза, но не единственным. Как известно, в качестве двигателя на паровозе применяется паровая машина, одним из основных узлов которой является шатунно-кривошипный механизм. Этот механизм является источником вредных и опасных сил, действующих на железнодорожный путь, что резко ограничивает мощность паровозов.
Следует отметить также, что паровая машина плохо приспособлена для работы с паром высоких параметров. Ведь смазка цилиндра паровой машины обычно осуществляется вбрызгом масла в свежий пар, а масло имеет сравнительно невысокую температурную стойкость.
Что же можно получить, если в качестве локомотивного двигателя применить газовую турбину?
Как тяговый двигатель, газовая турбина имеет целый ряд преимуществ перед поршневыми машинами - паровой и внутреннего сгорания. Газовая турбина не требует водопитания и водоохлаждения, расходует совершенно незначительное количество смазки. Газовая турбина с успехом работает на низкосортном жидком топливе и может работать на твердом топливе - каменном угле. Твердое топливо в газовой турбине можно сжигать, во-первых, в виде газа после его предварительной газификации в так называемых газогенераторах. Можно твердое топливо сжигать в виде пыли и непосредственно в камере горения.
Лишь одно освоение сжигания твердого топлива в газовых турбинах без существенного повышения температуры газа и даже без устройства теплообменников даст возможность построить газотурбовоз с эксплуатационной экономичностью порядка 13-15% вместо к. п. д. у лучших паровозов 6-8%.
Мы получим огромный экономический эффект: во-первых, газотурбовоз сможет использовать любое топливо, в том числе и мелочь (на мелочи обычный паровоз работает значительно хуже, так как унос в трубу в этом случае может достигать 30-40%), во-вторых, и самое главное, расход топлива сократится в 2-2,5 раза, а это значит, что из 30-35% от всей добычи угля в Союзе, который расходуется на паровозы, освободится 15-18%. Как видно из приведенных цифр, замена паровозов газотурбовозами даст колоссальный экономический эффект.
НА ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ
Крупные районные тепловые электростанции являются вторым важнейшим потребителем угля. Они расходуют примерно 18-20% от всего количества угля, добываемого в нашей стране. На современных районных электростанциях в качестве двигателя работают только паровые турбины, мощность которых в одном агрегате достигает 150 тыс. кВт.
В газотурбинной стационарной установке, применив все возможные методы повышения экономичности ее работы, можно было бы получить коэффициент полезного действия порядка 55-60%, то есть в 1,5-1,6 раза выше, чем у лучших паротурбинных установок, так что с точки зрения экономичности мы здесь опять имеем превосходство газовой турбины.
Много сомнений вызывает возможность создания газовых турбин крупных мощностей порядка 100-200 тыс. кВт, тем более, что в настоящее время самая мощная газовая турбина имеет мощность лишь в 27 тыс. кВт. Основное затруднение при создании турбины крупной мощности возникает при конструировании последней ступени турбины.
Собственно газовая турбина бывает в газотурбинных установках как одноступенчатой (сопловой аппарат и один диск с рабочими лопатками), так и многоступенчатой - как бы несколько последовательно соединенных отдельных ступеней. По ходу течения газа в турбине от первой ступени к последней размеры дисков и длины рабочих лопаток из-за роста удельного объема газа увеличиваются и достигают своих наибольших значений на последней ступени. Однако по условиям прочности длины лопаток, которые должны выдерживать напряжения от центробежных сил, не могут превосходить совершенно определенных величин для заданного числа оборотов турбины и заданного материала лопаток. Значит, при проектировании последней ступени
турбины размеры ее не должны превосходить определенных предельных значений. В этом и заключается основное затруднение.
Расчеты показывают, что газовые турбины высоких и сверхвысоких мощностей (порядка 100 тыс. кВт) могут быть сконструированы только при условии резкого повышения температуры газов перед турбиной. У инженеров есть своеобразный коэффициент удельной мощности газовой турбины, исчисляемый в кВт на 1 кв. метр площади последней ступени турбины. Для установок с мощными паровыми турбинами, имеющими коэффициент полезного действия порядка 35%, он равен 16,5 тыс. кВт на кв. м. У газовых турбин с температурой газов горения в 600° он равен всего 4 тыс. на кв. м. Соответственно коэффициент полезного действия таких газотурбинных установок простейшей схемы не превышает 22%. Стоит поднять у турбины температуру тазов до 1150°, как коэффициент удельной мощности вырастает до 18 тыс. кВт на кв. м., а к. п. д. соответственно до 35%. У более совершенной же газовой турбины, работающей с температурой газов в 1300е, он вырастает уже до 42,5 тыс. на кв. м, а коэффициент полезного действия соответственно до 53,5%!
НА АВТОМОБИЛЕ
Как известно, основным двигателем всех автомобилей является двигатель внутреннего сгорания. Однако за последние пять-восемь лет появились опытные образцы как грузовых, так и легковых автомобилей с газовой турбиной. Это еще раз служит подтверждением того, что газовая турбина явится двигателем ближайшего будущего во многих областях народного хозяйства.
Какие же преимущества может дать газовая турбина в качестве автомобильного двигателя?
Первое - это отсутствие коробки передач. Газовая двухвальная турбина обладает прекрасной тяговой характеристикой, развивая максимальное усилие при трогании с места. Мы получаем, как следствие, большую приемистость автомобиля.
Автомобильная турбина работает на дешевом топливе, имеет малые габариты. Но так как автомобильная газовая турбина является еще совсем молодым типом двигателя, перед конструкторами, пытающимися создать двигатель, конкурирующий с поршневым, постоянно встает множество вопросов, требующих решения.
Крупным недостатком всех существующих автомобильных газовых турбин сравнительно с поршневыми двигателями внутреннего сгорания является их малая экономичность. Для автомобилей требуются двигатели сравнительно малой мощности, даже 25-тонный грузовик имеет двигатель мощностью приблизительно в 300 л. с., а эта мощность является очень малой для газовой турбины. Для такой мощности турбина получается очень малых размеров, в результате чего коэффициент полезного действия установки будет низким (12- 15%), к тому же он резко падает при уменьшении нагрузки.
Чтобы судить о размерах, которые может иметь газовая турбина автомобиля, приведем следующие данные: объем, занимаемый такой газовой турбиной, приблизительно в десять раз меньше объема поршневого двигателя той же мощности. Турбину приходится делать с большим числом оборотов (порядка 30-40 тыс. об/мин), а в некоторых случаях и выше (до 50 тыс. об/мин). Пока такие высокие числа оборотов осваиваются с трудом.
