logo1

logoT

 

Газотурбинный двигатель это


Газотурбинный двигатель (ГТД) - Что такое Газотурбинный двигатель (ГТД)?

, Обновлено 14 ноября 11:34

11072

В отличие от поршневого двигателя в ГТД процессы происходят в потоке движущегося газа

Источник: Ростех

Газотурбинный двигатель (ГТД) - тепловой двигатель, любой двигатель внутреннего сгорания (ДВС), в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины.

В отличие от поршневого двигателя в ГТД процессы происходят в потоке движущегося газа.
От ГТД можно получить полезную работу или тягу:

  • приводить в действие генератор,  насос или воздушный винт;
  • развивать тягу за счет ускорения потока выхлопных газов турбины через сопло.  

ГТД работает следующим образом:

  1. сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, туда же подается топливо, которое, сгорая, образует большое количество продуктов сгорания под высоким давлением;
  2. в газовой турбине энергия газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счет вращения струей газа лопаток, большая часть которой расходуется на сжатие воздуха в компрессоре;
  3. остальная часть работы передается на приводимый агрегат. Работа, потребляемая этим агрегатом, является полезной работой ГТД.

Газотурбинные двигатели имеют самую большую удельную мощность среди ДВС, до 6 кВт/кг.

В качестве топлива может использоваться любое горючее, которое можно диспергировать:

  • бензин,
  • керосин,
  • дизтопливо,
  • мазут,
  • природный газ,
  • судовое топливо,
  • водяной газ,
  • спирт, 
  • измельченный уголь.

Существует 2 вида ГТД в зависимости от количества турбин:

  • одновальные - простейшие ГТД, которые имеют только 1 турбину; такие ГТД имеют ограничения в режиме работы;
  • многовальные - имеется несколько последовательно стоящих турбин, каждая из которых приводит свой вал; турбина высокого давления (первая после камеры сгорания) всегда приводит компрессор двигателя, а последующие могут приводить как внешнюю нагрузку (винты вертолета или корабля, мощные электрогенераторы и т. д.), так и дополнительные компрессоры самого двигателя, расположенные перед основным.

Наиболее важным применением газовых турбин является авиация, где они обеспечивают движущую силу для реактивных двигателей.
ГТД широко используются в газотурбинных электростанциях (ГТЭС) среднего размера с «пиковой нагрузкой» для периодической работы в течение коротких периодов высокой потребности в мощности в электрической системе.
На первых промышленных ГТУ использовались авиационные агрегаты, работающие при пониженных температурах на входе в турбину. 
Сейчас используют специальные ГТД для работы:

  • в ГТЭС, 
  • в газоперекачивающих агрегатах (ГПА) на компрессорных станциях (КС) магистральных газопроводов.

Первая успешная газовая турбина, построенная в г. Париже в 1903 г., состояла из 3-цилиндрового многоступенчатого поршневого компрессора, камеры сгорания и импульсной турбины. 
Она работал следующим образом:

  • воздух, подаваемый компрессором, сжигался в камере сгорания с жидким топливом;
  • образовавшиеся газы охлаждались за счет впрыска воды и подавались на импульсную турбину. 

Тепловой КПД составлял около 3 % .

    #Газотурбинный двигатель #ГТД

    Последние новости

    Газотурбинный двигатель | это.

    .. Что такое Газотурбинный двигатель?

    Газотурбинный двигатель с одноступенчатым радиальным компрессором, турбиной, рекуператором, и воздушными подшипниками

    Газотурбинный двигатель (ГТД) — тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины.

    В отличие от поршневого двигателя, в ГТД процессы происходят в потоке движущегося газа.

    Сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, туда же подаётся топливо, которое, сгорая, образует большое количество продуктов сгорания под высоким давлением. Затем в газовой турбине энергия газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счёт вращения струёй газа лопаток, часть которой расходуется на сжатие воздуха в компрессоре. Остальная часть работы передаётся на приводимый агрегат. Работа, потребляемая этим агрегатом, является полезной работой ГТД. Газотурбинные двигатели имеют самую большую удельную мощность среди ДВС, до 6 кВт/кг.

    В качестве топлива могут использоваться любое горючее, которое можно диспергировать: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, природный газ, судовое топливо, водяной газ, спирт и измельченный уголь.

    Содержание

    • 1 Основные принципы работы
    • 2 Типы газотурбинных двигателей
    • 3 Одновальные и многовальные двигатели
    • 4 Турбореактивный двигатель
      • 4.1 Турбореактивный двигатель с форсажной камерой
    • 5 Турбовинтовой двигатель
      • 5.1 Турбовальный двигатель
    • 6 Двухконтурные двигатели
      • 6.1 Двухконтурный турбореактивный двигатель
      • 6.2 Турбовентиляторный двигатель
      • 6.3 Турбовинтовентиляторный двигатель
      • 6.4 Вспомогательная силовая установка
    • 7 Судовые установки
    • 8 Наземные двигательные установки
    • 9 Газовая турбина с замкнутым циклом
    • 10 Газовая турбина с внешним сгоранием
    • 11 Использование в наземных транспортных средствах
      • 11. 1 Использование в танках
    • 12 Конструкторы газотурбинных двигателей
    • 13 См. также
    • 14 Ссылки

    Основные принципы работы

    В этом разделе не хватает ссылок на источники информации.

    Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
    Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
    Эта отметка установлена 11 ноября 2011.

    Как и во всех циклических тепловых двигателях, чем выше температура сгорания, тем выше КПД. Сдерживающим фактором является способность стали, никеля, керамики или других материалов, из которых состоит двигатель, выдерживать температуру и давление. Значительная часть инженерных разработок направлена на то, чтобы отводить тепло от частей турбины. Большинство турбин также пытаются рекуперировать тепло выхлопных газов, которое, в противном случае, теряется впустую. Рекуператоры — это теплообменники, которые передают тепло выхлопных газов сжатому воздуху перед сгоранием. При комбинированном цикле тепло передается системам паровых турбин. И при комбинированном производстве тепла и электроэнергии (когенерация) отработанное тепло используется для производства горячей воды.

    Как правило, чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала(ов), необходимая для поддержания максимальной линейной скорости лопаток.[источник не указан 404 дня] Максимальная скорость турбинных лопаток определяет максимальное давление, которое может быть достигнуто, что приводит к получению максимальной мощности, независимо от размера двигателя. Реактивный двигатель вращается с частотой около 10000 об/мин и микро-турбина — с частотой около 100000 об/мин.[источник не указан 404 дня]

    Авиационные двигатели также часто используются для генерации электрической мощности, благодаря их способности запускаться, останавливаться и изменять нагрузку быстрее, чем промышленные машины. [источник не указан 404 дня ]

    Типы газотурбинных двигателей

    Схема турбореактивного двигателя

    Воздушно-реактивный двигатель — газовый двигатель, оптимизированный для получения тяги от выхлопных газов или от туннельного вентилятора, присоединенного к газовой турбине.[источник не указан 404 дня]Реактивные двигатели, которые производят тягу, главным образом, от прямого импульса выхлопных газов, часто называются турбореактивными, в то время, как те, которые создают тягу от туннельного вентилятора, часто называются турбовентиляторными.[источник не указан 404 дня]

    Одновальные и многовальные двигатели

    Простейший газотурбинный двигатель имеет только одну турбину, которая приводит 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 компрессор двигателя, а последующие могут приводить как внешнюю нагрузку (винты вертолёта или корабля, мощные электрогенераторы и т. д.), так и дополнительные компрессоры самого двигателя, расположенные перед основным.

    Преимущество многовального двигателя в том, что каждая турбина работает при оптимальном числе оборотов и нагрузке. При нагрузке, приводимой от вала одновального двигателя, была бы очень плоха приемистость 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 легкий 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 стартер для разгона при пуске только ротора высокого давления.

    Турбореактивный двигатель

    Схема турбореактивного двигателя: 1 — входное устройство; 2 — осевой компрессор; 3 — камера сгорания; 4 — рабочие лопатки турбины; 5 — сопло.

    В 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 используют жаропрочные сплавы, оснащённые системами охлаждения, и термобарьерные покрытия.

    Турбореактивный двигатель с форсажной камерой

    Турбореактивный 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.

    «Основные параметры турбореактивных двигателей различных поколений»
    Поколение/
    период
    Т-ра газа
    перед турбиной
    °C
    Степень сжатия
    газа, πк*
    Характерные
    представители
    Где установлены
    1 поколение
    1943-1949 гг.
    730-780 3-6 BMW 003, Jumo 004 Me 262, Ar 234, He 162
    2 поколение
    1950-1960 гг.
    880-980 7-13 J 79, Р11-300 F-104, F4, МиГ-21
    3 поколение
    1960-1970 гг.
    1030-1180 16-20 TF 30, J 58, АЛ 21Ф F-111, SR 71,
    МиГ-23Б, Су-24
    4 поколение
    1970-1980 гг.
    1200-1400 21-25 F 100, F 110, F404,
    РД-33, АЛ-31Ф
    F-15, F-16,
    МиГ-29, Су-27
    5 поколение
    2000-2020 гг.
    1500-1650 25-30 F119-PW-100, EJ200,
    F414, АЛ-41Ф
    F-22, F-35,
    ПАК ФА

    Начиная с 4-го поколения рабочие лопатки турбины выполняются из монокристаллических сплавов, охлаждаемые.

