Газовая турбина

Газовая турбина (фр. turbine от лат. turbo вихрь, вращение) — это тепловой двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу. Состоит из ротора [рабочие лопатки, закреплённые на дисках] и статора [направляющие лопатки, закреплённые в корпусе].

Газ, имеющий высокую температуру и давление, поступает через сопловой аппарат турбины в область низкого давления за сопловой частью, попутно расширяется и ускоряется. Далее, поток газа попадает на рабочие лопатки турбины, отдавая им часть своей кинетической энергии и сообщая лопаткам крутящий момент. Рабочие лопатки передают крутящий момент через диски турбины на вал. Полезные свойства газовой турбины: газовая турбина, например, приводит во вращение находящийся с ней на одном валу генератор, что и является полезной работой газовой турбины. Газовые турбины используются в составе газотурбинных двигателей [применяются для транспорта] и газотурбинных установок [применяются на ТЭЦ в составе стационарных ГТУ, ПГУ].

История

• 60: Первая паровая турбина Герона Александрийского (эолипил) — на протяжении столетий рассматривалась как игрушка и её полный потенциал не был изучен.
• 1500: В чертежах Леонардо да Винчи встречается «дымовой зонт». Горячий воздух от огня поднимается через ряд лопастей, которые соединены между собой и вращают вертел для жарки.
• 1551: Таги-аль-Дин придумал паровую турбину, которая использовалась для питания самовращающегося вертела.
• 1629: Сильная струя пара вращала турбину, которая затем вращала ведомый механизм, позволяющий работать мельнице Джованни Бранка.
• 1678: Фердинанд Вербейст построил модель повозки на основе паровой машины.
• 1791: Англичанин Джон Барбер получил патент на первую настоящую газовую турбину. Его изобретение имело большинство элементов, присутствующих в современных газовых турбинах. Турбина была разработана для приведения в действие безлошадной повозки.
• 1872: Франц Столц разработал первый настоящий газотурбинный двигатель.
• 1894: Сэр Чарльз Парсонс запатентовал идею корабля, приводимого в действие паровой турбиной и построил демонстрационное судно (Турбиния). Этот принцип тяги используется до сих пор.
• 1895: Три четырёхтонных 100 кВт генераторов радиального потока Парсонса были установлены на электростанции в Кэмбридже и использовались для электрического освещения улиц города.
• 1903: Норвежец, Эджидиус Эллинг, смог построить первую газовую турбину, которая могла произвести больше энергии, чем требовалось для её работы, что рассматривалось как значительное достижение в те времена, когда знания о термодинамике были ограничены. Используя вращающиеся компрессоры и турбины, она производила 11 hp (существенно для того времени).

Его работа впоследствии была использована сэром Фрэнком Уиттлом.

• 1913: Никола Тесла запатентовал турбину Тесла, основанную на эффекте граничного слоя.
• 1918: General Electric, один из ведущих производителей турбин в настоящее время, запустил своё подразделение газовых турбин.
• 1920: Практическая теория протекания газового потока через каналы была переработана в более формализованную (и применяемую к турбинам) теорию течения газа вдоль аэродинамической поверхности доктором Аланом Арнольдом Грифицем.
• 1930: Сэр Фрэнк Уиттл запатентовал газовую турбину для реактивного движения. Впервые этот двигатель был успешно использован в апреле 1937.
• 1934: Рауль Патерас Пескара запатентовал поршневой двигатель в качестве генератора для газовой турбины.
• 1936: Ханс фон Охайн and Макс Хан в Германии разработали собственный патентованный двигатель в то же самое время, когда сэр Фрэнк Уиттл разрабатывал его в Англии.

Принцип работы

Газовые турбины описываются термодинамическим циклом Брайтона, в котором сначала происходит адиабатическое сжатие воздуха, затем сжигание при постоянном давлении, а после этого осуществляется адиабатическое расширение обратно до стартового давления.

На практике, трение и турбулентность вызывают:

1. Неадиабатическое сжатие: для данного общего коэффициента давления температура нагнетания компрессора выше идеальной.
2. Неадиабатическое расширение: хотя температура турбины падает до уровня, необходимого для работы, на компрессор это не влияет, коэффициент давления выше, в результате, расширения не достаточно для обеспечения полезной работы.
3. Потери давления в воздухозаборнике, камере сгорания и на выходе: в результате, расширения не достаточно для обеспечения полезной работы.

