Андрей Смирнов
Время чтения: ~16 мин.
Просмотров: 38

Принцип работы турбины самолета

Циклы газотурбинных установок

Данный агрегат может быть изготовлен с различными циклами своей работы:

  • замкнутый;
  • разомкнутый.

Замкнутый цикл Брайтона для газотурбинной установки говорит о том, что газ поступает через компрессор в теплообменник. Сюда же поступает и тепло от различных источников извне. После этого газ направляется в газовую турбину. Тут и происходит его расширение. Давление его при этом получается меньше.

На следующем этапе цикла газ поступает в специальную холодильную камеру. Тепло отдаётся во внешнюю среду, после чего газ направляется в компрессор. Затем весь этот цикл повторяется.

Агрегаты с замкнутым циклом в нынешнее время в энергетике практически не применяются. Обусловлено это их большими габаритами, потерями и низким значением КПД, которые зависит от температуры газа.

ГТУ с разомкнутым циклом используются намного чаще. Принцип действия газотурбинной установки тут основывается на подаче компрессором воздуха в камеру сгорания из окружающей среды под высоким давлением.

При сжигании топлива его температура может достигать величины порядка 2000 градусов, что, несомненно, приведёт к повреждению внутреннего металла камеры.

Чтобы избежать этого, сюда подаётся огромное количество воздуха (в 5 раз больше, чем это необходимо). В результате этого удаётся снизить температуру сжигаемого в камере газа, а также защитить металл.

Устройство газотурбинной установки с разомкнутым циклом выглядит следующим образом: топливо поступает в форсунки, которые находятся внутри жаропрочной трубы. Сюда же происходит нагнетание воздуха. Всё это приводит к сгоранию топлива. Данных труб в устройстве несколько. Все они расположены концентрически.

Воздух поступает в зазоры, которые находятся между этими трубами. В результате этого формируется некий защитный барьер, блокирующий возгорание. Также такая конструкция из труб и потока воздуха между ними надлежащим образом защищает камеру от перегревания. При этом температура газа на выходе ниже, чем у топлива.

Самым основным отличием газотурбинной установки закрытого типа от открытого является то, что в первом варианте отсутствует камера сгорания.

Тут используется специальный нагреватель, который осуществляет нагревание воздуха. Он не принимает никакого участия непосредственно в процессе формирования тепла. Именно поэтому такие агрегаты изготавливаются с горением при постоянном давлении. Для этого используется ядерное либо же органическое топливо. При этом в ядерных установках вместо воздуха используют другие вещества: гелий, азот или углекислый газ.

К особенностям данных агрегатов можно отнести тот факт, что тут возможно применение тепла атомного распада, выделяемого в атомных реакторах. Довольно высокого коэффициента тепловой отдачи удалось достичь при помощи большой концентрации рабочего тепла. Всё это приводит к высокой регенерации, однако данные ГТУ широко пока не используются.

Принцип действия (работы) газотурбинных установок:

Чистый воздух под высоким давлением из компрессора направляется в камеру сгорания, куда подается и основное топливо и там воспламеняется. При сгорании газовоздушной смеси образуется энергия в виде потока раскаленных газов, который с высокой скоростью устремляется на рабочее колесо турбины и вращает его. Вращательная кинетическая энергия через вал турбины приводит в действие компрессор и электрический генератор, который вырабатывает электрическую энергию. С клемм электрогенератора произведенное электричество, обычно через трансформатор, направляется в электросеть, к потребителям энергии.

Существует два типа циклов работы газотурбинных установок: разомкнутый (или открытый) и  замкнутый цикл.

При разомкнутом (или открытом) цикле компрессор забирает воздух вне системы, а затем под высоким давлением передает его в специальную камеру сгорания, внутри которой выполняется его утилизация с последующим высвобождением энергии. При замкнутом цикле газ, минуя компрессор, попадает в калорифер, где собирается тепло от внешних агентов, после переходит в турбину с последующим расширением, затем в холодильный модуль, после которого тепло уходит наружу, а газ снова попадает в компрессор.