    Турбовинтовой двигатель

    Основная статья: Турбовинтовые двигатели

    Схема турбовинтового двигателя: 1 — воздушный винт; 2 — редуктор; 3 — турбокомпрессор.

    В 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. Крейсерская скорость самолётов, оснащённых ТВД, 600—800 км/ч.

    Турбовальный двигатель

    Турбовальный двигатель (ТВаД) — газотурбинный двигатель, у которого вся развиваемая мощность через выходной вал передается потребителю. Основная область применения — силовые установки вертолетов.

    Двухконтурные двигатели

    Дальнейшее повышение эффективности двигателей связано с появлением так называемого внешнего контура. Часть избыточной мощности турбины передаётся компрессору низкого давления на входе двигателя.

    Двухконтурный турбореактивный двигатель

    Схема турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) со смешением потоков: 1 — компрессор низкого давления; 2 — внутренний контур; 3 — выходной поток внутреннего контура; 4 — выходной поток внешнего контура.

    В 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.

    Двигатели с малой степенью двухконтурности (m<2) применяются для сверхзвуковых самолётов, двигатели с m>2 для дозвуковых пассажирских и транспортных самолётов.

    Турбовентиляторный двигатель

    Основная статья: Турбовентиляторный двигатель

    Схема турбореактивного двухконтурного двигателя без смешения потоков (Турбовентиляторного двигателя): 1 — вентилятор; 2 — защитный обтекатель; 3 — турбокомпрессор; 4 — выходной поток внутреннего контура; 5 — выходной поток внешнего контура.

    Турбовентиляторный 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.

    Турбовинтовентиляторный двигатель

    Дальнейшим 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, как вентилятор, а через редуктор.

    Вспомогательная силовая установка

    Вспомогательная силовая установка (ВСУ) — небольшой газотурбинный двигатель, являющийся дополнительным источником мощности, например, для запуска маршевых двигателей самолетов. ВСУ обеспечивает бортовые системы сжатым воздухом ( в том числе для вентиляции салона), электроэнергией и создает давление в гидросистеме летательного аппарата.

    Судовые установки

    Используются в судовой промышленности для снижения веса. GE LM2500 и LM6000 — две характерных модели этого типа машин.

    Наземные двигательные установки

    Другие модификации газотурбинных двигателей используются в качестве силовых установок на судах (газотурбоходы), железнодорожном (газотурбовозы) и другом наземном транспорте, а также на электростанциях, в том числе, передвижных, и для перекачки природного газа. Принцип работы практически не отличается от турбовинтовых двигателей.

    Газовая турбина с замкнутым циклом

    В газовой турбине 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 турбиной внешнего сгорания. На практике газовые турбины с замкнутым циклом используются редко.

    Газовая турбина с внешним сгоранием

    В этом разделе не хватает ссылок на источники информации.

    Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
    Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
    Эта отметка установлена 11 ноября 2011.

    Большинство газовых турбин представляют собой двигатели внутреннего сгорания, но также возможно построить газовую турбину внешнего сгорания, которая, фактически, является турбинной версией теплового двигателя.[источник не указан 404 дня]

    При внешнем сгорании в качестве топлива используется пылевидный уголь или мелкоистолченная биомасса (например, опилки). Внешнее сжигание газа используется как непосредственно, так и косвенно. В прямой системе, продукты сгорания проходят сквозь турбину. В косвенной системе, используется теплообменник и чистый воздух проходит сквозь турбину. Тепловой КПД ниже в системе внешнего сгорания косвенного типа, однако лопасти не подвергаются воздействию продуктов сгорания.

    Использование в наземных транспортных средствах

    В этом разделе не хватает ссылок на источники информации.

    Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
    Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
    Эта отметка установлена 11 ноября 2011.

    Rover JET1

    STP Oil Treatment Special на выставке в зале славы музея трассы Indianapolis Motor Speedway показана вместе с газовой турбиной Pratt & Whitney.

    A 1968 Howmet TX — единственная в истории турбина, принесшая победу в автомобильной гонке.

    Газовые турбины используются в кораблях, локомотивах и танках. Множество экспериментов проводилось с автомобилями, оснащенными газовыми турбинами.

    В 1950 году дизайнер Ф.Р. Белл и главный инженер Морис Вилкс в британской компании Rover Company анонсировал первый автомобиль с приводом от газотурбинного двигателя. Двухместный JET1 имел двигатель, расположенный позади сидений, решетки воздухозаборника по обеим сторонам машины, и выхлопные отверстия на верхней части хвоста. В ходе испытаний автомобиль достиг максимальной скорости 140 км/ч, на скорости турбины 50000 об/мин. Автомобиль работал на бензине, парафиновом или дизельном маслах, но проблемы с потреблением топлива оказались непреодолимыми для производства автомобилей. В настоящее время он выставлен в Лондоне в Музее Науки.

    Команды Rover и British Racing Motors (BRM) (Формула-1) объединили усилия для создания Rover-BRM, авто, с приводом от газовых турбин, которое приняло участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1963 года, управляемое Грэмом Хиллом и Гитнером Ричи. Оно имело среднюю скорость - 107,8 миль/ч (173 км/ч), а максимальную скорость - 142 миль/ч (229 км/ч). Американские компании Ray Heppenstall, Howmet Corporation и McKee Engineering объединились для совместной разработки собственных газотурбинных спортивных автомобилей в 1968 году, Howmet TX приняла участие в нескольких американских и европейских гонках, в том числе завоевав две победы, а также принимала участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1968 года. Автомобили использовали газовые турбины Continental Motors Company, благодаря которым, в конечном итоге, ФИА было установлено шесть посадочных скоростей для машин с приводом от турбин.

    На гонках автомобилей с открытыми колёсами, революционное полноприводное авто 1967 года STP Oil Treatment Special с приводом от турбины, специально подобранной легендой гонок Эндрю Гранателли и управляемое Парнелли Джонсом, почти выиграло в гонке "Инди-500"; авто с турбиной STP компании Pratt & Whitney обгоняло почти на круг авто, шедшее вторым, когда у него неожиданно отказала коробка передач за три круга до финишной черты. В 1971 глава компании Lotus Колин Чепмен представил авто Lotus 56B F1, с приводом от газовой турбины Pratt & Whitney. У Чепмена была репутация создателя машин-победителей, но он вынужден был отказаться от этого проекта из-за многочисленных проблем с инерционностью турбин (турболагом).

    Оригинальная серия концептуальных авто General Motors Firebird была разработана для автовыставки Моторама 1953, 1956, 1959 годов, с приводом от газовых турбин.

    Использование в танках

    Первые исследования в области применения газовой турбины в танках проводились в Германии Управлением вооруженных сухопутных сил начиная с середины 1944 года. Первым массовым танком, на котором устанавливали газотурбинный двигатель стал С-танк. Газовые двигатели установлены в российском Т-80 и американском М1 Абрамс.
    Газотурбинные двигатели, устанавливаемые в танках, имеют при схожих с дизельными размерами гораздо большую мощность, меньший вес и меньшую шумность. Однако из-за низкого КПД подобных двигателей требуется гораздо большее количество топлива для сравнимого с дизельным двигателем запаса хода.

    Конструкторы газотурбинных двигателей

    • Соловьёв, Павел Александрович
    • Уиттл, Фрэнк
    • Охайн, Ханс-Иоахим Пабст фон
    • Колосов, Сергей Дмитриевич
    • Кухто, Николай Кузьмич
    • Климов, Владимир Яковлевич
    • Кузнецов, Николай Дмитриевич (авиаконструктор)
    • Люлька, Архип Михайлович

    См.

    также
    • Турбовинтовой двигатель
    • Воздушно-реактивный двигатель
    • Реактивный двигатель

    Ссылки

    • Газотурбинный двигатель — статья из Большой советской энциклопедии
    • ГОСТ Р 51852-2001 Установки газотурбинные. Термины и определения.
    • Словарь терминов на АвиаПорт. Ru
    • Расчет газотурбинной установки
    • Technology Speed of Civil Jet Engines

    газотурбинный двигатель | Британика

    Заголовок

    Просмотреть все СМИ

    Связанные темы:
    коптильня удельная мощность Цикл Брайтона двигатель с регулируемым циклом пожарная турбина

    См. всю соответствующую информацию →

    газотурбинный двигатель , любой двигатель внутреннего сгорания, использующий газ в качестве рабочего тела, используемого для вращения турбины. Этот термин также обычно используется для описания полного двигателя внутреннего сгорания, состоящего как минимум из компрессора, камеры сгорания и турбины.

    Общие характеристики

    Полезную работу или тягу можно получить от газотурбинного двигателя. Он может приводить в действие генератор, насос или воздушный винт или, в случае чисто реактивного авиационного двигателя, развивать тягу за счет ускорения потока выхлопных газов турбины через сопло. Большое количество энергии может быть произведено таким двигателем, который при той же мощности намного меньше и легче, чем поршневой двигатель внутреннего сгорания. Поршневые двигатели зависят от движения поршня вверх и вниз, которое затем должно быть преобразовано во вращательное движение с помощью коленчатого вала, тогда как газовая турбина напрямую передает мощность вращения вала. Хотя концептуально газотурбинный двигатель представляет собой простое устройство, компоненты эффективной установки должны быть тщательно спроектированы и изготовлены из дорогостоящих материалов из-за высоких температур и напряжений, возникающих в процессе эксплуатации. Таким образом, установки газотурбинных двигателей обычно ограничиваются крупными установками, где они становятся рентабельными.

    Циклы газотурбинного двигателя

    Большинство газовых турбин работают по открытому циклу, в котором воздух забирается из атмосферы, сжимается в центробежном или осевом компрессоре и затем подается в камеру сгорания. Здесь топливо добавляется и сжигается при практически постоянном давлении с частью воздуха. Дополнительный сжатый воздух, который проходит вокруг секции горения, а затем смешивается с очень горячими дымовыми газами, требуется для поддержания достаточно низкой температуры на выходе из камеры сгорания (фактически на входе в турбину), чтобы турбина могла работать непрерывно. Если блок должен производить мощность на валу, продукты сгорания (в основном воздух) расширяются в турбине до атмосферного давления. Большая часть мощности турбины требуется для работы компрессора; только остаток доступен для подачи работы вала к генератору, насосу или другому устройству. В реактивном двигателе турбина спроектирована так, чтобы обеспечить мощность, достаточную для привода компрессора и вспомогательных устройств. Затем поток газа выходит из турбины при промежуточном давлении (выше местного атмосферного давления) и подается через сопло для создания тяги.

    Сначала рассматривается идеализированный газотурбинный двигатель, работающий без потерь по этому простому циклу Брайтона. Если, например, воздух поступает в компрессор при температуре 15 ° C и атмосферном давлении и сжимается до одного мегапаскаля, он затем поглощает тепло от топлива при постоянном давлении до тех пор, пока температура не достигнет 1100 ° C, прежде чем расширяться через турбину обратно в атмосферное. давление. Для этого идеализированного устройства потребуется мощность турбины 1,68 киловатта на каждый киловатт полезной мощности, при этом 0,68 киловатта поглощается для привода компрессора. Тепловой КПД агрегата (чистая произведенная работа, деленная на энергию, добавленную за счет топлива) составит 48 процентов.

    Фактическая производительность простого открытого цикла

    Если для агрегата, работающего в пределах одного и того же давления и температуры, компрессор и турбина имеют КПД только 80 процентов (, т. е. , работа идеального компрессора равна 0,8-кратной фактической работе, а идеальный выход), ситуация резко меняется, даже если все остальные компоненты остаются идеальными. На каждый произведенный киловатт полезной мощности турбина теперь должна производить 2,71 киловатта, а работа компрессора становится равной 1,71 киловатта. Тепловой КПД падает до 25,9.процентов. Это иллюстрирует важность высокоэффективных компрессоров и турбин. Исторически сложилось так, что разработка эффективных компрессоров была труднее, чем эффективные турбины, что задержало разработку газотурбинного двигателя. Современные агрегаты могут иметь КПД компрессора 86–88 процентов и КПД турбины 88–90 процентов при проектных условиях.

    КПД и выходная мощность могут быть увеличены за счет повышения температуры на входе в турбину. Однако все материалы теряют прочность при очень высоких температурах, а поскольку лопатки турбин движутся с высокими скоростями и подвергаются сильным центробежным нагрузкам, температура на входе в турбину выше 1100°C требует специального охлаждения лопаток. Можно показать, что для каждой максимальной температуры на входе в турбину существует оптимальная степень повышения давления. Современные авиационные ГТУ с охлаждением лопаток работают при температуре на входе в турбину выше 1370°С и степени повышения давления около 30:1.

    Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

    Промежуточное охлаждение, подогрев и регенерация

    В авиационных газотурбинных двигателях необходимо обращать внимание на массу и размер диаметра. Это не позволяет добавлять дополнительное оборудование для повышения производительности. Соответственно, двигатели коммерческих самолетов работают по идеализированному выше простому циклу Брайтона. Эти ограничения не распространяются на стационарные газовые турбины, в которые могут быть добавлены компоненты для повышения эффективности. Улучшения могут включать (1) снижение работы сжатия за счет промежуточного охлаждения, (2) увеличение мощности турбины за счет повторного нагрева после частичного расширения или (3) снижение расхода топлива за счет регенерации.

    Первое усовершенствование будет включать сжатие воздуха при почти постоянной температуре. Хотя на практике этого достичь невозможно, его можно приблизить к промежуточному охлаждению (, т. е. , сжимая воздух в два или более этапов и охлаждая его водой между этапами до исходной температуры). Охлаждение уменьшает объем обрабатываемого воздуха, а вместе с ним и необходимую работу сжатия.

    Второе усовершенствование включает повторный нагрев воздуха после частичного расширения через турбину высокого давления во втором наборе камер сгорания перед подачей его в турбину низкого давления для окончательного расширения. Этот процесс аналогичен повторному нагреву, используемому в паровой турбине.

    Оба подхода требуют значительного дополнительного оборудования и используются реже, чем третье усовершенствование. Здесь горячие выхлопные газы турбины проходят через теплообменник или регенератор для повышения температуры воздуха, выходящего из компрессора перед сгоранием. Это уменьшает количество топлива, необходимое для достижения желаемой температуры на входе в турбину. Однако повышение эффективности связано с большим увеличением первоначальных затрат и будет экономически выгодным только для агрегатов, которые работают практически непрерывно.

    Газовая турбина - Энергетическое образование

    Энергетическое образование

    Меню навигации

    ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

    ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

    ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

    ИНДЕКС

    Поиск

    Рис. 1. Газовая турбина реактивного двигателя. Поток показан слева направо, с маркировкой деталей на рисунке 2. [1]

    Газовая турбина представляет собой тип турбины, в которой используется сжатый газ для ее вращения с целью выработки электроэнергии или обеспечения кинетической энергии для самолет или реактивный самолет. Процесс для этого называется циклом Брайтона. Во всех современных газовых турбинах сжатый газ создается путем сжигания топлива, такого как природный газ, керосин, пропан или реактивное топливо. Тепло, выделяемое этим топливом, расширяет воздух, проходящий через турбину, для получения полезной энергии. [2]

    Эксплуатация

    Газовые турбины теоретически просты и состоят из трех основных частей, как показано на рисунке 2: [2]

    1. Компрессор давление.
    2. Камера сгорания - Сжигает топливо и производит газ под высоким давлением и высокой скоростью.
    3. Турбина - Извлекает энергию из газа, поступающего из камеры сгорания.

    Рисунок 2. Схема газотурбинного двигателя. [3]

    Компрессор

    На рис. 2 воздух всасывается слева и поступает в компрессоры. Ряды лопастей вентилятора сжимают газ. В некоторых турбинах давление воздуха может достигать 30-кратного входного давления. [2]

    Камера сгорания

    Воздух под высоким давлением поступает в эту зону, куда подается топливо. Топливо постоянно впрыскивается в эту часть, чтобы энергия, проходящая через турбину, была постоянной.

    Турбина

    Турбина соединена с лопатками компрессора валом, и они вращаются отдельно. Компрессоры подключаются к турбине, которая соединена с выходным валом, и, поскольку турбина вращается отдельно, она может достигать огромных скоростей благодаря протеканию через нее горячего газа. Этот последний вал производит 90 111 огромных 90 112 лошадиных сил, а большие турбины самолета генерируют почти 110 000 л.с. - вдвое больше мощности, генерируемой Титаником. [4]

    Каталожные номера

    1. ↑ Wikimedia Commons [онлайн], доступно: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/56/J85_ge_17a_turbojet_engine.jpg
    2. 2.0 2.1 2.2 Мозг, Маршалл. «Как работают газотурбинные двигатели» 1 апреля 2000 г.

      Learn more

     ico 3M  ico armolan  ico suntek  ico llumar ico nexfil ico suncontrol jj rrmt aswf