Таким образом, малая экономичность и конструктивные трудности, еызываемые высокими оборотами и малыми размерами газовой турбины, являются основным тормозом постановки газовой турбины на автомобиль.
Настоящий период времени является для автомобильной газовой турбины периодом рождения, но недалеко то время, когда будет создана и высокоэкономичная газотурбинная установка малой мощности. Огромные перспективы откроются для автомобильной газовой турбины, работающей на твердом топливе, так как автотранспорт является одним из наиболее емких потребителей жидкого топлива, и перевод автотранспорта на уголь даст огромный народнохозяйственный эффект.
Мы коротко познакомились с теми областями народного хозяйства, где газовая турбина как двигатель уже заняла или может занять в скором времени свое достойное место. Имеется еще целый ряд отраслей промышленности, в которых газовая турбина имеет такие преимущества по сравнению с другими двигателями, что применение ее является безусловно выгодным. Так, например, имеются все возможности широкого применения газовой турбины и на судах, где ее малые габаритные и весовые показатели имеют большое значение.
Советские ученые и инженеры уверенно работают над совершенствованием газовых турбин, устранением конструктивных трудностей, препятствующих ее широкому распространению. Эти трудности, бесспорно, будут устранены, и тогда начнется решительное внедрение газовой турбины в железнодорожном транспорте, в стационарной энергетике.
Пройдет немного времени, и газовая турбина перестанет быть двигателем будущего, а станет основным двигателем в различных отраслях народного хозяйства.
Одну из простейших конструкций газотурбинного двигателя, для понятия его работы, можно представить как вал, на котором находится два диска с лопатками, первый диск - компрессора, второй - турбины, в промежутке между ними установлена камера сгорания.
Принцип работы газотурбинного двигателя:
Увеличение количества подаваемого топлива (добавление «газа») вызывает генерирование большего количества газов высокого давления, что, в свою очередь, ведёт к увеличению числа оборотов турбины и диска(ов) компрессора и, вследствие этого, увеличению количества нагнетаемого воздуха и его давления, что позволяет подать в камеру сгорания и сжечь больше топлива. Количество топливо-воздушной смеси зависит напрямую от количества воздуха, поданного в камеру сгорания. Увеличение количества ТВС (топливо-воздушной смеси) приведёт к увеличению давления в камере сгорания и температуры газов на выходе из камеры сгорания и, вследствие этого, позволяет создать бо́льшую энергию выбрасываемых газов, направленную для вращения турбины и повышения реактивной силы .
Чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала(ов), необходимая для поддержания максимальной линейной скорости лопаток, так как длина окружности (путь, проходимый лопатками за один оборот), прямо зависит от радиуса ротора. Максимальная скорость турбинных лопаток определяет максимальное давление, которое может быть достигнуто, что приводит к получению максимальной мощности, независимо от размера двигателя. Вал реактивного двигателя вращается с частотой около 10000 об/мин и микротурбина - с частотой около 100000 об/мин.
Для дальнейшего развития авиационных и газотурбинных двигателей рационально применять новые разработки в области высокопрочных и жаропрочных материалов для возможности повышения температуры и давления. Применения новых типов камер сгорания, систем охлаждения, уменьшения числа и массы деталей и двигателя в целом возможно в прогрессе применение альтернативных видов топлива, изменение самого представления конструкции двигателя.
Газотурбинная установка (ГТУ) с замкнутым циклом
В ГТУ с замкнутым циклом рабочий газ циркулирует без контакта с окружающей средой. Нагрев (перед турбиной) и охлаждение (перед компрессором) газа производится в теплообменниках . Такая система позволяет использовать любой источник тепла (например, газоохлаждаемый ядерный реактор). Если в качестве источника тепла используется сгорание топлива, то такое устройство называют двигателем внешнего сгорания. На практике ГТУ с замкнутым циклом используются редко.
Газотурбинная установка (ГТУ) с внешним сгоранием
При внешнем сгорании в качестве топлива используется пылевидный уголь или мелкоистолчённая биомасса (например, опилки). Внешнее сжигание газа используется как непосредственно, так и косвенно. В прямой системе сквозь турбину проходят продукты сгорания. В косвенной системе используется теплообменник , и через турбину проходит чистый воздух. Тепловой КПД ниже в системе внешнего сгорания косвенного типа, однако лопасти не подвергаются воздействию продуктов сгорания. Одновальные и многовальные газотурбинные двигателиПростейший газотурбинный двигатель имеет только один вал, куда устанавливается турбина, которая приводит во вращение компрессор и одновременно является источником полезной мощности. Это накладывает ограничение на режимы работы двигателя. Иногда двигатель выполняется многовальным. В этом случае имеется несколько последовательно стоящих турбин, каждая из которых приводит свой вал. Турбина высокого давления (первая после камеры сгорания) всегда приводит в движение компрессор двигателя, а последующие могут приводить как внешнюю нагрузку (винты вертолёта или корабля , мощные электрогенераторы и так далее), так и дополнительные каскады компрессора самого двигателя, расположенные перед основным. Разбиение компрессора на каскады (каскад низкого давления, каскад высокого давления - КНД и КВД соответственно , иногда между ними помещается каскад среднего давления, КСД, как, например, в двигателе НК-32 самолёта Ту-160) позволяет избежать помпажа на частичных режимах. Также преимущество многовального двигателя в том, что каждая турбина работает при оптимальной скорости вращения и нагрузке. При нагрузке, приводимой от вала одновального двигателя, была бы очень плохая приёмистость двигателя, то есть способность к быстрой раскрутке, так как турбине требуется поставлять мощность и для обеспечения двигателя большим количеством воздуха (мощность ограничивается количеством воздуха), и для разгона нагрузки. При двухвальной схеме лёгкий ротор высокого давления быстро выходит на режим, обеспечивая двигатель воздухом, а турбину низкого давления - большим количеством газов для разгона. Также есть возможность использовать менее мощный стартёр для разгона при пуске только ротора высокого давления. Система запускаДля запуска ГТД нужно раскрутить его ротор до определённых оборотов, чтобы компрессор начал подавать достаточное количество воздуха (в отличие от объёмных компрессоров, подача инерционных (динамических) компрессоров квадратично зависит от частоты вращения и поэтому на малых оборотах практически отсутствует), и поджечь подаваемое в камеру сгорания топливо. Со второй задачей справляются свечи зажигания , зачастую установленные на специальных пусковых форсунках, а раскрутка выполняется стартером той или иной конструкции: Типы газотурбинных двигателейТурбореактивный двигательВ полёте поток воздуха тормозится во входном устройстве перед компрессором, в результате чего его температура и давление повышается. На земле во входном устройстве воздух ускоряется, его температура и давление снижаются. Проходя через компрессор, воздух сжимается, его давление повышается в 10-45 раз, возрастает его температура. Компрессоры газотурбинных двигателей делятся на осевые и центробежные. В наши дни в двигателях наиболее распространены многоступенчатые осевые компрессоры. Центробежные компрессоры, как правило, применяются в малогабаритных силовых установках. Далее сжатый воздух попадает в камеру сгорания, в так называемые жаровые трубы, либо в кольцевую камеру сгорания, которая не состоит из отдельных труб, а является цельным кольцевым элементом. В наши дни кольцевые камеры сгорания являются наиболее распространёнными. Трубчатые камеры сгорания используются гораздо реже, в основном на военных самолётах. Воздух на входе в камеру сгорания разделяется на первичный, вторичный и третичный. Первичный воздух поступает в камеру сгорания через специальное окно в передней части, по центру которого расположен фланец крепления форсунки, и участвует непосредственно в окислении (сгорании) топлива (формировании топливо-воздушной смеси). Вторичный воздух поступает в камеру сгорания сквозь отверстия в стенках жаровой трубы, охлаждая, придавая форму факелу и не участвуя в горении. Третичный воздух подаётся в камеру сгорания уже на выходе из неё, для выравнивания поля температур. При работе двигателя в передней части жаровой трубы всегда вращается вихрь раскалённого газа (что обусловлено специальной формой передней части жаровой трубы), постоянно поджигающего формируемую топливовоздушную смесь, происходит сгорание топлива (керосина , газа), поступающего через форсунки в парообразном состоянии. Газовоздушная смесь расширяется и часть её энергии преобразуется в турбине через рабочие лопатки в механическую энергию вращения основного вала. Эта энергия расходуется, в первую очередь, на работу компрессора, а также используется для привода агрегатов двигателя (топливных подкачивающих насосов, масляных насосов и т. п.) и привода электрогенераторов, обеспечивающих энергией различные бортовые системы. Основная часть энергии расширяющейся газовоздушной смеси идёт на ускорение газового потока в сопле и создание реактивной тяги. Чем выше температура сгорания, тем выше КПД двигателя. Для предупреждения разрушения деталей двигателя для их изготовления используют жаропрочные сплавы и термобарьерные покрытия . А также применяется система охлаждения воздухом, отбираемым от средних ступеней компрессора. Турбореактивный двигатель с форсажной камеройТурбореактивный двигатель с форсажной камерой (ТРДФ) - модификация ТРД, применяемая в основном на сверхзвуковых самолётах . Между турбиной и соплом устанавливается дополнительная форсажная камера , в которой сжигается дополнительное горючее. В результате происходит увеличение тяги (форсаж) до 50 %, но расход топлива резко возрастает. Двигатели с форсажной камерой, как правило, не используются в коммерческой авиации по причине их низкой экономичности. Двухконтурный турбореактивный двигательВ турбореактивном двухконтурном двигателе (ТРДД) воздушный поток попадает в компрессор низкого давления, после чего часть потока проходит по обычной схеме через турбокомпрессор, а остальная часть (холодная) проходит через внешний контур и выбрасывается без сгорания, создавая дополнительную тягу. В результате снижается температура выходного газа, снижается расход топлива и уменьшается шум двигателя. Отношение количества воздуха, прошедшего через внешний контур, к количеству прошедшего через внутренний контур воздуха называется степенью двухконтурности (m ). При степени двухконтурности <4 потоки контуров на выходе, как правило, смешиваются и выбрасываются через общее сопло, если m > 4 - потоки выбрасываются раздельно, так как из-за значительной разности давлений и скоростей смешение затруднительно. Применение второго контура в двигателях для военной авиации позволяет охлаждать горячие части двигателя, это позволяет увеличивать температуру газов перед турбиной, что способствует дополнительному повышению тяги. Двигатели с малой степенью двухконтурности (m < 2 ) применяются для сверхзвуковых самолётов, двигатели с m > 2 для дозвуковых пассажирских и транспортных самолётов. Турбовентиляторный двигательТурбовентиляторный реактивный двигатель (ТВРД) - это ТРДД со степенью двухконтурности m=2-10. Здесь компрессор низкого давления преобразуется в вентилятор, отличающийся от компрессора меньшим числом ступеней и большим диаметром, и горячая струя практически не смешивается с холодной. Применяется в гражданской авиации, двигатель имеет большой назначенный ресурс и малый удельный расход топлива на дозвуковых скоростях. Турбовинтовентиляторный двигательДальнейшим развитием ТВРД с увеличением степени двухконтурности m=20-90 является турбовинтовентиляторный двигатель (ТВВД). В отличие от турбовинтового двигателя, лопасти двигателя ТВВД имеют саблевидную форму, что позволяет перенаправить часть воздушного потока в компрессор и повысить давление на входе компрессора. Такой двигатель получил название винтовентилятор и может быть как открытым, так и закапотированным кольцевым обтекателем. Второе отличие - винтовентилятор приводится от турбины не напрямую, а, как винт, через редуктор. Двигатель наиболее экономичен, но при этом крейсерская скорость полёта ЛА, с такими типами двигателей, обычно не превышает 550 км/ч, имеются более сильные вибрации и «шумовое загрязнение». Турбовинтовой двигательВ турбовинтовом двигателе (ТВД) основное тяговое усилие обеспечивает воздушный винт , соединённый через редуктор с валом турбокомпрессора. Для этого используется турбина с увеличенным числом ступеней, так что расширение газа в турбине происходит почти полностью и только 10-15 % тяги обеспечивается за счёт газовой струи. Турбовинтовые двигатели гораздо более экономичны на малых скоростях полёта и широко используются для самолётов , имеющих большую грузоподъёмность и дальность полёта - например, Ан-12 , Ан-22 , C-130 . Крейсерская скорость самолётов, оснащённых ТВД, 500-700 км/ч. Вспомогательная силовая установка (ВСУ)ВСУ - небольшой газотурбинный двигатель, являющийся автономным источником энергии на борту. Простейшие ВСУ могут выдавать только сжатый воздух, отбираемый от компрессора турбины, который используется для запуска маршевых (основных) двигателей, либо для работы системы кондиционирования на земле (пример, ВСУ типа АИ-9 , применяемая на вертолётах и самолёте Як-40). Более сложные ВСУ, помимо источника сжатого воздуха, выдают электрический ток в бортовую сеть, то есть являются полноценным автономным энергоузлом, обеспечивающем нормальное функционирование всех бортовых систем самолёта без запуска основных двигателей, а также при отсутствии наземных аэродромных источников энергии. Такова, например, ВСУ ТА-12 самолётов Ан-124 , Ту-95МС , Ту-204 , Ан-74 и других. Турбовальный двигательТакой двигатель чаще всего имеет свободную турбину. Вся турбина поделена на две части, между собой механически несвязанные. Связь между