Принцип работы ГТУ

Атмосферный воздух поступает в компрессор, сжимается и под высоким давлением через воздухоподогреватель и воздухораспределительный клапан направляется в камеру сгорания. Одновременно через форсунки в камеру сгорания подается газ, который сжигается в воздушном потоке. Сгорание газовоздушной смеси образует поток раскаленных газов, который с высокой скоростью воздействует на лопасти газовой турбины, заставляя их вращаться. Тепловая энергия потока горячего газа преобразуется в механическую энергию вращения вала турбины, который приводит в действие компрессор и электрогенератор. Электроэнергия с клемм генератора через трансформатор направляется в потребительскую электросеть.

Горячие газы через регенератор поступают в водогрейный котел и далее через утилизатор в дымовую трубу. Между водогрейным котлом и центральным тепловым пунктом (ЦТП) при помощи сетевых насосов организована циркуляция воды. Нагретая в котле жидкость поступает в ЦТП, к которому осуществляется подключение потребителей. Термодинамический цикл газотурбинной установки состоит из адиабатного сжатия воздуха в компрессоре, изобарного подвода теплоты в камере сгорания, адиабатного расширения рабочего тела в газовой турбине, изобарного отвода теплоты.

В качестве топлива для ГТУ используется природный газ – метан. В аварийном режиме, в случае прекращения подачи газа, ГТУ переводится на частичную нагрузку, а в качестве резервного топлива используются дизельное топливо или сжиженные газы (пропан-бутан). Возможные варианты работы газотурбинной установки: отпуск электроэнергии или совмещенный отпуск электричества и тепловой энергии.

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.

Микротурбины

Устройство моноблочного газотурбинного генератора

С вхождением в широкую практику мощных полупроводниковых преобразователей напряжения (инверторов) и бесколлекторных генераторов большой мощности на постоянных магнитах стало оправданным создание газотурбинных электростанций на мощность от десятков киловатт, обозначаемых термином «микротурбины». В такой установке отсутствует редуктор, а частота вращения турбины может изменяться по необходимости (изменение нагрузки и др.) Генератор вырабатывает ток сравнительно высокой частоты (килогерцы), который выпрямляется и преобразуется в трёхфазный ток промышленной частоты инвертором. Единственная движущаяся деталь, объединяющая колёса турбины и компрессора и ротор генератора, может быть подвешена в газодинамических подшипниках, исключающих износ. Основным фактором долговечности такой установки становится эрозия рабочего колеса и износ при пуске. Микротурбинные генераторы контейнерного формата имеют межсервисный интервал порядка года непрерывной работы и срок службы до капремонта порядка 60000 часов (около 7 лет). Будучи прямыми конкурентами поршневых агрегатов, микротурбины, тем не менее, проигрывают им по стоимости и электрическому КПД (то есть соотношению выработанной электрической и тепловой энергии). При этом число пусков ограничено примерно 300 в год, что затрудняет использование их как резервных источников.

Отличительные черты

Как уже говорилось раньше, предпринимались попытки использовать газотурбинный двигатель для автомобиля, однако дальше испытаний дело не пошло. Единственная отрасль, в которой агрегат нашёл применение – авиация.

Если сравнивать газотурбинный мотор с иными силовыми установками, то у первого изделия значение вырабатываемой мощи по отношению к массе больше. Так же плюс в используемом топливе, доведённый до мелкодисперсного состояния, ассортимент воображает, главный вид – керосин и дизель. Но возможно применение: бензина, газа, спирта, мазута, угольной пыли и т.п.

Агрегат с поршнями и газотурбинная установка, это моторы, работающие на основе тепла, преобразующие энергию, выделившуюся при горении в работу механики. Разница между устройствами заключается в течение процесса. В обоих моторах происходит забор и воздушное сдавливание, после чего подаётся порция горючего, затем субстанция горит, увеличивается и сбрасывается атмосферную среду.

В поршневых установках описанные действия происходят в одной точке – камере сгорания, при этом соблюдается очерёдность действий. Для газотурбинного двигателя характерно протекание действий в нескольких частях механизма одновременно.

Что бы понять, как работает газотурбинный двигатель, разделяют этапы протекания процессов, которые в сумме составляют преобразование топлива в работу:

Подведение горючего и образование смеси.

