Газотурбинные двигатели

Газотурбинным двигателем называется двигатель, в котором рабочим телом является неконденсирующийся газ (воздух, продукты сгорания топлива, нейтральные газы), а в качестве расширительной машины применяется газовая турбина. ГТД состоит из трех основных элементов: газовой турбины, камеры сгорания и компрессора.

Газовая турбина – машина, в лопаточном аппарате которой термодинамическая работа изменения давления потока превращается в кинетическую энергию рабочего тела и в механическую работу на лопатках турбины.

В компрессоре механическая работа превращается в кинетическую энергию рабочего тела с последующим превращением в термодинамическую работу повышения давления.

В зависимости от кратности использования рабочего тела различают газотурбинные установки (ГТУ) открытого и закрытого цикла.

В ГТУ открытого цикла наружный воздух после однократного осуществления элементов рабочего процесса – сжатия, подвода теплоты, расширения выбрасывается в атмосферу, и последующие циклы происходят с новыми порциями рабочего тела.

В ГТУ закрытого цикла рабочее тело не меняется, а многократно сжимается, подогревается, расширяется и охлаждается, причем подогрев и охлаждение рабочего тела осуществляются в теплообменных аппаратах поверхностного типа, и рабочее тело не смешивается с продуктами сгорания топлива и окружающим воздухом.

Наибольшее распространение на транспорте и в промышленности получили только ГТУ открытого цикла.

Простейшая ГТУ открытого цикла изображена на рис. 7.1, а –техническая и б – термодинамическая схемы одновальной ГТУ, в –термодинамическая схема двухвальной ГТУ.

Рабочий процесс простейшей ГТУ осуществляется следующим образом: атмосферный воздух, сжатый до некоторого давления (р₂=0,5–0,7 МПа и Т₂= 460–520 К) в компрессоре, беспрерывно поступает в камеру сгорания, где его температура повышается за счет сжигания топлива (Т₃=980–1130 К) при постоянном давлении.

Продукты сгорания на выходе из камеры сгорания (рис. 7.2) должны иметь температуру, не превышающую заданную. При этом в газе не должно быть сажи, частиц кокса, так как они вызывают загрязнение и эрозию проточной части газовой турбины.

При горении жидкого топлива и природного газа в ядре факела развивается температура около 2000 °С. Такую высокую температуру применяемые в турбостроении материалы выдержать не могут.

Температуру продуктов сгорания понижают, разбавляя их относительно холодным воздухом. Для этой цели поток воздуха перед входом в камеру сгорания разделяется на два: поток первичного и поток вторичного воздуха (см. рис. 7.2). Первичный воздух (примерно 1/3 от суммарного количества) подается в зону горения, а вторичный – протекает между жаровой трубой и кожухом и подмешивается постепенно по ходу к продуктам сгорания, снижая их температуру до заданной. Для авиационных ГТУ коэффициент избытка воздуха на выходе из камеры сгорания a = 4–5, для стационарных ГТУ a = 6–10.

Продукты сгорания под давлением и при высокой температуре подводятся к газовой турбине, в которой совершается работа расширения газа.

Рабочий процесс простейшей ГТУ в координатах р–V представлен на рис. 7.3. Заштрихованная вертикальными линиями площадь b34а численно равна работе расширения в газовой турбине. Линия 4–1 в реальном процессе условно изображает замещение отработавших газов новой порцией рабочего тела. Площадь, ограниченная линиями цикла 12341, равна разности работ расширения в газовой турбине и сжатия в компрессоре и представляет собой полезную работу газотурбиной установки, которая используется для привода уст-ройств (электрических генера-торов, нагнетателей, др. потре-бителей).

Чем выше температура газа перед турбиной, тем больше работа и выше экономичность двигателя.

После газовой турбины продукты сгорания (Т₄ = 670–720 К) выбрасываются в атмосферу.

Показатели ГТД простой схемы в одновальном и двухвальном исполнении на номинальной нагрузке ничем существенно не отличаются. Применение двухвального ГТД простейшей схемы оправдывается только в условиях переменного режима работы, когда тяговая газовая турбина работает с заданной переменной скоростью и при различной нагрузке. В этом случае при переходе с номинального на частичные режимы показатели двухвального ГТД по сравнению с одновальным наиболее стабильны.

Для эффективной работы ГТД необходима высокая температура газов перед турбиной. Высокая температура газов перед турбиной затрудняет ее использование и обусловливает применение жаропрочных сталей и сплавов. Особенно тяжелы условия работы лопаток газовой турбины. Для понижения температуры лопаток и ротора их охлаждают. Вследствие этого может быть существенно повышена начальная температура газов перед турбиной (при тех же самых материалах), что приводит к значительному увеличению КПД ГТУ. Наибольшее распространение получило воздушное охлаждение продувкой сжатым воздухом специальных каналов.

В ГТУ простейшей схемы отработавшие газы после расширения в турбине выбрасываются в атмосферу с высокой температурой, что является одной из причин низкой экономичности ГТУ. Часть теплоты уходящих газов можно использовать в теплообменных аппаратах-генераторах, в которых теплота передается сжатому компрессором воздуху.

В ГТУ с регенерацией теплоты (рис. 7.4) воздух сжимается в компрессоре, далее сжатый воздух проходит через регенератор, где температура его повышается, затем воздух проходит камеру сгорания, а температура продуктов сгорания повышается.

Продукты сгорания расширяются в газовой турбине, после чего проходят регенератор, в котором охлаждаются, затем выбрасываются в атмосферу. Таким образом, экономичность ГТУ с регенерацией теплоты выше, чем экономичность ГТУ простейшей схемы без регенерации.

Поверхность нагрева регенераторов образуют большое число труб малого диаметра или волнообразные пластины. По каналам между двумя волнистыми пластинами проходит нагреваемый воздух. С внешней стороны стенки этих каналов омываются отработавшими газами турбин.

Можно увеличить экономичность ГТУ, применяя промежуточный подогрев газа и охлаждения воздуха, т.е. используя сложные схемы. ГТУ с промежуточным подогревом рабочего тела и охлаждения воздуха в конструктивном отношении сложны и их применение оправдано в стационарной теплоэнергетике.

ГТУ получили распространение в металлургической промышленности, на железнодорожном и автомобильном транспорте, в качестве судовых двигателей. Перспективно применение газовых турбин в качестве вспомогательных агрегатов (наддув) в поршневых и реактивных двигателях.

ГТД имеют ряд преимуществ перед поршневыми: рабочие органы совершают в них только вращательное движение и легко уравновешиваются; характеристика крутящего момента протекает весьма благоприятно (с уменьшением частоты вращения крутящий момент резко возрастает), что позволяет упростить конструкцию коробки скоростей; могут работать на любом малосернистом жидком или газообразном топливе с большим избытком воздуха, поэтому продукты сгорания их имеют меньшую концентрацию токсичных веществ; легко пускаются при низких температурах и отличаются большой габаритной мощностью.

Однако газовые турбины пока уступают по экономичности поршневым ДВС, особенно при работе с неполной нагрузкой, и, кроме того, отличаются большой теплонапряженностью лопаток рабочего колеса, обусловленной их непрерывной работой в среде газов с высокой температурой. При снижении температуры газов, поступающих в турбину, для повышения надежности лопаток уменьшается мощность и ухудшается экономичность турбины. Без теплообменника ГТД имеют низкую экономичность, существующие теплообменники громоздки и сложны в изготовлении. Рабочая частота вращения вала тяговой турбины составляет 30-50 тыс. в минуту, что усложняет трансмиссию автомобиля. ГТД сложны и дороги в производстве.

Для осуществления высокоэффективного ГТД необходимо решить проблемы: металловедческую, связанную с изысканием жаропрочных сплавов, и аэродинамическую, заключающуюся в усовершенствовании проточных частей газовой турбины и осевого компрессора.

Повышение эффективности использования газотурбинного привода может осуществляться не только за счет повышения экономичности самого двигателя (повышение температуры газов перед турбиной, применение регенерации теплоты отходящих газов или использование других теплотехнических мероприятий), но и за счет широкой утилизации отходящих газов турбины. В частности, теплота отходящих газов ГТУ может быть эффективно использована на отопление помещений.

Применение жаростойких материалов и охлаждения лопаток, усовершенствование термодинамических схем ГТД позволяют улучшить их показатели и расширить область использования.