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, которые, 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.

Механически газовые турбины могут быть значительно проще, чем поршневые двигатели внутреннего сгорания. Простые турбины могут иметь одну движущуюся часть: вал / компрессор / турбина / альтернативный ротор в сборе (см. изображение выше), не учитывая топливную систему.

Более сложные турбины (те, которые используются в современных реактивных двигателях), могут иметь несколько валов (катушек), сотни турбинных лопаток, движущихся статорных лезвий, а также обширную систему сложных трубопроводов, камер сгорания и теплообменников.

Как правило, чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала(ов), необходимая для поддержания максимальной линейной скорости лопаток. 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.

Упорные подшипники и радиальные подшипники являются критическими элементом разработки. Традиционно они были гидродинамические, или охлаждаемые маслом шарикоподшипники. Их превзошли воздушные подшипники, которые успешно используются в микротурбинах и вспомогательных силовых установках.

Типы газовых турбин

Авиационные и реактивные двигатели

Воздушно-реактивный двигатель — газовый двигатель, оптимизированный для получения тяги от выхлопных газов или от туннельного вентилятора, присоединенного к газовой турбине. 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.

Газовые турбины часто используются во многих ракетах на жидком топливе, а также для питания турбонасосов, что позволяет использовать их в легковесных резервуарах низкого давления, хранящих значительную сухую массу.

Авиационные двигатели также часто используются для генерации электрической мощности, благодаря их способности запускаться, останавливаться и изменять нагрузку быстрее, чем промышленные машины. Они также используются в судовой промышленности для снижения веса. GE LM2500 и LM6000 — две характерных модели этого типа машин.

Любительские газовые турбины

Существует популярное хобби — конструировать газовые турбины из автомобильных турбокомпрессоров. Камера сгорания собирается из отдельных частей и устанавливается вертикально между компрессором и турбиной. Как и многие хобби, основанные на технологии, время от времени они перерастают в производство. Несколько мелких компаний производят маленькие турбины и запасные части для любителей.

Вспомогательная силовая установка

Вспомогательная силовая установка — небольшая газовая турбина, являющаяся 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.

Промышленные газовые турбины для производства электричества

Отличие промышленных газовых турбин от авиационных в том, что их массогабаритные характеристики значительно ниже, они имеют каркас, подшипники и лопастную систему более массивной конструкции. По размерам промышленные турбины варьируются от монтируемых на грузовики мобильных установок до огромных комплексных систем. Парогазовые турбины могут иметь высокий КПД — до 60 % — при этом теплота выхлопа газовой турбины используется в рекуперативном генераторе пара для работы паровой турбины. Они также могут работать в когенераторных конфигурациях: выхлоп используется для обогрева или нагрева воды или в абсорбционных холодильниках. Коэффициент использования топлива в когенераторном режиме может превышать 90 %. Турбины в больших промышленных газовых турбинах работают на синхронных с электросетью скоростях — 3000 или 3600 оборотов в минуту (об./мин.). Газовые турбины простого цикла в индустрии электропитания требуют меньших капитальных затрат, чем угольные или ядерные энергоустановки, и могут выпускаться как для большой, так и для малой мощности. Весь процесс монтажных работ может быть выполнен за нескольких недель (нескольких месяцев), в сравнении с годами, требуемыми для создания паровых электростанций базовой мощности. Другое их главное преимущество — способность включаться/выключаться в течение нескольких минут, поставляя добавочную мощность во время пиковых нагрузок. Поскольку они менее эффективны, чем электростанции комбинированного цикла, они обычно используются как пиковые электростанции и работают от нескольких часов в день до пары дюжин часов в год, в зависимости, от потребности в электроэнергии и генерирующей емкости региона. В областях с недостаточной базовой нагрузкой и на электростанциях, где электрическая мощность выдается в зависимости от нагрузки, газотурбинная установка может регулярно работать в течение большей части дня и даже вечером. Типичная большая турбина простого цикла может выдавать от 100 до 300 мегаватт (МВт) мощности и иметь тепловой КПД 35-40 %. КПД лучших турбин достигает 64 %.

Хранилища сжатого воздуха

Одна из современных разработок для повышения КПД заключается в том, чтобы разделить компрессор и турбину хранилищем сжатого воздуха. В традиционной турбине, до половины генерируемой мощности используется для привода компрессора. В конфигурации с хранилищем сжатого воздуха для привода компрессора используется мощность, к примеру, ветровой электростанции или купленная на открытом рынке по низкой цене, а сжатый воздух освобождается для работы турбины, по мере необходимости.