ними только газодинамическая. Газовый поток, вращая первую турбину, отдает часть своей мощности для вращения компрессора и далее, вращая вторую, тем самым через вал этой (второй) турбины приводит в действие полезные агрегаты. Реактивное сопло на турбовальном двигателе отсутствует. Выходное устройство для отработанных газов соплом не является и тяги не создаёт. Выходной вал ТВаД, с которого снимается вся полезная мощность, может быть направлен как назад, через канал выходного устройства, так и вперед, либо через полый вал турбокомпрессора, либо через редуктор вне корпуса двигателя. ТурбостартёрТС - агрегат, устанавливаемый на газотурбинном двигателе и предназначенный для его раскрутки при запуске. Такие устройства представляют собой миниатюрный, простой по конструкции турбовальный двигатель, свободная турбина которого раскручивает ротор основного двигателя при его запуске. В качестве примера: турбостартёр ТС-21, используемый на двигателе АЛ-21Ф-3 , который устанавливается на самолёты типа Су-24 , или ТС-12, устанавливаемый на авиационные двигатели НК-12 самолётов Ту-95 и Ту-142 . ТС-12 имеет одноступенчатый центробежный компрессор, двухступенчатую осевую турбину привода компрессора и двухступенчатую свободную турбину. Номинальные обороты ротора компрессора в начале запуска двигателя - 27 тысяч мин −1 , по мере раскрутки ротора НК-12 за счёт роста оборотов свободной турбины ТС-12 противодавление за турбиной компрессора падает и обороты возрастают до 30 тысяч мин −1 . Турбостартёр ГТДЭ-117 двигателя АЛ-31Ф также выполнен со свободной турбиной, а стартёр С-300М двигателя АМ-3 , стоявшего на самолётах Ту-16 , Ту-104 и М-4 - одновальный и раскручивает ротор двигателя через гидромуфту . Судовые установкиИспользуются в судовой промышленности для снижения веса. General Electric LM2500 и LM6000 - характерные модели этого типа машин. Суда, использующие турбовальные газотурбинные двигатели называют газотурбоходами . Они являются разновидностью теплохода. Это чаще всего суда на подводных крыльях, у которых гребной винт приводит в движение турбовальный двигатель механически через редуктор или электрически через генератор, который он вращает. Либо это суда на воздушной подушке, которая создаётся при помощи ГТД. Например, газотурбоход «Циклон-М» с 2 газотурбинными двигателями ДО37. Пассажирских газотурбоходов за российскую историю было всего два. Последнее очень перспективное судно «Циклон-М» появилось в 1986 году. Более таких судов не строили. В военной сфере в этом плане дела обстоят несколько лучше. Примером является десантный корабль «Зубр», самое большое в мире судно на воздушной подушке. Железнодорожные установкиЛокомотивы, на которых стоят турбовальные газотурбинные двигатели, называются газотурбовозами (разновидность тепловоза). На них используется электрическая передача. ГТД вращает электрогенератор, а вырабатываемый им ток, в свою очередь, питает электродвигатели , приводящие локомотив в движение. В 1960-е годы в СССР проходили довольно успешную опытную эксплуатацию три газотурбовоза. Два пассажирских и один грузовой. Однако они не выдержали соревнования с электровозами и в начале 1970-х годов проект был свёрнут. Но в 2007 году по инициативе ОАО «РЖД» был изготовлен опытный образец грузового газотурбовоза, работающий на сжиженном природном газе . ГТ1 успешно прошёл испытания, позднее был построен второй газотурбовоз, с той же силовой установкой, но на другой ходовой части, машины эксплуатируются. Перекачка природного газаПринцип работы газоперекачивающей установки практически не отличается от турбовинтовых двигателей , ТВаД используются здесь в качестве привода мощных насосов, а в качестве топлива используется тот же самый газ, который они перекачивают. В отечественной промышленности для этих целей широко применяются двигатели, созданные на базе авиационных - НК-12 (НК-12СТ) , НК-32 (НК-36СТ), так как на них можно использовать детали авиадвигателей, выработавшие свой лётный ресурс . ЭлектростанцииТурбовальный газотурбинный двигатель может использоваться для привода электрогенератора на электростанциях , основу которой составляют один или несколько таких двигателей. Такая электростанция может иметь электрическую мощность от двадцати киловатт до сотен мегаватт. Однако, газотурбинный двигатель, помимо вращения, также производит большое количество тепла, которое также может быть использовано для производства электроэнергии или теплоснабжения, поэтому наиболее эффективно его применение совместно с котлом-утилизатором . Полученный в котле-утилизаторе пар подаётся в паротурбинную установку , в таком случае вся установка в целом называется парогазовой , либо подаётся в сетевой подогреватель для использования в теплофикации , в таком случае установка называется газотурбинной ТЭЦ . Турбовальные двигатели (ТВаД) установлены на советском танке Т-80 (двигатель ГТД-1000Т) и американском М1 Абрамс . Газотурбинные двигатели, устанавливаемые на танках, имеют при схожих с дизельными размерах гораздо бо́льшую мощность, меньший вес и меньшую шумность, меньшую дымность выхлопа. Также ТВаД лучше удовлетворяет требованиям многотопливности, гораздо легче запускается, - оперативная готовность танка с ГТД, то есть запуск двигателя и последующий вход в рабочий режим всех его систем, занимает несколько минут, что для танка с дизельным двигателем в принципе невозможно, а в зимних условиях при низких температурах дизелю требуется достаточно длительный предпусковой прогрев, который не требуется ТВаД. Из-за отсутствия жёсткой механической связи турбины и трансмиссии на застрявшем или просто упёршемся в препятствие танке двигатель не глохнет. В случае попадания воды в двигатель (утоплении танка) достаточно выполнить так называемую холодную прокрутку ГТД для удаления воды из газовоздушного тракта и после этого двигатель можно запускать - на танке с дизельным двигателем в аналогичной ситуации происходит гидроудар , ломающий детали цилиндро-поршневой группы и непременно требующий замены двигателя. Однако из-за низкого КПД газотурбинных двигателей, установленных на тихоходных (в отличие от самолётов) транспортных средствах, требуется гораздо большее количество возимого топлива для сравнимого с дизельным двигателем километрового запаса хода. Именно из-за расхода топлива, невзирая на все достоинства, танки типа Т-80 поэтапно выводятся из эксплуатации. Неоднозначным оказался опыт эксплуатации танковых ТВаД М1 Абрамс в условиях высокой запылённости (например в песчаных пустынях). В отличие от него, Т-80 благополучно может эксплуатироваться в условиях высокой запылённости, - конструктивно хорошо продуманная система очистки поступающего в двигатель воздуха на Т-80 надёжно защищает ГТД от песка и пыли. «Абрамсы», напротив, «задохнулись» - во время двух кампаний против Ирака при прохождении пустынь довольно много «Абрамсов» встали, так как их двигатели забились песком [ ] . Автостроение
|
ИДЕЯ применить в автомобилях газотурбинные двигатели возникла давно. Но лишь за последние несколько лет их конструкция достигла той степени совершенства, которая дает им право на существование.
Высокий уровень развития теории лопаточных двигателей, металлургии и техники производства обеспечивает теперь реальную
возможность создания надежных газотурбинных двигателей, способных с успехом заменить на автомобиле поршневые двигатели внутреннего сгорания.
Что представляет собой газотурбинный двигатель?
На рис. показана принципиальная схема такого двигателя. Ротационный компрессор, находящийся на одном валу с газовой турбиной, засасывает воздух из атмосферы, сжимает его и нагнетает в камеру сгорания.
Топливный насос, также приводимый в движение от вала турбины, нагнетает топливо в форсунку, установленную в камере сгорания. Газообразные продукты сгорания поступают через направляющий аппарат на рабочие лопатки колеса газовой турбины и заставляют его вращаться в одном, определенном направлении. Газы, отработавшие в турбине, выпускаются в атмосферу через патрубок. Вал газовой турбины вращается в подшипниках.
По сравнению с поршневыми двигателями внутреннего сгорания газотурбинный двигатель обладает весьма существенными преимуществами. Правда, он тоже еще не свободен от недостатков, но они постепенно ликвидируются по мере развития конструкции.
Характеризуя газовую турбину, прежде всего следует отметить, что она, как и паровая турбина, может развивать большие обороты. Это дает возможность получать значительную мощность от гораздо меньших по размерам (по сравнению с поршневыми) и почти в 10 раз более легких по весу двигателей.
Вращательное движение вала является по существу единственным видом движения в газовой турбине, в то время как в двигателе внутреннего сгорания, помимо вращательного движения коленчатого вала, имеет место возвратно-поступательное движение поршня, а также сложное движение шатуна. Газотурбинные двигатели не требуют специальных устройств для охлаждения. Отсутствие трущихся деталей при минимальном количестве подшипников обеспечивают длительную работоспособность и высокую надежность газотурбинного двигателя.
Для питания газотурбинного двигателя используется керосин либо топлива типа дизельных.
Основная причина, которая сдерживает развитие автомобильных газотурбинных двигателей, заключается в необходимости искусственно ограничивать температуру газов, поступающих на лопатки турбины. Это снижает коэффициент полезного действия двигателя и приводит к повышенному удельному расходу топлива (на 1 л. с). Температуру газа приходится ограничивать для газотурбинных двигателей пассажирских и грузовых автомобилей в пределах 600-700°С, а в авиационных турбинах до 800-900°С потому, что еще очень дороги высокожаропрочные сплавы.
В настоящее время уже существуют некоторые способы повышения коэффициента полезного действия газотурбинных двигателей путем охлаждения лопаток, использования тепла отработавших газов для подогрева поступающего в камеры сгорания воздуха, производства газов в высоко эффективных свободно-поршневых генераторах, работающих по дизель-компрессорному циклу с высокой степенью сжатия и т. д. От успеха работ в этой области во многом зависит решение проблемы создания высокоэкономичного автомобильного газотурбинного двигателя.
Принципиальная схема двухвального газотурбинного двигателя с теплообменником
Большинство существующих автомобильных газотурбинных двигателей построено по так называемой двухвальной схеме с теплообменниками. Здесь для привода компрессора 1 служит специальная турбина 8, а для привода колес автомобиля - тяговая турбина 7. Валы турбин не соединены между собой. Газы из камеры сгорания 2 вначале поступают на лопатки турбины привода компрессора, а затем на лопатки тяговой турбины. Воздух, нагнетаемый компрессором, прежде чем поступить в камеры сгорания, подогревается в теплообменниках 3 за счет тепла, отдаваемого отработавшими газами. Применение двухвальной схемы создает выгодную тяговую характеристику газотурбинных двигателей, позволяющую сократить число ступеней в обычной коробке передач автомобиля и улучшить его динамические качества.
Ввиду того, что вал тяговой турбины механически не связан с валом турбины компрессора, число его оборотов может изменяться в зависимости от нагрузки, не оказывая существенного влияния на число оборотов вала компрессора. Вследствие этого характеристика крутящего момента газотурбинного двигателя имеет вид, представленный на рис., где для сопоставления нанесена также и характеристика поршневого автомобильного двигателя (пунктиром).
Из диаграммы видно, что у поршневого двигателя по мере уменьшения числа оборотов, происходящего под влиянием возрастающей нагрузки, крутящий момент вначале несколько возрастает, а затем падает. В то же время у двухвального газотурбинного двигателя крутящий момент автоматически возрастает по мере увеличения нагрузки. В результате необходимость в переключении коробки передач отпадает либо наступает значительно позже, чем у поршневого двигателя. С другой стороны, ускорения при разгоне у двухвального газотурбинного двигателя будут значительно большими.
Характеристика одновального газотурбинного двигателя отличается от показанной на рис. и, как правило, уступает, с точки зрения требований динамики автомобиля, характеристике поршневого двигателя (при равной мощности).
Большую перспективу имеет газотурбинный двигатель. В этом двигателе газ для турбины вырабатывается в так называемом свободно-поршневом генераторе, представляющем собой двухтактный дизель и поршневой компрессор, объединенные в общем блоке. Энергия от поршней дизеля передается непосредственно поршням компрессора.
Ввиду того, что движение поршневых групп осуществляется исключительно под действием давления газов и режим движения зависит только от протекания термодинамических процессов в дизельном и компрессорных цилиндрах, такой агрегат и называется свободно-поршневым. В его средней части расположен открытый с двух сторон цилиндр 4, имеющий прямоточную щелевую продувку, в котором протекает двухтактный рабочий процесс с воспламенением от сжатия. В цилиндре оппозитно перемещаются два поршня, один из которых 9 во время рабочего хода открывает, а во время возвратного хода закрывает выхлопные окна, прорезанные в стенках цилиндра. Другой поршень 3 также открывает и закрывает продувочные окна. Поршни связаны между собой легким реечным или рычажным синхронизирующим механизмом, не показанным на схеме. Когда они сближаются, воздух, заключенный между ними, сжимается; к моменту достижения мертвой точки температура сжимаемого воздуха становится достаточной для воспламенения топлива, которое впрыскивается через форсунку 5. В результате сгорания топлива образуются газы, обладающие высокой температурой и давлением; они заставляют поршни разойтись в стороны, при этом поршень 9 открывает выхлопные окна, через которые газы устремляются в газосборник 7. Затем открываются продувочные окна, через которые в цилиндр 4 поступает сжатый воздух, вытесняет из цилиндра выхлопные газы, смешивается с ними и также поступает в газосборник. За то время, пока продувочные окна остаются открытыми, сжатый воздух успевает очистить цилиндр от выхлопных газов и заполнить его, подготовив таким образом двигатель к следующему рабочему ходу.
С поршнями 3 и 9 связаны компрессорные поршни 2, двигающиеся в своих цилиндрах. При расходящемся ходе поршней идет всасывание воздуха из атмосферы в компрессорные цилиндры, при этом самодействующие впускные клапана 10 открыты, а выпускные 11 закрыты. При встречном ходе поршней впускные клапана закрыты, а выпускные открыты и через них воздух нагнетается в ресивер 6, окружающий дизельный цилиндр. Поршни двигаются навстречу друг другу за счет энергии воздуха, накопившейся в буферных полостях 1 во время предыдущего рабочего хода. Газы из сборника 7 поступают в тяговую турбину 8, вал которой соединен с трансмиссией. Следующее сопоставление коэффициентов полезного действия показывает, что описанный газотурбинный двигатель уже сейчас по своей эффективности не уступает двигателям внутреннего сгорания:
Дизель 0,26-0,35
Двигатель бензиновый 0,22-0,26
Газовая турбина с камерами сгорания постоянного объема без теплообменника 0,12-0,18
Газовая турбина с камерами сгорания постоянного объема с теплообменником 0,15-0,25
Газовая турбина со свободно-поршневым генератором газа 0,25-0,35
Таким образом, КПД лучших образцов турбин не уступает КПД дизелей. Не случайно поэтому количество экспериментальных газотурбинных автомобилей различного типа возрастает с каждым годом. Все новые фирмы в различных странах объявляют о своих работах в этой области.
Этот двухкамерный двигатель, без теплообменника, имеет эффективную мощность 370 л. с. Топливом для него служит керосин. Скорость вращения вала компрессора достигает 26 000 об/мин, а скорость вращения вала тяговой турбины от 0 до 13 000 об/мин. Температура газов, поступающих на лопатки турбины, равна 815° Ц, давление воздуха на выходе из компрессора - 3,5 ат. Общий вес силовой установки, предназначенной для гоночного автомобиля, составляет 351 кг, причем газопроизводящая часть весит 154 кг, а тяговая часть с коробкой передач и передачей на ведущие колеса - 197 кг.
0Воздушно-реактивные двигатели по способу предварительного сжатия воздуха перед поступлением в камеру сгорания разделяются на компрессорные и бескомпрессорные. В бескомпрессорных воздушно-реактивных двигателях используется скоростной напор воздушного потока. В компрессорных двигателях воздух сжимается компрессором. Компрессорным воздушно-реактивным двигателем является турбореактивный двигатель (ТРД). В группу, получившую название смешанных или комбинированных двигателей, входят турбовинтовые двигатели (ТВД) и двухконтурные турбореактивные двигатели (ДТРД). Однако конструкция и принцип работы этих двигателей во многом схожи с турбореактивными двигателями. Часто все типы указанных двигателей объединяют под общим названием газотурбинных двигателей (ГТД). В качестве топлива в газотурбинных двигателях используется керосин.
Турбореактивные двигатели
Конструктивные схемы. Турбореактивный двигатель (рис. 100) состоит из входного устройства, компрессора, камеры сгорания, газовой турбины и выходного устройства.
Входное устройство предназначено для подвода воздуха к компрессору двигателя. В зависимости от расположения двигателя на самолете оно может входить в конструкцию самолета или в конструкцию двигателя. Входное устройство способствует повышению давления воздуха перед компрессором.
Дальнейшее повышение давления воздуха происходит в компрессоре. В турбореактивных двигателях применяются компрессоры центробежные (рис. 101) и осевые (см. рис. 100).
В осевом компрессоре при вращении ротора рабочие лопатки, воздействуя на воздух, закручивают его и заставляют двигаться вдоль оси в сторону выхода из компрессора.
В центробежном компрессоре при вращении рабочего колеса воздух увлекается лопатками и под действием центробежных сил движется к периферии. Наиболее широкое применение в современной авиации нашли двигатели с осевым компрессором.
Осевой компрессор включает в себя ротор (вращающаяся часть) и статор (неподвижная часть), к которому крепится входное устройство. Иногда во входных устройствах устанавливаются защитные сетки, предотвращающие попадание в компрессор посторонних предметов, которые могут привести к повреждению лопаток.
Ротор компрессора состоит из нескольких рядов профилированных рабочих лопаток, расположенных по окружности и последовательно чередующихся вдоль оси вращения. Роторы подразделяют на барабанные (рис. 102, а), дисковые (рис. 102, б) и барабаннодисковые (рис. 102, в).
Статор компрессора состоит из кольцевого набора профилированных лопаток, закрепленных в корпусе. Ряд неподвижных лопаток, называемых спрямляющим аппаратом, в совокупности с рядом рабочих лопаток называется ступенью компрессора.
В современных авиационных турбореактивных двигателях применяются многоступенчатые компрессоры, увеличивающие эффективность процесса сжатия воздуха. Ступени компрессора согласуются между собой таким образом, чтобы воздух на выходе из одной ступени плавно обтекал лопатки следующей ступени.
Нужное направление воздуха в следующую ступень обеспечивает спрямляющий аппарат. Для этой же цели служит и направляющий аппарат, устанавливаемый перед компрессором. В некоторых конструкциях двигателей направляющий аппарат может отсутствовать.
Одним из основных элементов турбореактивного двигателя является камера сгорания, расположенная за компрессором. В конструктивном отношении камеры сгорания выполняются трубчатыми (рис. 103), кольцевыми (рис. 104), трубчато-кольцевыми (рис. 105).
Трубчатая (индивидуальная) камера сгорания состоит из жаровой трубы и наружного кожуха, соединенных между собой стаканами подвески. В передней части камеры сгорания устанавливаются топливные форсунки и завихритель, служащий для стабилизации пламени. На жаровой трубе имеются отверстия для подвода воздуха, предотвращающего перегрев жаровой трубы. Поджигание топливо-воздушной смеси в жаровых трубах осуществляется специальными запальными устройствами, устанавливаемыми на отдельных камерах. Между собой жаровые трубы соединяются патрубками, которые обеспечивают поджигание смеси во всех камерах.
Кольцевая камера сгорания выполняется в форме кольцевой полости, образованной наружным и внутренним кожухами камеры. В передней части кольцевого канала устанавливается кольцевая жаровая труба, а в носовой части жаровой трубы - завихрители и форсунки.
Трубчато-кольцевая камера сгорания состоит из наружного и внутреннего кожухов, образующих кольцевое пространство, внутри которого размещаются индивидуальные жаровые трубы.
Для привода компрессора ТРД служит газовая турбина. В современных двигателях газовые турбины выполняются осевыми. Газовые турбины могут быть одноступенчатыми и многоступенчатыми (до шести ступеней). К основным узлам турбины относятся сопловые (направляющие) аппараты и рабочие колеса, состоящие из дисков и расположенных на их ободах рабочих лопаток. Рабочие колеса крепятся к валу турбины и образуют вместе с ним ротор (рис. 106). Сопловые аппараты располагаются перед рабочими лопатками каждого диска. Совокупность неподвижного соплового аппарата и диска с рабочими лопатками называется ступенью турбины. Рабочие лопатки крепятся к диску турбины при помощи елочного замка (рис. 107).
Выпускное устройство (рис. 108) состоит из выпускной трубы, внутреннего конуса, стойки и реактивного сопла. В некоторых случаях из условий компоновки двигателя на самолете между выпускной трубой и реактивным соплом устанавливается удлинительная труба. Реактивные сопла могут быть с регулируемым и нерегулируемым выходным сечением.
Принцип работы. В отличие от поршневого двигателя рабочий процесс в газотурбинных двигателях не разделен на отдельные такты, а протекает непрерывно.
Принцип работы турбореактивного двигателя заключается в следующем. В полете воздушный поток, набегающий на двигатель, проходит через входное устройство в компрессор. Во входном устройстве происходит предварительное сжатие воздуха и частичное преобразование кинетической энергии движущегося воздушного потока в потенциальную энергию давления. Более значительному сжатию воздух подвергается в компрессоре. В турбореактивных двигателях с осевым компрессором при быстром вращении ротора лопатки компрессора, подобно лопастям вентилятора, прогоняют воздух в сторону камеры сгорания. В установленных за рабочими колесами каждой ступени компрессора спрямляющих аппаратах вследствие диффузорной формы межлопаточных каналов происходит преобразование приобретенной в колесе кинетической энергии потока в потенциальную энергию давления.
В двигателях с центробежным компрессором сжатие воздуха происходит за счет воздействия центробежной силы. Воздух, входя в компрессор, подхватывается лопатками быстро вращающейся крыльчатки и под действием центробежной силы отбрасывается от центра к окружности колеса компрессора. Чем быстрее вращается крыльчатка, тем большее давление создается компрессором.
Благодаря компрессору ТРД могут создавать тягу при работе на месте. Эффективность процесса сжатия воздуха в компрессоре
характеризуется величиной степени повышения давления π к, которая представляет собой отношение давления воздуха на выходе из компрессора р 2 к давлению атмосферного воздуха р H
Воздух, сжатый во входном устройстве и компрессоре, далее поступает в камеру сгорания, разделяясь на два потока. Одна часть воздуха (первичный воздух), составляющая 25-35% от общего расхода воздуха, направляется непосредственно в жаровую трубу, где происходит основной процесс сгорания. Другая часть воздуха (вторичный воздух) обтекает наружные полости камеры сгорания, охлаждая последнюю, и на выходе из камеры смешивается с продуктами сгорания, уменьшая температуру газовоздушного потока до величины, определяемой жаропрочностью лопаток турбины. Незначительная часть вторичного воздуха через боковые отверстия жаровой трубы проникает в зону горения.
Таким образом, в камере сгорания происходит образование топливо-воздушной смеси путем распыливания топлива через форсунки и смешения его с первичным воздухом, горение смеси и смешение продуктов сгорания со вторичным воздухом. При запуске двигателя зажигание смеси осуществляется специальным запальным устройством, а при дальнейшей работе двигателя топливо-воздушная смесь поджигается уже имеющимся факелом пламени.
Образовавшийся в камере сгорания газовый поток, обладающий высокой температурой и давлением, устремляется на турбину через суживающийся сопловой аппарат. В каналах соплового аппарата скорость газа резко возрастает до 450-500 м/сек и происходит частичное преобразование тепловой (потенциальной) энергии в кинетическую. Газы из соплового аппарата попадают на лопатки турбины, где кинетическая энергия газа преобразуется в механическую работу вращения турбины. Лопатки турбины, вращаясь вместе с дисками, вращают вал двигателя и тем самым обеспечивается работа компрессора.
В рабочих лопатках турбины может происходить либо только процесс преобразования кинетической энергии газа в механическую работу вращения турбины, либо еще и дальнейшее расширение газа с увеличением его скорости. В первом случае газовая турбина называется активной, во втором - реактивной. Во втором случае лопатки турбины, помимо активного воздействия набегающей газовой струи, испытывают и реактивное воздействие за счет ускорения газового потока.
Окончательное расширение газа происходит в выходном устройстве двигателя (реактивном сопле). Здесь давление газового потока уменьшается, а скорость возрастает до 550-650 м/сек (в земных условиях).
Таким образом, потенциальная энергия продуктов сгорания в двигателе преобразуется в кинетическую энергию в процессе расширения (в турбине и выходном сопле). Часть кинетической энергии при этом идет на вращение турбины, которая в свою очередь вращает компрессор, другая часть - на ускорение газового потока (на создание реактивной тяги).
Турбовинтовые двигатели
Устройство и принцип действия. Для современных самолетов,
обладающих большой грузоподъемностью я дальностью полета, нужны двигатели, которые могли бы развить необходимые тяги при минимальном удельном весе. Этим требованиям удовлетворяют турбореактивные двигатели. Однако они неэкономичны по сравнению с винтомоторными установками на небольших скоростях полета. В связи с этим некоторые типы самолетов, предназначенные для полетов с относительно невысокими скоростями и с большой дальностыо, требуют постановки двигателей, которые сочетали бы в себе преимущества ТРД с преимуществами винтомоторной установки на малых скоростях полета. К таким двигателям относятся турбовинтовые двигатели (ТВД).
Турбовинтовым двигателем называется газотурбинный авиационный двигатель, в котором турбина развивает мощность, большую потребной для вращения компрессора, и этот избыток мощности используется для вращения воздушного винта. Принципиальная схема ТВД показана на рис. 109.
Как видно из схемы, турбовинтовой двигатель состоит из тех же узлов и агрегатов, что и турбореактивный. Однако в отличие от ТРД на турбовинтовом двигателе дополнительно смонтированы воздушный винт и редуктор. Для получения максимальной мощности двигателя турбина должна развивать большие обороты (до 20000 об/мин). Если с этой же скоростью будет вращаться воздушный винт, то коэффициент полезного действия последнего будет крайне низким, так как наибольшего значения к. п. д. винта на расчетных режимах полета достигает при 750-1 500 об/мин.
Для уменьшения оборотов воздушного винта по сравнению с оборотами газовой турбины в турбовинтовом двигателе устанавливается редуктор. На двигателях большой мощности иногда используют два винта, вращающихся в противоположные стороны, причем работу обоих воздушных винтов обеспечивает один редуктор.
В некоторых турбовинтовых двигателях компрессор приводится во вращение одной турбиной, а воздушный винт - другой. Это создает благоприятные условия для регулирования двигателя.
Тяга у ТВД создается главным образом воздушным винтом (до 90%) и лишь незначительно за счет реакции газовой струи.
В турбовинтовых двигателях применяются многоступенчатые турбины (число ступеней от 2 до 6), что диктуется необходимостью срабатывать на турбине ТВД большие теплоперепады, чем на турбине ТРД. Кроме того, применение многоступенчатой турбины позволяет снизить ее обороты и, следовательно, габариты и вес редуктора.
Назначение основных элементов ТВД ничем не отличается от назначения тех же элементов ТРД. Рабочий процесс ТВД также аналогичен рабочему процессу ТРД. Так же, как и в ТРД, воздушный поток, предварительно сжатый во входном устройстве, подвергается основному сжатию в компрессоре и далее поступает в камеру сгорания, в которую одновременно через форсунки впрыскивается топливо. Образовавшиеся в результате сгорания топливовоздушной смеси газы обладают высокой потенциальной энергией. Они устремляются в газовую турбину, где, почти полностью расширяясь, производят работу, которая затем передается компрессору, воздушному винту и приводам агрегатов. За турбиной давление газа практически равно атмосферному.
В современных турбовинтовых двигателях сила тяги, получаемая только за счет реакции вытекающей из двигателя газовой струи, составляет 10-20% суммарной силы тяги.
Двухконтурные турбореактивные двигатели
Стремление повысить тяговый коэффициент полезного действия ТРД на больших дозвуковых скоростях полета привело к созданию двухконтурных турбореактивных двигателей (ДТРД).
В отличие от ТРД обычной схемы в ДТРД газовая турбина приводит во вращение (помимо компрессора и ряда вспомогательных агрегатов) низконапорный компрессор, называемый иначе вентилятором второго контура. Привод вентилятора второго контура ДТРД может осуществляться и от отдельной турбины, располагаемой за турбиной компрессора. Простейшая схема ДТРД представлена на рис. 110.
Первый (внутренний) контур ДТРД представляет собой схему обычного ТРД. Вторым (внешним) контуром является кольцевой канал с расположенным в нем вентилятором. Поэтому двухконтурные турбореактивные двигатели называют иногда турбовентиляторными.
Работа ДТРД происходит следующим образом. Набегающий на двигатель воздушный поток поступает в воздухозаборник и далее одна часть воздуха проходит через компрессор высокого давления первого контура, другая - через лопатки вентилятора (компрессора низкого давления) второго контура. Так как схема первого контура представляет собой обычную схему ТРД, то и рабочий процесс в этом контуре аналогичен рабочему процессу в ТРД. Действие вентилятора второго контура подобно действию многолопастного воздушного винта, вращающегося в кольцевом канале.
ДТРД могут найти применение и на сверхзвуковых летательных аппаратах, но в этом случае для увеличения их тяги необходимо предусматривать сжигание топлива во втором контуре. Для быстрого увеличения (форсирования) тяги ДТРД иногда осуществляется сжигание дополнительного топлива либо в воздушном потоке второго контура, либо за турбиной первого контура.
При сжигании дополнительного топлива во втором контуре необходимо увеличивать площадь его реактивного сопла для сохранения неизменными режимов работы обоих контуров. При несоблюдении этого условия расход воздуха через вентилятор второго контура уменьшится вследствие повышения температуры газа между вентилятором и реактивным соплом второго контура. Это повлечет за собой снижение потребной мощности для вращения вентилятора. Тогда, чтобы сохранить прежние числа оборотов двигателя, придется в первом контуре снизить температуру газа перед турбиной, а это приведет к уменьшению тяги в первом контуре. Повышение суммарной тяги будет недостаточным, а в некоторых случаях суммарная тяга форсированного двигателя может оказаться меньше суммарной тяги обычного ДТРД. Кроме того, форсирование тяги связано с большими удельными расходами топлива. Все эти обстоятельства ограничивают применение данного способа увеличения тяги. Однако форсирование тяги ДТРД может найти широкое применение при сверхзвуковых скоростях полета.
Используемая литература: "Основы авиации" авторы: Г.А. Никитин, Е.А. Баканов
Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера.