Газовая турбина

Не следует путать с Газотурбинный двигатель.

Промышленная газовая турбина в разобранном виде.

Га́зовая турби́на (фр. turbine от лат. turbo вихрь, вращение) в это двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого энергия сжатого и/или нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу. Горение топлива может происходить как вне турбины, так и в самой турбине. Основными элементами конструкции являются ротор (рабочие лопатки, закреплённые на дисках) и статор, выполненный в виде выравнивающего аппарата (направляющие лопатки, закреплённые в корпусе).

Газовые турбины используются в составе газотурбинных двигателей, стационарных газотурбинных установок (ГТУ) и парогазовых установок (ПГУ).

История

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 1872 году Франц Столц разработал газотурбинный двигатель. Однако только в конце XIX века, когда термодинамика, машиностроение и металлургия достигли достаточного уровня, Густаф Лаваль (Швеция) и Чарлз Парсонс (Великобритания) независимо друг от друга создали пригодные для промышленного использования паровые турбины.

Принцип работы

цикл Брайтона

Газ под высоким давлением поступает через сопловой аппарат турбины в область низкого давления, при этом расширяясь и ускоряясь. 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. Газовая турбина чаще всего используется как привод генераторов.

Газовые турбины описываются термодинамическим циклом Брайтона, в котором сначала происходит адиабатическое сжатие воздуха, а после этого осуществляется адиабатическое расширение обратно до начального 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 и на выходе: в результате, расширения не достаточно для обеспечения полезной работы.

Механически газовые турбины могут быть значительно проще, чем поршневые двигатели внутреннего сгорания. Более сложные турбины (которые используются в современных турбореактивных двигателях), могут иметь несколько валов, сотни турбинных и статорных лопаток, а также обширную систему сложных трубопроводов, камер сгорания и теплообменников.

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

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.

Промышленные газовые турбины для производства электричества

Газовая турбина серии GE H. Эта 480-мегаваттная турбинная установка имеет тепловой кпд 60 % в конфигурациях комбинированного цикла.

Отличие промышленных газовых турбин от авиационных в том, что их массогабаритные характеристики значительно выше, они имеют каркас, подшипники и лопастную систему более массивной конструкции. По размерам промышленные турбины варьируются от монтируемых на грузоЭнцикло мобильных установок до огромных комплексных систем. Парогазовые турбины могут иметь высокий КПД в до 60 % в 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 холодильных машинах. Коэффициент использования топлива в когенераторном режиме может превышать 90 %.

Турбины в больших паллетных промышленных газовых турбинах работают на синхронных с частотой переменного тока скоростях в 3000 или 3600 оборотов в минуту (об./мин.).

Газовые турбины простого цикла могут выпускаться как для большой, так и для малой мощности. Одно из их преимуществ в способность входить в рабочий режим в течение нескольких минут, что позволяет использовать их как 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 нескольких десятков часов в год, в зависимости, от потребности в электроэнергии и генерирующей емкости. 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 суток. Типичная турбина простого цикла может выдавать от 100 до 300 мегаватт (МВт) мощности и иметь тепловой КПД 35-40 %. Максимальные КПД турбин простого цикла достигает 41 %.

Микротурбины

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

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
• 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
• Низкие эксплуатационные нагрузки.
• 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.

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;
• Имеют меньший КПД при любом режиме работы, чем поршневые двигатели. (Официальные данные (стр.3) КПД на максимальной нагрузке 25-33%, при этом Официальные данные по поршневым двигателям - 41-42%)
• 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.
• Задержка отклика на изменения настроек мощности.
• Медленный запуск и выход на режим
• Существенное влияние пусков-остановов 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 и мощности. А также то, почему в аэропортах при короткой стыковке двигатели самолета не останавливают - излишне потребленное топливо дешевле ремонта турбин из-за пусков-остановов.

Литература

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

См. также

• Турбина
• Газотурбинный двигатель
• ГТ-МГР

Ссылки

• Газовая турбина в статья из Большой советской энциклопедии
• MIT Gas Turbine Laboratory
• Технические данные турбин Capstone
• Технические данные газопоршневых установок MTU

Двигатели