Турбовальные двигатели

Турбовальные двигатели часто используются для привода линии компрессоров (например, в газонасосных станциях или на установках по сжижению природного газа), а также во всех современных вертолетах. Первый вал служит опорой компрессора и высокоскоростной турбины (часто упоминается как «Gas Generator» или «N1»), второй вал служит опорой низкоскоростной турбины (часто упоминается как «Power Turbine» или «N2»). Такая компоновка используется для повышения гибкости в скорости и выходной мощности.

Радиальные газовые турбины

В 1963 в Норвегии Жан Мовиль предложил эту разработку на фабрике Кениксберга. Многочисленные последователи добились существенного прогресса в совершенствовании этого механизма. Благодаря конфигурации, в которой тепло удалялось от определенных подшипников, увеличилась долговечность этой машины и в то же время радиальная турбина стала лучше соответствовать требованиям по скорости.

Размерные реактивные двигатели

Также известны как миниатюрные газовые турбины или микроджеты.

Многие инженеры наслаждаются тем, что повторно создают копии больших инженерных достижений сегодняшнего дня в виде крошечных рабочих моделей. Идея повторного создания мощных двигателей, таких, как реактивные, вдохновляла любителей с тех пор, как были изобретены первые большие двигатели Хансом фон Охайном и Фрэнком Уиттлом в 1930-е.

Повторное создание машин другого размера — не простое занятие. Из-за закона квадрата-куба при изменении размеров, не многие машины ведут себя также, как их прототипы; в лучшем случае, это приводит к существенным потерям мощности или КПД, а, в худшем случае, машины вообще отказываются работать. Например, если сделать точную копию автомобильного двигателя, размером с человеческую руку, то он работать не будет.

Помня об этом, пионер современных микроджетов, Курт Шреклинг, создал первую в мире микротурбину, FD3/67. Этот двигатель производил силу тяги до 22Н и мог быть построен большинством людей с техническим мышлением при помощи базовых инженерных приспособлений, например, таких, как токарный станок. Его радиальный компрессор (холодный) маленький, и горячая осевая турбина подвержена большим центробежным силам, подразумевается, что дизайн ограничен числом Маха. Управляющие лопасти используются для удерживания пускового устройства, после рабочего колеса компрессора и перед турбиной. В пределах двигателя байпас не используется.

Микротурбины

Также известны как:

• Микротурбогенераторы
• Микротурбина (зарегистрированная торговая марка Capstone Turbine Corporation)

Отчасти, успех микротурбин обусловлен развитием электроники, дозволяющей работу оборудования без вмешательства человека. Микротурбины применяются в самых сложных проектах автономного электроснабжения.

Микротурбинные системы имеют множество преимуществ перед автономными электростанциями на базе поршневых двигателей: более высокая плотность мощности (с учетом занимаемой площади и веса), экстремально низкие эмиссии или всего несколько (или одна) движущихся частей. Mикротурбины Capstone разрабатываются с воздушными подшипниками и охлаждаются воздухом без использования моторного масла и смазочно-охлаждающих жидкостей. Преимущество микротурбин также заключается в том, что большая часть выделяемой тепловой энергии сосредоточена в системе выхлопа с относительно высокой температурой в то время, как выделяемое тепло возвратно-поступательных двигателей распределяется между выхлопом и охлаждающей системой.

Микротурбины могут работать на большей части промышленных топлив таких, как природный газ, пропан, дизельное топливо, и керосин, также могут использоваться возобновляемые виды топлива: E85, биодизель и биогаз.

Микротурбина имеет компрессор, одноступенчатую радиальную турбину, инвертор и рекуператор. Тепло дымовых газов может быть использовано для подогрева воды, воздуха, процессов осушения или в абсорбционно-холодильных машинах - АБХМ, которые создают холод для кондиционированния воздуха, используя бесплатную тепловую энергию, вместо электрической энергии.

КПД типовых микротурбин массового производства достигает 35 %. В режиме комбинированной генерации электричества и тепловой энергии - когенерации, может достигаться высокий коэффициент использования топлива - КИТ, выше 85 %.

Преимущества микротурбин:

  эластичность и адаптивность к восприятию электрических нагрузок в диапазоне от 1 до 100%
  возможность длительной работы микротурбины на предельно низкой мощности - 1%,
  низкий уровень эмиссий,
  отсутствие дымовых труб,
  отсутствие в микротурбинах моторного масла, смазки
  отсутствие охлаждающих жидкостей,
  быстрое и технологичное подключение к топливным магистралям, электрическим коммуникациям и тепловым сетям,
  сервисное обслуживание микротурбины – 1 день, 1 раз в году,
  низкий уровень шума,
  предельно малый уровень вибраций микротурбины,
  система дистанционного контроля,
  компактные размеры микротурбины,
  возможность размещения микротурбинной электростанции на крышах зданий,
  высокое качество производимой электроэнергии ввиду наличия инвертора,
  комбинированное производство электроэнергии и тепла (когенерация).

Массачусетсский технологический институт (МИТ) начал проект разработки милиметровых двигателей турбин в середине 1990-х, когда профессор аэронавтики и астронавтики Алан Епштейн обосновал возможность создания персональных турбин, которые будут способны удовлетворить персональные потребности в электричестве современного человека, по примеру того, как большая турбина может удовлетворить потребности в электричестве небольшого города. Согласно исследованиям профессора Епштейна существующие в настоящее время промышленные литий-ионные аккумуляторы поставляют около 120—150 Вт/ч. Милиметровая турбина МИТ будет поставлять около 500—700 Вт/ч в ближайшем будущем, и в дальнейшем эта величина вырастет до 1200—1500 Вт/ч.

Внешнее сгорание

Большинство газовых турбин представляют собой двигатели внутреннего сгорания, но также возможно построить газовую турбину внешнего сгорания, которая, фактически, является турбинной версией теплового двигателя.

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 транспортных средствах

Газовые турбины используются в кораблях, локомотивах, вертолетах 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

Использование во флоте

Коммерческое использование

Развитие технологии

Преимущества и недостатки газотурбинных двигателей

Преимущества газотурбинных двигателей

• Очень высокое отношение мощности к весу, по сравнению с поршневым двигателем;
• КПД на максимальных оборотах выше, чем у поршневых двигателей.
• Перемещение только в одном направлении, с намного меньшей вибрацией, в отличие от поршневого двигателя.
• Меньшее количество движущихся частей, чем у поршневого двигателя.
• Низкие эксплуатационные нагрузки.
• Высокая скорость вращения.
• Низкая стоимость и потребление смазочного масла.
• Низкие требования к качеству топлива. ГТД потребляют любое горючее, которое можно распылить газ, нефтепродукты, органиченские вещества и пылеобразный уголь.

Недостатки газотурбинных двигателей

• Стоимость намного больше, чем у аналогичных по размерам поршневых двигателей, поскольку материалы применяемые в турбине должны иметь высокую жаростойкость и жаропрочность, а так же должны иметь высокую удельную прочность. Машинные операции также более сложные;
• Как правило, имеют меньший КПД, чем поршневые двигатели, на холостом ходу.
• Задержка отклика на изменения настроек мощности.

Эти недостатки объясняют, почему дорожные транспортные средства, которые меньше, дешевле и требуют менее регулярного обслуживания, чем танки, вертолеты, крупные катера и так далее, не используют газотурбинные двигатели, несмотря на неоспоримые преимущества в размере и мощности.

Данная статья представляет собой несколько доработанный перевод статьи из английской Википедии [1]

См. также

• Турбина
• Газотурбинный двигатель
• Двигатель
• Паровая машина
• ГТ-МГР
• Распределённая энергетика

Литература

• Дейч М.Е. Техническая газодинамика. — М.: Энергия, 1974.
• Дейч М.Е. Газодинамика решёток турбомашин. — М.: Энергоатомиздат, 1996.

Ссылки

• Газовые и паровые турбины ТЭС, ТЭЦ, АЭС
• Газотурбинные двигатели - газовые турбины - глоссарий (Термины и определения)
• Газовая турбина
• Все о микротурбинах
• Technology Speed of Civil Jet Engines
• MIT Gas Turbine Laboratory
• MIT Microturbine research
• California Distributed Energy Resource guide — Microturbine generators
• Introduction to how a gas turbine works from «how stuff works.com»
• Aircraft gas turbine simulator for interactive learning"
• ГОСТ 9972-74. Масла нефтяные турбинные с присадками
• ГОСТ Р 51852-2001. Установки газотурбинные. Термины и определения.