За счёт прохождения атмосферного воздуха через компрессорное колесо, смесь сжимается в объёме, увеличивая напор, до сорока раз. После происходит перетекание воздуха в горящий объём, куда подаётся и топливо. Перемешиваясь с воздушной массой и сгорая, смесь энергетически преобразуется.

Энергетическое рабочее преобразование.

Выделившуюся силу переформатируют в работу механики. Для этого используют специальные лопатки, которые вращаются в газовой струе, выходящей с напором.

Распределение силы.

Распределяя полученную работу, задействуют её кусок в сдавливании очередной воздушной порции, оставшаяся мощь отводится для привода механизма.

Таким образом, видно, что действие газотурбинного устройства сопровождается оборачиванием и это единственное перемещение в установке. Тогда как для других видов силовых агрегатов действию сопутствует перемещение вытеснителя. Учитывая, что габариты и масса газотурбинного агрегата меньше поршневого собрата, а полезный коэффициент и мощь выше, превосходство первого очевидно. Однако увеличенный аппетит и сложность эксплуатации нивелируют преимущества. С целью экономии горючего, установки применяют устройство обмена теплом.

Схема включения в процесс турбины:

История

Основная статья:

Попытки создать механизмы, похожие на турбины, делались очень давно. Известно описание примитивной паровой турбины, сделанное Героном Александрийским (1 в. до н. э.). В восемнадцатом веке англичанин Джон Барбер получил патент на устройство, которое имело большинство элементов, присутствующих в современных газовых турбинах. В конце XIX века, когда термодинамика, машиностроение и металлургия достигли достаточного уровня, Густав Лаваль (Швеция) и Чарлз Парсонс (Великобритания) независимо друг от друга создали пригодные для промышленного использования паровые турбины.

Первую в мире газовую реверсивную турбину сконструировал русский инженер и изобретатель Павел Дмитриевич Кузьминский в 1887 году. Его 10-ступенчатая турбина работала на парогазовой смеси, получаемой в созданной им же в 1894 году камере сгорания — «газопаророде». Кузьминский применил охлаждение камеры сгорания водой. Вода охлаждала стенки и затем посту­пала внутрь камеры. Подача воды снижала температуру и в то же время увеличивала массу газов, поступающих в турбину, что должно было повысить эффективность установки. В 1892 году П. Д. Кузьминский испытал турбину и предложил её военному министерству в качестве двигателя для дирижабля его собственной конструкции. В 1897 году на Петербургском патронном заводе была построена действующая газовая турбина, которую изобретатель готовил к показу на Всемирной выставке в Париже в 1900 году, однако не дожил до неё несколько месяцев.

Одновременно с Кузьминским опыты с газовой турбиной (в качестве перспективного двигателя для торпед) проводил также Чарлз Парсонс, однако вскоре пришёл к выводу, что имеющиеся сплавы из-за низкой жаропрочности не позволяют создать надёжный механизм, который приводился бы в движение струёй раскалённых газов либо парогазовой смесью, после чего сосредоточился на создании паровых турбин.

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.

Преимущества и недостатки газотурбинных двигателей

Преимущества газотурбинных двигателей

  • Очень высокое отношение мощности к весу, по сравнению с поршневым двигателем.
  • Возможность получения большего количества пара при работе (в отличие от поршневого двигателя)
  • В сочетании с паровым котлом и паровой турбиной более высокий КПД по сравнению с поршневым двигателем. Отсюда — использование их в электростанциях.
  • Перемещение только в одном направлении, с намного меньшей вибрацией, в отличие от поршневого двигателя.
  • Меньшее количество движущихся частей, чем у поршневого двигателя.
  • Существенно меньше выбросов вредных веществ по сравнению с поршневыми двигателями
  • Низкая стоимость и потребление смазочного масла.
  • Низкие требования к качеству топлива. ГТД потребляют любое горючее, которое можно распылить: газ, нефтепродукты, органические вещества и пылеобразный уголь.
  • Высокая маневренность и диапазон регулирования.

Недостатки газотурбинных двигателей

  • Стоимость намного выше, чем у аналогичных по размерам поршневых двигателей, поскольку материалы применяемые в турбине должны иметь высокую жаростойкость и жаропрочность, а также высокую удельную прочность. Машинные операции также более сложные;
  • При любом режиме работы имеют меньший КПД, чем поршневые двигатели. (КПД на номинальной нагрузке до 39%, при этом официальные данные по поршневым двигателям — 41-42%). Требуют дополнительной паровой турбины для повышения КПД.
  • Низкий механический и электрический КПД (потребление газа более чем в 1.5 раза больше на 1 кВтЧ электроэнергии по сравнению с поршневым двигателем)
  • Резкое снижение КПД на малых нагрузках (в отличие от поршневого двигателя)
  • Необходимость использования газа высокого давления, что обуславливает необходимость применения дожимных компрессоров с дополнительным расходом энергии и падением общей эффективности системы.
  • Высокие эксплуатационные нагрузки. Следствием которых является использование дорогих жаропрочных сплавов.
  • Более медленный пуск, чем у поршневых двигателей внутреннего сгорания.
  • Существенное влияние пусков-остановок на ресурс.

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

Газотурбинные установки для производства электроэнергии и тепла на выставке

Большой уровень спроса, новая высокопроизводительная аппаратура, передовые технологии – всё это и многое другое невозможно остановить в данной сфере. Благодаря этому газотурбинные установки в России, применяемые для производства электроэнергии и тепла, сегодня являются актуальными.

Из-за своей специфики найти необходимую информацию о современных разработках в достаточном объёме либо же сделать своё собственное открытие в этой отрасли популярным бывает просто невозможно.

В этом случае будет полезно посетить профильное мероприятие – выставку «Электро», проходящую в ЦВК «Экспоцентр». Тут ежегодно собираются тысячи специалистов, представителей ведущих компаний и производители газотурбинных установок со всего мира, готовых к активной работе, и решать самые актуальные вопросы в электротехнике.

Что даст вам данное мероприятие?

  • Поиск новых заказчиков, поставщиков и партнёров.
  • Проведение расширенных эффективных маркетинговых исследований.
  • Презентация собственных разработок и достижений.
  • Ознакомление с самыми передовыми достижениями и инновационными технологиями.
  • Изучение новых устройств.

Если грамотно воспользоваться всеми этими возможностями, то можно всего за несколько дней сделать наработки, на которые в обычных условиях у вас бы ушёл не один месяц. Это сможет сделать вашу компанию и продукцию конкурентоспособной.

Все специалисты не рекомендуют пропускать данные мероприятия. Тем более что возможностей в случае с газотурбинными и парогазовыми установками не так-то уж и много.

ЭлектроэнергетикаЭлектроэнергетика мира и рфЭлектрооборудование для электростанций, подстанций, сетей передачи и распределения электроэнергии

Современные газотурбинные установки для производства электроэнергии и тепла

Такое оборудование, как газотурбинные установки для производства электроэнергии и тепла, оказываются в эпицентре внимания уже не первый год. Эта аппаратура пользуется большим спросом, и в отечественных погодных условиях это оказывается вполне закономерным, особенно в холодный сезон.

Такое оборудование приносит двойную пользу, генерируя и столь необходимое тепло, и еще более нужное электричество, и потому его приобретение, как и работы над ним с целью усовершенствования, оказываются делом актуальным.

Спрос стимулирует новые разработки, и новейшие образцы высокопроизводительной аппаратуры заменяют старые – прогресс в этой сфере неостановим, и потому газотурбинные установки для производства электроэнергии и тепла становятся очень широкой темой. В силу ее специфичности найти необходимую информацию о новых разработках или сделать известными и популярными собственные открытия в данном направлении бывает совсем не просто, но необходимость в этом при работе в данной сфере может быть очень острой.

В такой ситуации весьма выручают профильные мероприятия, такие как выставки.

Комбинация производства тепла и электричества оказывается сегодня одним из ведущих направлений в деле энергосбережения и рационализации. Ведь именно таким образом, при комбинировании этих двух производственных процессов, удается использовать топливо наиболее экономичным и целесообразным образом, особенно в ситуации, когда потребление тепла становится актуальным в круглогодичном режиме.

На сегодняшний день возрастает интерес к малой энергетике, которая становится в ряде случаев оптимальной альтернативной для энергоснабжения централизованного типа, потому как автономные источники подчас оказываются эффективнее и экономичнее централизованных, и в таких условиях подобные установки выходят на первый план.

На сегодняшний день наиболее приоритетным решением в области энергоэкономии на территории России выступает именно децентрализация источников. Точно так же дело обстоит у зарубежных коллег, только в европейских странах процент внедрения таких технологий приближается к отметке в 20-25 процентов, а в России же он не превышает 0.5 процентов от общей доли.

В России выработка электроэнергии выполняется по большей части из ископаемого топлива, и в рамках централизованной сети присутствует более 600 теплоэлектростанций, которые дают более 70 процентов энергии.

В условиях растущего спроса на энергии строятся новые станции, и при этом многие сети имеют массу проблем с высоким показателем энергопотери при производстве и доставке потребителю, а кроме того, присутствует немало долгов со стороны потребителей, что тоже создает дополнительные проблемы.

Существуют даже неучтенные потребители и целый ряд других проблем, которые делают централизованные сети малоэффективными и создают отрасли сложности.

На данный момент в сфере отечественной теплоэнергетической отрасли создаются и прорабатываются эффективные технологии в дополнение уже существующим централизованным вариантам создания тепла и продуцирования электроэнергии.

И буквально до последних лет все эти виды энергии производились в России раздельным образом, либо в рамках ТЭЦ на паротурбинных генераторах.

Малые ТЭЦ на основе современных технологий становятся прекрасным решением проблемы даже при условии дефицита денежных средств, что и делает это направление перспективным.

Реализовывать проекты такого типа можно даже на основе тех котельных, что уже работают по старому принципу. И для этого достаточно будет начать использование газотурбинных установок нового образца.

Новые технологии способны увеличить производительность и обеспечить экономию, предоставляя потребителю все необходимое. Выставки же дают все возможности для изучения этих новых перспективных технологий и их широкого внедрения.

Легче в космос полететь

Первым шагом в разработке отечественных газовых турбин стало формирование собственной команды конструкторов. Отбор был тщательный: предпочтения отдавались не только высокому уровню компетенций и знаний, но и желанию кандидатов создать качественный продукт для энергорынка. В результате в команду СКБ газотурбинных установок и отдел газовых турбин технического управления вошли более 120 человек из разных городов страны, имеющих опыт работы в проектах по созданию авиационных и энергетических газотурбинных двигателей в российских и зарубежных компаниях.

Как сообщил генеральный директор «Силовых машин» Тимур Липатов в интервью ТАСС в 2019 году, «отбор в конструкторское бюро был, наверное, не менее жестким, чем в отряд космонавтов». «Это специалисты высочайшего уровня. Типичный профиль — технический вуз, красный диплом, научная степень, лауреат престижного профессионального конкурса

И что крайне важно, это люди, которые искренне верят в возможности и перспективы российской промышленности и энергетики», — сказал он

Лучшие умы страны не только создают проекты новых газовых турбин, но и совершенствуют имеющиеся разработки, повышая их технические характеристики. Помощь в этом вопросе СКБ оказывают порядка 40 ключевых научно-исследовательских и промышленных организаций: Сибирское отделение РАН, НПО ЦКТИ, НИИ КМ «Прометей», ЦИАМ, ВТИ, ЦНИИТМАШ, ВИАМ, Санкт-Петербургский Политехнический университет Петра Великого, Уральский федеральный университет и многие другие. Так, Самарский университет участвует в создании компрессоров для газовых турбин, ВТИ и ЦИАМ проектируют камеру сгорания ГТЭ-65, ЦКТИ стал экспериментальной площадкой для испытания лопаток компрессора и турбины, элементов камеры сгорания. Впоследствии перечень этих работ будет расширяться.

Для выполнения аэродинамических и прочностных расчетов «Силовые машины» приобрели вычислительный кластер с пиковой производительностью 170 терафлопс, который стал мощнейшим в машиностроительной отрасли России. Сейчас суперкомпьютер загружен на 90-95% от производственной мощности и выполняет сложнейшие расчеты по турбине и по оптимизации компрессора, а также расчеты, необходимые для проектирования камеры сгорания.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации