Гту в составе судовой энергетической установки. Принцип работы гту

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Подобные документы

Описание технологической схемы установки утилизации теплоты отходящих газов технологической печи. Расчет процесса горения, состав топлива и средние удельные теплоемкости газов. Расчет теплового баланса печи и ее КПД. Оборудование котла-утилизатора.

курсовая работа , добавлен 07.10.2010


Определение горючей массы и теплоты сгорания углеводородных топлив. Расчет теоретического и фактического количества воздуха, необходимого для горения. Состав, количество, масса продуктов сгорания. Определение энтальпии продуктов сгорания для нефти и газа.

практическая работа , добавлен 16.12.2013


Назначение, устройство, составные части и принцип действие комплекса "Метан" как самостоятельной газовой защиты шахты. Проверка работоспособности оборудования. Измерение метана в атмосфере и срабатывание аппаратуры при превышении концентрации метана.

лабораторная работа , добавлен 15.10.2009


Каталитическое сжигание метана. Поиск методов снижения концентрации оксидов азота. Условия приготовления и исследование физико-химических характеристик палладиевого и оксидного катализаторов, нанесенных на ячеисто-каркасный металлический носитель.

дипломная работа , добавлен 19.12.2011


Устройство котла-утилизатора П-83. Порядок определения энтальпий газов и коэффициента использования тепла. Особенности расчета пароперегревателей, испарителей и экономайзеров высокого и низкого давления, а также дополнительного и кипящего экономайзеров.

контрольная работа , добавлен 25.06.2010


Анализ энергетического хозяйства цеха теплогазоснабжения ОАО "Урал Сталь". Реконструкция котла-утилизатора КСТ-80 с целью установки конденсационной турбины. Автоматизация и механизация производственных процессов. Безопасность труда и экологичность.

дипломная работа , добавлен 17.02.2009


Технология производства серной кислоты и продуктов на ее основе. Разработка конструкции узлов котла-утилизатора. Механизация обслуживания и ремонтных работ участка котла-утилизатора. Разработка технологического процесса изготовления "барабана канатного".

дипломная работа , добавлен 09.11.2016

Газотурбинная установка - это агрегат, состоящий из газотурбинного двигателя (ГТД), редуктора, генератора и вспомогательных систем . Поток газа, образованный в результате сгорания топлива, воздействуя на лопатки турбины, создает крутящий момент и вращает ротор, который в свою очередь соединен с генератором. Генератор вырабатывает электроэнергию. В основу устройства газотурбинного агрегата положен принцип модульности: ГТУ состоят из отдельных блоков, включая блок автоматики. Модульная конструкция позволяет в кратчайшие сроки производить сервисное обслуживание и ремонт, наращивать мощность, а также экономить средства за счет того, что все работы могут производиться быстро на месте эксплуатации

Применение газотурбинных энергоустановок Газотурбинные энергоустановки применяются в качестве постоянных, резервных или аварийных источников тепло- и электроснабжения в городах, а также отдаленных, труднодоступных районах.

. Основные потребители продуктов работы ГТУ следующие:

Нефтедобывающая промышленность

Газодобывающая промышленность

Металлургическая промышленность

Лесная и деревообрабатывающая промышленность

Муниципальные образования

Сфера ЖКХ

Сельское хозяйство

Водоочистные сооружения

Утилизация отходов. Электрическая мощность газотурбинных энергоустановок колеблется от десятков киловатт до сотен мегаватт. Наибольший КПД достигается при работе в режиме когенерации (одновременная выработка тепловой и электрической энергии) или тригенерации (одновременная выработка тепловой, электрической энергии и энергии холода). Возможность получения недорогой тепловой и электрической энергии предполагает быструю окупаемость поставленной газотурбинной установки. Такая установка, совмещенная с котлом-утилизатором выхлопных газов, позволяет производить одновременно тепло и электроэнергию, благодаря чему достигаются наилучшие показатели по эффективности использования топлива. Выходящие из турбины отработанные газы в зависимости от потребностей Заказчика используются для производства горячей воды или пара. Топливо для газотурбинной установки. Газотурбинный агрегат может работать как на газообразном, так и на жидком топливе. Так, в газотурбинных установках может использоваться: дизельное топливо, керосин, природный газ, попутный нефтяной газ, биогаз (образованный из отходов сточных вод, мусорных свалок и т.п.), шахтный газ, коксовый газ, древесный газ и др. Большинство газотурбинных установок могут работать на низкокалорийных топливах с минимальной концентрацией метана (до 30%). Преимущества газотурбинных электростанций : работы на отходах производства ; низкий уровень шума и вибраций. Этот показатель не превышает 80-85 децибела.К омпактные размеры и небольшой вес дают возможность разместить газотурбинную установку на небольшой площади, что позволяет существенно сэкономить средства. Возможны варианты крышного размещения газотурбинных установок небольшой мощности. Возможность работы на различных видах газапозволяет использовать газотурбинный агрегат в любом производстве на самом экономически
выгодном виде топлива . Минимальный ущерб для окружающей среды; низкий расход масла; возможность эксплуа-тация как в автономном режиме, так и параллельно с сетью.

Возможность работы в течение длительного времени при очень низких нагрузках,в том числе в режиме холостого хода.

Максимально допустимая перегрузка:150% номинального тока в течение 1 минуты, 110% номинального тока в течение 2 часов.

О применении ГТД на транспорте. Широкое распространение ГТД получили на транспорте. За 100 лет развития дизельные двигатели достигли определенного предела, за которыми не просматриваются значительные перспективы роста их показателей. У современных дизелей максимальное давление сгорания достигает 18.0-25.0 МПа, что с учетом потерь на трение и охлаждение позволит в перспективе на локомотивах получить реальный эффективный к.п.д., равный 47%. Дальнейший рост параметров цикла не приводит к росту эффективности, что связано со свойствами реальных газов, ростом влияния вредного пространства камеры сгорания, ростом трудностей смесеобразования и ростом токсичности выхлопных газов. Уже сегодня затраты на обеспечение требований по экологии снижают экономичность дизеля на 2-3%. Затраты на обслуживание и ремонт дизелей составляют более 50% затрат на обслуживание и ремонт локомотивов. За 50 лет развития транспортные газотурбинные двигатели мощностью более 1000 л.с. догнали по топливной эффективности дизельные двигатели и обладают существенными резервами роста экономичности. По экологическим характеристикам лучшие ГТД превосходят лучшие дизели в 20-30 раз. Транспортные ГТД превосходят дизели по пусковым характеристикам, расходу масла и расходам на текущее обслуживание. ГТД постепенно вытесняют дизели и паровые турбины с рынков морского флота (WR-21 четвертого поколения обладает эффективным к.п.д. более 42% при мощности 30% от номинальной), крупнотоннажных автомобилей и карьерных машин. Анализ отечественных и зарубежных газотурбинных силовых установок показал перспективность применения газотурбинной тяги на локомотивах по следующим причинам: снижение затрат на перевозку груза за счет согласования автономного и электрического тягового состава по осевой мощности, секционной мощности, скоростным характеристикам и унификации экипажа; снижение эксплуатационных расходов; увеличение эксплуатационной готовности и надежности локомотивов, что сокращает сроки окупаемости подвижного состава и повышает конкурентоспособность железнодорожного транспорта; существенное улучшение экологической обстановки на линии и особенно врайоне станций. Термодинамический цикл ГТУ. Основными недостатками поршневых двигателей внутреннего сгорания являются ограниченность их мощности и невозможность адиабатного расширения рабочего тела до атмосферного давления, которые отсутствуют в газотурбиннных установках. В ГТУ рабочим телом являются продукты сгорания жидкого или газообразного топлива.

На рис.3.13 дана схема простейшей газотурбинной установки со сгоранием топлива при постоянном давлении.

Топливным насосом 5 и компрессором 4 топливо и воздух через форсунки 6 и 7 поступают в камеру сгорания 1. Из камеры продукты сгорания направляются в комбинированные сопла 2, где они расширяются, и поступают на лопатки газовой турбины 3
Рис.3.13. Схема ГТУ.

На рис.3.14 и рис3.15 представлены идеальный цикл ГТУ в P-V и T-S диаграммах. 1-2 - адиабатное сжатие воздуха в компрессоре до давления Р 2 ;
2-3 – подвод теплоты q 1 при постоянном давлении Р 2 (сгорание топлива);
3-4 – адиабатное расширение газо- воздушной смеси до начального давления Р 1 ;
4-1 – охлаждение рабочего тела при постоянном давлении Р 1 (отвод теплоты q 2);
Характеристиками цикла являются:
степень повышения давления l = Р 2 / Р 1 ;
степень изобарного расширения r = n 3 /n 2 .
Удельная работа турбины: l т = i 3 – i 4 (кДж/кг). (3-49) Удельная работа компрессора: l к = i 2 – i 1 (кдж/кг). (3-50) Удельная полезная работа ГТУ равна разности работ турбины и компрессора: l ГТУ = l т – l к (3-51) Термический к.п.д. цикла ГТУ имеет вид: η t = 1 – 1/ l (γ-1)/ γ . (3-51) γ = 1,4 Теоретическая мощность газовой турбины, компрессора и установки (ГТУ): N т = l т ·M/3600 = (i 3 – i 4)·M/3600 (кВт), (3-52) М-расход газа в кг/час . 1 час =3600 сек.
N к = l к ·M/3600 = (i 2 – i 1)·M/3600 (квт), (3-53)
Рис.3.14. Р-V диаграмма идеального цикла ГТУ. N ГТУ = l ГТУ ·M/3600 = [(i 3 – i 4) (i 2 – i 1) ]·M/3600 (кВт). (3-54)

Рис.3.15. T-S диаграмма идеального цикла ГТУ.

Действительный цикл ГТУ отличается от теоретического наличием потерь на трение и вихреообразование в турбине и компрессоре. Эффективными методами повышения экономичности газотурбинных установок являются: регенерация теплоты, ступенчатое сжатие, расширение рабочего тела и пр.

Танковый газотурбинный двигатель-гиперссылка

§ 3.6. Реактивные двигатели. Реакти́вный дви́гатель - двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования исходной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. Рабочее тело (разогретый поток продуктов горения) с большой скоростью истекает из сопла дигателя и вследствие закона сохранения импульса появляется реактивная сила, толкающая двигатель в противоположном направлении. Для разгона рабочего тела может использоваться как тепловой нагрев, так и другие физические принципы (ионный двигатель, фотонный двигатель). Реактивный двигатель сочетает в себе собственно двигатель с движителем, то есть обеспечивает собственное движение без участия промежуточных механизмов. Существует два основных класса реактивных двигателей: воздушно-реактивные двигатели –тепловые двигатели, рабочее тело которых образуется при реакции окисления горючего вещества кислородом воздуха. ракетные двигатели - содержат все компоненты рабочего тела на борту и способны работать в безвоздушном пространстве. Ракетные двигатели в зависимости от вида топлива (твёрдого или жидкого) подразделяются на пороховые и жидкостные. Двигатели первого типа используют твёрдое топливо, имеющее в своём составе необходимый для горения кислород. Топливом для жидкостных реактивных двигателей служат: водород и соединения водорода с углеродом; твёрдые металлы с малой атомной массой (литий, бор) и их соединения с водородом. В качестве окислителей ипользуют жидкий кислород, перекись водорода, азотная кислота. Схема жидкостного реактивного двигателя показана на рис.3.16. Жидкое топливо и жидкий окислитель подаются в камеру сгорания 2 при помощи питательных насосов 1. Топливо сгорает при постоянном давлении (что является наиболее простым) при открытом сопло 3. Газообразные продукты сгорания, расширяясь в сопло и вытекая из него с большой скоростью, создают необходимую для движения летательного аппарата силу тяги.

Рис. 3.16 Схема жидкостного реак- Рис. 3.17. Цикл жидкостного

В соответствии с назначением СЭУ весь комплекс ее механиз­мов и систем условно делят на четыре группы:

Главную установку, предназначенную для обеспечения дви­жения судна:

Вспомогательную, обеспечивающую потребности судна в различных видах энергии на стоянке, при подготовке главной установки к действию и бытовые потребности судна;

Электроэнергетическую, обеспечивающую судно различными видами электроэнергии;

Механизмы и системы общесудового назначения.

Газотурбинная установка может быть главной или се состав­ной частью, может быть приводом электрических генераторов, различных механизмов общесудового назначения. В последних двух случаях ГТУ называют вспомога­тельной.

Судовая энергетическая установка состоит из одного или нескольких комплексов двигатель - движитель, каждый из которых включает движитель, валопровод и одну главную установку.

Главная установка в свою очередь состоит из одного или нескольких однотипных (в КУ, возможно, и разнотипных) двигателей и общей для них передачи, подводящей энергию к движителю через линию вала. Если двигатели главной установки газотурбинные, и она обеспечивает ход и маневрирование судна, ее называют газотурбинной всережимной. В комбинированной установке газотурбинная, как правило, является ускорительной (форсажной), обеспечивающей судну приращение скорости переднего хода.

Газотурбинный двигатель. Газотурбинный двигатель - тепловая машина, предназначенная, для преобразования энергии сгорания топлива в механическую работу на валу двигателя. Основными элементами ГТД являются компрессор, камера сгорания и газовая турбина.

Наибольшее распространение получили ГТД с непрерывным сгоранием топлива при постоянном давлении. Теоретический простой цикл ГТД на диаграмме Т-S: 1-2- изоэнтропийный (адиабатический) процесс повышения давления воздуха в компрессоре; 2-3-изобарный подвод теплоты в КС; 3-4 - изоэнтропийный (адиабатический) процесс расширения газа в турбине; 4-1-изобарный отвод теплоты в атмосферу.

Большая часть работы расширения газа в турбине расходуется на сжатие воздуха в компрессоре, остальная часть производимой турбиной ГТД работы обычно после преобразова­ния передается к потребителю мощности и называется полезной работой.

В так называемых сложных циклах ГТД, где можно получить более высокий КПД, или большую полезную работу, предусматри­вается либо промежуточное охлаждение воздуха (например, между компрессорами или их ступенями), либо вторичный подо­грев газов (в дополнительных КС между турбинами), либо реге­нерация, т.е. использование теплоты выходящих из турбин газов для предварительного подогрева сжатого воздуха, либо любое возможное сочетание названных средств. Двигатели, выполненные по сложному циклу, имеют большие массы и габариты по сравнению с ГТД простого цикла, менее маневренны, менее надежны, весьма сложны.

Существенный недостаток ГТД простого цикла - относительно низкая экономичность - может быть устранен согласованным уве­личением степени повышения давления воздуха Лк в компрессоре ГТД и температуры газа Тоз на входе в первую турбину ГТД (на выходе газа из КС), что наглядно подтверждается зависимостью КПД ГТУ от Лк при различных отношениях Тоз/То: здесь Тоз - абсолютная температура газа на выходе из КС в полных па­раметрах; То - абсолютная температура воздуха на входе в ГТУ.

Максимальное значение КПД при реально достижимой в настоя­щее время температуре Тоз=1000°С имеет место при Лк=16-21. Данную Лк можно осуществить в многоступенчатом осевом ком­прессоре; при этом в составе ГТД могут быть два последовательно установленных компрессора, каждый из которых приводится от отдельной турбины, или один компрессор, устойчивость режимов работы которого повышается вследствие применения поворотных лопаток спрямляющих аппаратов на ряде первых ступеней. При этом возможно применение дополнительных устройств, обеспечивающих устойчивость работы компрессоров, особенно на переходных режимах: лент перепуска воздуха, антипомпажных клапанов и т.д.

Собственно газовыми тур­бинами являются ТВД, ТНД. ТВ; совокупность КНД, ТНД, и со­единяющего их вала образует турбокомпрессорный блок низкого давления (ТКНД); совокупность КВД, ТВД и соединяющих их конструкций-турбокомпрессорный блок высокого давления (ТКВД): часть ГТД, включающую ТКНД, ТКВД и КС, часто на­зывают генератором газа (ГГ).

Таким образом, ГТД можно рассматривать как совокупность генератора газа и пропульсивной турбины.

Передача. Оптимальные условия работы гребного винта и пропульсивной турбины ГТД обеспечиваются обычно при различных частотах вращения. Для достижения приемлемых экономичности, масс и га­баритов частота вращения ротора пропульсивной турбины должна быть значительно выше, чем гребного винта. Снижение частоты вращения осуществляется в передаче при обязательном требова­нии минимальных потерь мощности.

Передача может выполнять и другие функции, в частности «собирать» мощности нескольких двигателей на один движитель, «раздавать» мощность теплового двигателя на несколько движителей, разобщать двигатели от дви­жителей, осуществлять реверс и т. д.

Различают передачи механические, гидравлические, электри­ческие. Последняя может работать на переменном и постоянном токе. В первом случае потери энергии в передаче составляют 6- 14%, во втором-11-19%. Для электропередач характерны большие массы и габариты: так, приходящаяся на 1 кВт масса электропередачи составляет 7-22 кг. Несомненны преимущества электропередач:

Возможность использования нереверсивного главного дви­гателя;

Удобство управления установкой;

Уменьшение длины гребных валов;

Отсутствие жесткой связи между главным двигателем и вин­том и т. д.

Чисто гидравлическая передача имеет относительно малый КПД: 95-96 и 85-88 % - соответственно гидромуфты и гидро­трансформатора переднего хода, 70-75 % -гидротрансформатора заднего хода. По этой причине их предпочитают применять в со­четании с механической передачей. Механическая (обычно зубча­тая) передача имеет высокий КПД (до 98-99 %) и находит пре­имущественное применение на судах.

Общая компоновка ГТУ. На судах применяют ГТУ двух основных типов: с ГТД про­мышленного (тяжелого) типа; с ГТД авиационного (легкого) типа. Компоновочные схемы этих ГТУ могут существенно отли­чаться. Для ГТУ второго типа характерно выполнение ГТД в рамном или безрамном варианте, с трубчатым основанием, в звукоизолирующем кожухе.

Максимально возможная часть си­стем, обеспечивающих работу ГТД, смонтирована на нем или в его раме; основные вспомогательные механизмы (например, ос­новные топливный и масляный насосы) навешены на ГТД и при­водятся от блока его вращения, в наименьшей степени изменяю­щего частоту вращения при переходе ГТД с режима на режим.

На редукторе ГТУ также смонтированы обеспечивающие его работу системы и механизмы (например, навесные маслонасосы). Связь ГТД с редуктором осуществляется посредством рессор.

Системы ГТУ включают комплексы разнообразных техниче­ских средств, при помощи которых могут быть осуществлены все эксплуатационные режимы работы установки, а также ее техни­ческое обслуживание. Условно их можно разделить на две группы. Первая группа-это комплексы технических средств, которые по­зволяют управлять установкой, т.е. задавать и поддерживать не­обходимые режимы се работы и изменять эти режимы при необхо­димости.

К ним относятся системы:

Управления, воздействующая на подачу топлива в КС, на системы пуска и реверса и другие системы, обеспечивающие под­держание и изменение режима работы;

Пуска, с помощью которой ГТУ вводится в действие;

Реверса, обеспечивающая изменение направления упора, со­здаваемого гребным винтом или другим движителем.

Ко второй группе относятся следующие системы, обеспечиваю­щие оптимальные условия для работы ГТУ:

Топливная, состоящая из технических средств, размещенных на ГТД, а также вне двигателя;

Масляная с техническими средствами на ГТД, передаче (ре­дукторе) и вне их;

Охлаждения забортной водой, размещенная обычно вне ГТУ и предназначенная для охлаждения масла ГТУ в маслоохлади­телях;

Сжатого воздуха, технические средства которой размещены как на ГТУ, так и вне установки;

Промывки проточной части;

Антиобледенительная (система обогрева входного устрой­ства ГТД) и ряд других.

Кроме того, работа ГТД на судне обеспечивается воздухоприемным и газовыпускным устройствами, системой теплоизоляции ГТД.

Судовые ГТУ промышленного типа. Примером названных установок может служить ГТУ-20 судна «Парижская коммуна». Она состоит из двух одинаковых устано­вок ГТУ-10, работающих через общий редуктор на один ВРШ. Особенностью ГТУ-20 является блокированная ТНД, что потребовало установки ВРШ.

Установки промышленного типа МS-1000, МS-3000, МS-5000, МS-7000 и их модификации фирмы «Дженерал электрик» конвер­тированы в судовые из стационарных ГТУ. Все они работают по открытому циклу с регенерацией теплоты уходящих газов для по­догрева воздуха.

Особенностью ГТУ М5-3012К является привод генератора пе­ременного тока от ТНД и постоянная частота их вращения. Глав­ный электродвигатель (ГЭД) переменного тока с постоянной ча­стотой вращения приводит в действие ВРШ. Установка М5-3012К со всеми обслуживающими механизмами и системами располо­жена на верхней палубе судна, а ГЭД - в машинном отделении.

Судовые ГТУ легкого типа. На судах такие ГТУ нашли применение в следующем исполнении:

С одним компрессором и одной турбиной;

С одним турбокомпрессором и свободной ТВ;

С двумя турбокомпрессорами и свободной ТВ.

Были проведены большие работы по конвертированию авиаци­онных ГТД для использования их на судах: в СССР - ГТУ М-25.

В США были созданы ГТД типов: LМ-100, LМ-300, LМ-1500, LМ-2500, LМ-5000, FТ-4А, FТ-4А12, FТ-4С-2 и др.; в Англия - типов «Олимп», «Тайн», «Гном» и др.

Судовые газотурбинные установки с теплоутилизирующим кон­туром (ТУК)

ГТУ М-25 мощностью 25 000 кВт эксплуатируются на судах типа «Капитан Смирнов».

Головной газотурбоход «Капитан Смирнов» - ролкер водоизмещением 35 000 т. Он предназначен для перевозки пакетированных грузов и контейнеров, имеет две ГТУ суммарной мощностью 36800 кВт. Скорость судна 27 уз. На газотурбоходе высок уровень автоматизации. В машинном отделении нет постоянной вахты.

Контролирует работу оборудования с центрального поста управления энергетической установкой один механик. Главным двигателем управляет с мостика вахтенный штурман. Оттуда же осуществляется управление мощными подруливающими устройствами, расположенными в носу и корме. Благодаря им при швартовных операциях можно обходиться без помощи портовых буксиров.

Установка ГТУ М-25 состоит из газотурбинного двигателя, редуктора и теплоутилизирующего контура, который в свою очередь включает в себя паровой котел с сепаратором пара и арматурой дистанционного управления, паровую турбину с конденсатором и вспомогательное оборудование.

Тепловая схема ГТУ дана на рис. 5.2 Атмосферный воздух засасывается КНД 6 и последовательно сжимается в КНД и КВД 5. Затем в камере сгорания 4 при постоянном давлении происходит сжигание топлива, и образовавшийся при этом газ расширяется последовательно в ТВД 3, ТНД 2 и турбине винта (ТВ) 1. Отсюда газ поступает утилизационный котел 7, где отдает теплоту питательной воде. Пар из котла направляется в силовую паровую турбину 21, совместно с ТВ вращающую через упругие муфты и редуктор 24 гребной винт. Вся мощность ТВД и ТНД полностью потребляется соответственно КВД и КНД.

Утилизационный котел (расположен над газоотводом ГТД) - водотрубный с многократной принудительной циркуляцией, в сечении имеет прямоугольную форму. Котел состоит из экономайзера, испарителя и пароперегревателя, между которыми предусмотрены пазухи для размещения опорных балок крепления трубных пакетов, осмотра и ремонта поверхности горения. Котел включает в себя также сепаратор пара, служащий для отделения пара от пароводяной смеси, поступающей из испарителя котла.

Паровая турбина состоит из регулировочной ступени в виде двухвенечного колеса и семи ступеней давления. Ее сварнолитой корпус изготавливается с корпусами (стульями) подшипников. На верхней крышке крепится паровпускной быстрозапорный клапан, а на выпускном патрубке - дроссельно-увлажнительная установка.

Ротор паровой турбины составной - с насадными дисками. Упор­ный гребень выполнен заодно с валом. Турбина имеет два опорных и один упорный подшипники. Опорные подшипники имеют стальные вкладыши, залитые баббитом. Упорный подшипник двусторонний с самоустанавливающими упорными сегментами Конденсатор двухпроточный, он одновременно является рамой, на которой располагаются турбина и вспомогательное оборудование. Редуктор позволяет подключить и отключить паровую турбину при работающем и остановленном ГТД, обеспечивает проворачивание валопровода при неработающих ГТД и паровой турбине и стопорение валопровода.

В правой части рис. 5.2 представлен теплоутилизирующий контур одного борта установки. Питательная вода из теплого ящика 15 электропитательным насосом 14 подается через двухимпульсный регулятор 12 питания в сепаратор 11 питания. Из него насос 13 многократной циркуляции подает воду в экономайзер 8. Из него вода по опускным трубам идет в испаритель 9. Затем пароводяная смесь поступает в сепаратор. Из него влажный пар направляется в пароперегреватель 10 и далее (уже перегретый пар) через главный стопорный клапан 19 - к быстрозапорному клапану 20 паровой турбины. Схемой ТУК предусматривается отбор 6000 кг/ч перегретого пара из главного паропровода на турбогенератор мощностью 1000 кВт и 2000 кг/ч насыщенного пара из сепаратора на общесудовые нужды.

Рис. 5.2 Тепловая схема ГТУ с ТУК газотурбохода «Капитан Смирнов» (одного борта)

Главный стопорный клапан открывается автоматически при давле­нии пара 0,4 МПа. При достижении давления в конденсаторе 5-6 КПа открывается быстрозапорный клапан в положение холостого хода, и паровая турбина начинает набирать частоту вращения.

Как только паровая турбина сравняется по частоте вращения с турбиной винта, происходят синхронизация и подключение паровой турбины к редуктору. Избыток пара при этом стравливается через редукционное охладительное устройство 22 и дроссельно-увлажнительное устройство 23 в выпускной патрубок турбины на конденсатор 18. Оттуда электроконденсатный насос 17 возвращает конденсат в теплый ящик через регулятор уровня конденсата 16. После прогрева паровой турбины на режиме холостого хода в течение 12-15 мин БЗК открывается полностью, и паровая турбина начинает работать в режиме полной мощности.

Газотурбинная установка может устойчиво эксплуатироваться как при работе с ТУК, так и без него. Включение ТУК происходит при подаче питательной воды в котел и может производиться при любом режиме работы ГТД (горячий пуск) и при неработающем ГТД (холодный пуск). Пуск ТУК и управление им осуществляются с центрального поста управления. Отбор пара на турбогенератор производится вручную.

В установке предусмотрена возможность работы перекрестным путем. В этом случае работает газовая турбина с ТУК одного борта, пар подается на паровую турбину другого борта. При этом газовая турбина этого борта не работает (снимают рессору от ТВ к редуктору), при такой работе подача топлива уменьшается почти в 2 раза (при скорости судна примерно 20 уз).

Ресурс всего агрегата составляет 100000 ч (примерно 25 лет). В то же время ресурс ГТД до заводского ремонта составляет 25000 ч. Пос­ле заводского ремонта ресурс ГТД восстанавливается. Технический ресурс ГТД (до замены) равен 50000 ч (приблизительно 12,5 года).

При наличии запасного ГТД на судне (или обменного фонда ГТД) его замена может быть проведена силами судового экипажа в течение двух суток, т.е. во время погрузочно-разгрузочных работ в порту. Любой из навешенных на ГТД агрегатов может быть заменен в течение 1-2 ч.

Газотурбинный двигатель (рис. 5.3) изготавливается в морском (корабельном) исполнении.

Он состоит из осевых расположенных последовательно компрессоров - семиступенчатого КНД 1 и девятиступенчатого КВД 2 трубчато-кольцевой камеры сгорания 3, в корпусе: которой находятся десять жаровых труб 4 с форсунками и из расположенных последовательно двухступенчатых ТВД 5 и ТНД 6 и четырехступенчатой ТВ 7.

Рис. 5.3 ГТУ М-25 со схематическим разрезом ГТД

Корпуса компрессоров, камеры сгорания и трубки соединяются между собой последовательно вертикальными фланцами и образуют единый корпус.

Вопросы для самопроверки

Устройство газотурбинного двигателя.

Устройство газотурбинной установки

Принцип работы ГТУ и ГТД.

Газотурбинные установки (ГТУ) Газотурбинная установка - это агрегат, состоящий из газотурбинного двигателя, редуктора, генератора и вспомогательных систем. Поток газа, образованный в результате сгорания топлива, воздействуя на лопатки турбины, создает крутящий момент и вращает ротор, который в свою очередь соединен с генератором. Генератор вырабатывает электроэнергию. В основу устройства газотурбинного агрегата положен принцип модульности: ГТУ состоят из отдельных блоков, включая блок автоматики. Модульная конструкция позволяет в кратчайшие сроки производить сервисное обслуживание и ремонт, наращивать мощность, а также экономить средства за счет того, что все работы могут производиться быстро на месте эксплуатации.устройства газотурбинного агрегата На первых этапах развития газотурбинных установок (ГТУ) в них для сжигания топлива применяли два типа камер сгорания. В камеру сгорания первого типа топливо и окислитель (воздух) подавались непрерывно, их горение также поддерживалось непрерывно, а давление не изменялось. В камеру сгорания, второго типа топливо и окислитель (воздух) подавались порциями. Смесь поджигалась и сгорала в замкнутом объеме, а затем продукты сгорания поступали в турбину. В такой камере сгорания температура и давление не постоянны: они резко увеличиваются в момент сгорания топлива.камер сгорания Со временем выявились несомненные преимущества камер сгорания первого типа. Поэтому в современных ГТУ топливо в большинстве случаев сжигают при постоянном давлении в камере сгорания.

Принцип действия газотурбинных установок Рис.1. Схема ГТУ с одновальным ГТД простого цикла В компрессор (1) газотурбинного силового агрегата подается чистый воздух. Под высоким давлением воздух из компрессора направляется в камеру сгорания (2), куда подается и основное топливо газ. Смесь воспламеняется. При сгорании газовоздушной смеси образуется энергия в виде потока раскаленных газов. Этот поток с высокой скоростью устремляется на рабочее колесо турбины (3) и вращает его. Вращательная кинетическая энергия через вал турбины приводит в действие компрессор и электрический генератор (4). С клемм электрогенератора произведенное электричество, обычно через трансформатор, направляется в электросеть, к потребителям энергии.

Газовые турбины описываются термодинамическим циклом Брайтона Цикл Брайтона/Джоуля термодинамический цикл, описывающий рабочие процессы газотурбинного, турбореактивного и прямоточного воздушно-реактивного двигателей внутреннего сгорания, а также газотурбинных двигателей внешнего сгорания с замкнутым контуром газообразного (однофазного) рабочего тела. Рис.2. P,V диаграмма цикла Брайтона Идеальный цикл Брайтона состоит из процессов: 12 Изоэнтропическое сжатие. 23 Изобарический подвод теплоты. 34 Изоэнтропическое расширение. 41 Изобарический отвод теплоты.

С учётом отличий реальных адиабатических процессов расширения и сжатия от изоэнтропических, строится реальный цикл Брайтона (12p34p1 на T-S диаграмме)(рис.3) Рис.3. T-S диаграмма цикла Брайтона Идеального (12341) Реального (12p34p1) Термический КПД идеального цикла Брайтона принято выражать формулой: где П = p2 / p1 степень повышения давления в процессе изоэнтропийного сжатия (12); k показатель адиабаты (для воздуха равный 1,4)

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, не учитывая топливную систему. Рис.4. Эта машина имеет одноступенчатый радиальный компрессор, турбину, рекуператор, и воздушные подшипники.

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 об/мин и микро-турбина с частотой около об/мин.

Устройство ГТУ. Основные элементы газотурбинных установок Газотурбинная установка состоит из трех основных элементов: газовой турбины, камер сгорания и воздушного компрессора. На рис. 1-а показана газотурбинная установка, компрессор 1, камеры сгорания 2 и газовая турбина 3 которой расположены в едином сборном корпусе. Роторы 6 и 5 компрессора и турбины жестко соединены друг с другом и опираются на три подшипника. Четырнадцать камер сгорания располагаются вокруг компрессора каждая в своем корпусе. Воздух поступает в компрессор через входной патрубок и уходит из газовой турбины через выхлопной патрубок. Корпус газотурбинной установки опирается на четыре опоры 4 и 8, которые расположены на единой раме 7.

Б)-Тепловая схема Тепловая схема такой газотурбинной установки показана на рис. 1-б. В камеры сгорания топливным насосом подаются топливо и сжатый воздух после компрессора. Топливо перемешивается с воздухом, который служит окислителем, поджигается и сгорает. Чистые продукты сгорания также смешиваются с воздухом, чтобы температура газа, получившегося после смешения, не превышала заданного значения. Из камер сгорания газ поступает в газовую турбину, которая предназначена для преобразования его потенциальной энергии в механическую работу. Совершая работу, газ остывает и давление его уменьшается до атмосферного. Из газовой турбины газ выбрасывается в окружающую среду. Из атмосферы в компрессор поступает чистый воздух. В компрессоре его давление увеличивается и температура растет. На привод компрессора приходится отбирать значительную часть мощности турбины. Газотурбинные установки, работающие по такой схеме, называют установками открытого цикла. Большинство современных ГТУ работает по этой схеме.

Кроме того, применяются замкнутые ГТУ (рис. 2). В замкнутых ГТУ также имеются компрессор 1 и турбина 2. Вместо камеры сгорания используется источник теплоты 4, в котором теплота передается рабочему телу без перемешивания с топливом. В качестве рабочего тела может применяться воздух, углекислый газ, пары ртути или другие газы. Рис. 2. Схема замкнутой ГТУ: 1 - компрессор, 2 - турбина, 3 - электрический генератор, 4 - источник теплоты, 5 - регенератор, 6 – охладитель Рабочее тело, давление которого повышено в компрессоре, в источнике теплоты 4 нагревается и поступает в турбину 2, в которой отдает свою энергию. После турбины газ поступает в промежуточный теплообменник 5 (регенератор), в котором он подогревает воздух, а затем охлаждается в охладителе 6, поступает в компрессор 1, и цикл повторяется. В качестве источника теплоты могут использоваться специальные котлы для нагрева рабочего тела энергией сжигаемого топлива или атомные реакторы.

Устройство современной стационарной высокотемпературной ГТУ Традиционная современная газотурбинная установка (ГТУ) это совокупность воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины, а также вспомогательных систем, обеспечивающих ее работу. Совокупность ГТУ и электрического генератора называют газотурбинным агрегатом. Необходимо подчеркнуть одно важное отличие ГТУ от ПТУ. В состав ПТУ не входит котел, точнее котел рассматривается как отдельный источник тепла; при таком рассмотрении котел это «черный ящик»: в него входит питательная вода с температурой tп.в, а выходит пар с параметрами р 0, t0. Паротурбинная установка без котла как физического объекта работать не может. В ГТУ камера сгорания это ее неотъемлемый элемент. В этом смысле ГТУ самодостаточна. Газотурбинные установки отличаются чрезвычайно большим разнообразием, пожалуй, даже большим, чем паротурбинные. Ниже рассмотрим наиболее перспективные и наиболее используемые в энергетике ГТУ простого цикла.

Принципиальная схема такой ГТУ показана на рис.1. Воздух из атмосферы поступает на вход воздушного компрессора, который представляет собой роторную турбомашину с проточной частью, состоящей из вращающихся и неподвижных решеток. Отношение давления за компрессором рb к давлению перед ним ра называется степенью сжатия воздушного компрессора. Ротор компрессора приводится газовой турбиной. Поток сжатого воздуха подается в одну, две (как на рис.1) или более камер сгорания. При этом в большинстве случаев поток воздуха, идущий из компрессора, разделяется на два потока. Первый поток направляется к горелочным устройствам, куда также подается топливо (газ или жидкое топливо). При сжигании топлива образуются продукты сгорания топлива высокой температуры. К ним подмешивается относительно холодный воздух второго потока с тем, чтобы получить газы (их обычно называют рабочими газами) с допустимой для деталей газовой турбины температурой. Рабочие газы с давлением рс (рс

Для изображения схем ГТУ применяют условные обозначения, подобные тем, которые используют для ПТУ (рис.2). Из рассмотрения рис.1 и 2 становится ясным, почему описанная ГТУ называется ГТУ простого термодинамического цикла. Более простой ГТУ быть не может, так как она содержит минимум необходимых компонентов, обеспечивающих последовательные процессы сжатия, нагрева и расширения рабочего тела: один компрессор, одну или несколько камер сгорания, работающих в одинаковых условиях, и одну газовую турбину. Наряду с ГТУ простого цикла, существуют ГТУ сложного цикла, которые могут содержать несколько компрессоров, турбин и камер сгорания.

Газовая турбина Газовая турбина является наиболее сложным элементом ГТУ, что обусловлено в первую очередь очень высокой температурой рабочих газов, протекающих через ее проточную часть: температура газов перед турбиной 1350°С в настоящее время считается «стандартной», и ведущие фирмы, в первую очередь General Electric, работают над освоением начальной температуры 1500°С. Напомним, что «стандартная» начальная температура для паровых турбин составляет 540°С, а в перспективе температура °С. Стремление повысить начальную температуру связано, прежде всего, с выигрышем в экономичности, который она дает. Для обеспечения длительной работы газовой турбины используют сочетание двух средств. Первое средство применение для наиболее нагруженных деталей жаропрочных материалов, способных сопротивляться действию высоких механических нагрузок и температур (в первую очередь для сопловых и рабочих лопаток). Если для лопаток паровых турбин и некоторых других элементов применяются стали (т.е. сплавы на основе железа) с содержанием хрома 1213%, то для лопаток газовых турбин используют сплавы на никелевой основе (нимоники), которые способны при реально действующих механических нагрузках и необходимом сроке службы выдержать температуру °С. Поэтому вместе с первым используют второе средство охлаждение наиболее горячих деталей.

Система охлаждения газовой турбины Для охлаждения большинства современных ГТУ используется воздух, отбираемый из различных ступеней воздушного компрессора. Уже работают ГТУ, в которых для охлаждения используется водяной пар, который является лучшим охлаждающим агентом, чем воздух. Охлаждающий воздух после нагрева в охлаждаемой детали сбрасывается в проточную часть газовой турбины. Такая система охлаждения называется открытой. Существуют замкнутые системы охлаждения, в которых нагретый в детали охлаждающий агент направляется в холодильник и затем снова возвращается для охлаждения детали. Такая система не только весьма сложна, но и требует утилизации тепла, отбираемого в холодильнике. Система охлаждения газовой турбины самая сложная система в ГТУ, определяющая ее срок службы. Она обеспечивает не только поддержание допустимого уровня рабочих и сопловых лопаток, но и корпусных элементов, дисков, несущих рабочие лопатки, запирание уплотнений подшипников, где циркулирует масло и т.д. Эта система чрезвычайно сильно разветвлена и организуется так, чтобы каждый охлаждаемый элемент получал охлаждающий воздух тех параметров и в том количестве, который необходим для поддержания его оптимальной температуры. Излишнее охлаждение деталей так же вредно, как и недостаточное, так как оно приводит к повышенным затратам охлаждающего воздуха, на сжатие которого в компрессоре затрачивается мощность турбины. Кроме того, повышенные расходы воздуха на охлаждение приводят к снижению температуры газов за турбиной, что очень существенно влияет на работу оборудования, установленного за ГТУ (например, паротурбинной установки, работающей в составе ПТУ). Наконец, система охлаждения должна обеспечивать не только необходимый уровень температур деталей, но и равномерность их прогрева, исключающую появление опасных температурных напряжений, циклическое действие которых приводит к появлению трещин.

На рис.17 показан пример схемы охлаждения типичной газовой турбины. В прямоугольных рамках приведены значения температур газов. Перед сопловым аппаратом 1-й ступени 1 она достигает 1350°С. За ним, т.е. перед рабочей решеткой 1-й ступени она составляет 1130°С. Даже перед рабочей лопаткой последней ступени она находится на уровне 600°С. Газы этой температуры омывают сопловые и рабочие лопатки, и если бы они не охлаждались, то их температура равнялась бы температуре газов и срок их службы ограничивался бы несколькими часами.

Газовая турбина обычно имеет 34 ступени, т.е. 68 венцов решеток, и чаще всего охлаждаются лопатки всех венцов, кроме рабочих лопаток последней ступени. Воздух для охлаждения сопловых лопаток подводится внутрь через их торцы и сбрасываются через многочисленные (отверстий диаметром 0,50,6 мм) отверстия, расположенные в соответствующих зонах профиля (рис.18). К рабочим лопаткам охлаждающий воздух подводится через отверстия, выполненные в торцах хвостовиков.

Топливо для газотурбинной установки Газотурбинная установка может работать как на газообразном, так и на жидком топливе. Так, в газотурбинных агрегатах может использоваться: Дизельное топливо Керосин Природный газ Попутный нефтяной газ Биогаз (образованный из отходов сточных вод, мусорных свалок и т.п.) Шахтный газ Коксовый газ Древесный газ и др. Большинство газотурбинных установок могут работать на низкокалорийных топливах с минимальной концентрацией метана (до 30%).

Преимущества газотурбинных электростанций: Минимальный ущерб для окружающей среды: низкий расход масла, возможность работы на отходах производства; выбросы вредных веществ: в пределах 25 мг/кг. Низкий уровень шума и вибраций. Этот показатель не превышает д Ба. Компактные размеры и небольшой вес дают возможность разместить газотурбинную установку на небольшой площади, что позволяет существенно сэкономить средства. Возможны варианты крышного размещения газотурбинных установок небольшой мощности. Возможность работы на различных видах газа позволяет использовать газотурбинный агрегат в любом производстве на самом экономически выгодном виде топлива. Эксплуатация газотурбинных электростанций как в автономном режиме, так и параллельно с сетью. Возможность работы газотурбинной электростанции в течение длительного времени при очень низких нагрузках, в том числе в режиме холостого хода. Максимально допустимая перегрузка: 150% номинального тока в течение 1 минуты, 110% номинального тока в течение 2 часов. Способность системы генератора и возбудителя выдерживать не менее 300% номинального непрерывного тока генератора в течение 10 секунд в случае трехфазного симметричного короткого замыкания на клеммах генератора,тем самым, обеспечивая достаточное время для срабатывания селективных выключателей.

Парогазовые установки (установки комбинированного типа) значительно превосходят все другие по величине КПД благодаря тому, что в них тепловая энергия при преобразовании в электрическую проходит два цикла: сжигание газа и использование пара при охлаждении отработавших в первом контуре продуктов. Парогазовые установки позволяют достичь электрического КПД более 50%. Для сравнения, у работающих отдельно паросиловых установок КПД обычно находится в пределах 33-45%, для газотурбинных установок в диапазоне %. Кроме этого, они соответствуют экологическим требованиям благодаря значительно более низкому уровню выбросов в атмосферу. Парогазовые установки потребляют существенно меньше воды на единицу вырабатываемой электроэнергии по сравнению с паросиловыми установками. Это сокращает стоимость производства: система водного охлаждения более компактна, объем используемой воды меньше.

В поисках путей улучшения экономики газовых турбин ученые и конструкторы разработали оригинальную систему комбинированных установок. Эти установки, которые называются парогазовыми, состоят из сочетания паровой и газовой турбины. Совместное использование парового и газового цикла снижает удельный расход тепла на 4-7% по сравнению с паротурбинной установкой аналогичной мощности и параметров при одновременном уменьшении на 10-12% капиталовложений. Большой опыт строительства ПГУ в зарубежной энергетике показал, что их можно сооружать за короткие сроки На Невинномысской тепловой электростанции в 1972 году впервые в СССР была введена в действие парогазовая установка. Здесь впервые применена комбинированная схема из высоконапорного парогенератора ВПГ, работающего с давлением в топке 650 кн/м 2 (6,5 кгс/см 2), газотурбинной установки мощностью 43 МВт и паротурбинной установки мощностью 160 МВт.

Принцип действия и устройство Парогазовая установка состоит из двух отдельных установок: паросиловой и газотурбинной. В газотурбинной установке турбину вращают газообразные продукты сгорания топлива. Топливом может служить как природный газ, так и продукты нефтяной промышленности (мазут, солярка). На одном валу с турбиной находится первый генератор, который за счет вращения ротора вырабатывает электрический ток. Проходя через газовую турбину, продукты сгорания отдают ей лишь часть своей энергии и на выходе из газотурбины все ещё имеют высокую температуру. С выхода из газотурбины продукты сгорания попадают в паросиловую установку, в котел-утилизатор, где нагревают воду и образующийся водяной пар. Температура продуктов сгорания достаточна для того, чтобы довести пар до состояния, необходимого для использования в паровой турбине (температура дымовых газов около 500 градусов по Цельсию позволяет получать перегретый пар при давлении около 100 атмосфер). Паровая турбина приводит в действие второй электрогенератор. Существуют парогазовые установки, у которых паровая и газовая турбины находятся на одном валу, в этом случае устанавливается только один генератор. Иногда парогазовые установки создают на базе существующих старых паросиловых установок. В этом случае уходящие газы из новой газовой турбины сбрасываются в существующий паровой котел, который соответствующим образом модернизируется. КПД таких установок, как правило, ниже, чем у новых парогазовых установок, спроектированных и построенных «с нуля».

Наиболее перспективны следующие схемы парогазовых установок: с низконапорным и высоконапорным котлами (НПГУ и ВПГУ), а также с подогревом питательной воды выхлопными газами. Рис.1. Схема парогазовой установки с низконапорным котлом: 1 - генератор ГТУ, 2 - компрессор, 3 - камера сгорания, 4,7 - газовая и паровая турбины, 5 - топливоподача, 6 - котел, 8 - генератор паровой турбины, 9 - конденсатор, 10,11 - конденсатный и питательный насосы Схема парогазовой установки с низконапорным котлом показана на рис.1. Паротурбинная установка почти не отличается от обычной. Газы из турбины ГТУ поступают в топку котла ПТУ, куда одновременно подается, топливо для их подогрева. Так как в этом случае в топку котла подаются газы повышенной температуры, расход топлива для их подогрева уменьшается, что увеличивает кпд всей установки. Обычно мощность ГТУ парогазовой установки составляет 12-15% от мощности паровой турбины. Удельный расход теплоты НПГУ по сравнению с ПТУ меньше на 3-5%.

Рис.2. Схема парогазовой установки с высоконапорным котлом: 1,4 газовая и паровая турбины, 2 топливоподача, 3 котел, 5,8 генераторы паровой турбины и ГТУ, 6 конденсатор, 7 экономайзер, 9 компрессор Схема парогазовой установки с высоконапорным котлом показана на рис.2. Компрессор 9 подает в топку воздух под давлением 0,40,6 МПа. Температура газов, поступающих из топки в газовую турбину, равна 750°С. Из турбины газы поступают в экономайзер. За экономайзером их температура на °С ниже, чем после отдельной ГТУ. Средняя температура газов в котле повышается из-за наличия ГТУ в схеме паротурбинной установки (по сравнению с отдельной ПТУ). В результате кпд парогазовой установки по сравнению с отдельными ПТУ и ГТУ увеличивается; при этом на 58% снижается удельный расход топлива. Вследствие увеличения давления в котле его размеры уменьшаются и снижаются затраты на сооружение станции. Одним из недостатков ПГУ является некоторое снижение надежности станции из-за усложнения тепловой схемы. Кроме того, в ПГУ с высоконапорным котлом можно применять только жидкое или газообразное топливо, так как при работе на твердых топливах негорючие частицы, содержащиеся в продуктах сгорания, вызывают эрозию лопаток газовой турбины.

\ Рис.3. Схема замкнутой ГТУ: 1 аккумулятор, 2 регулятор, 3 регенератор, 4 атомный реактор, 5 турбина, 6,8,12 компрессоры низкого и высокого давления и подкачивающий, 7 промежуточный охладитель, 9,11 генераторы, 10 охладителье На атомных электростанциях (АЭС) применяют замкнутые ГТУ (рис.3). Рабочее тело сжимается в компрессоре низкого давления 6, охлаждается в промежуточном охладителе 7, сжимается в компрессоре высокого давления 8, а затем поступает в регенератор 3 и атомный реактор 4. Нагретое в атомном реакторе рабочее тело поступает в турбину 5, оттуда в регенератор 3, а затем в водяной охладитель 10. Утечки восполняются подкачивающим компрессором 12, нагнетающим рабочее тело в аккумулятор 1. Через управляемый регулятор 2 рабочее тело при необходимости может подаваться в тракт ГТУ. Турбина и компрессор замкнутой ГТУ имеют небольшие размеры, так как давление в тракте ГТУ может быть значительно выше атмосферного. Однако в результате появления дополнительных агрегатов (промежуточного охладителя) замкнутые ГТУ больше по массе и размерам, чем ГТУ открытого цикла. Достоинством замкнутых ГТУ является небольшое изменение экономичности при изменении мощности, а также отсутствие эрозии или отложений пыли в проточной части. Замкнутые ГТУ потребляют много воды для охлаждения рабочего тела в охладителе 10. Предполагается использовать замкнутые ГТУ на АЭС с реакторами на быстрых нейтронах, в которых гелий служит в качестве рабочего тела.

Преимущества ПГУ: Парогазовые установки позволяют достичь электрического КПД более 60 %. Для сравнения, у работающих отдельно паросиловых установок КПД обычно находится в пределах %, для газотурбинных установок в диапазоне % Низкая стоимость единицы установленной мощности Парогазовые установки потребляют существенно меньше воды на единицу выра батываемой электроэнергии по сравнению с паросиловыми установками Короткие сроки возведения (9-12 мес.) Нет необходимости в постоянном подвозе топлива ж/д или морским транспорто м Компактные размеры позволяют возводить непосредственно у потребителя (зав ода или внутри города), что сокращает затраты на ЛЭП и транспортировку эл. энергии Более экологически чистые в сравнении с паротурбинными установками Недостатки ПГУ: Низкая единичная мощность оборудования (,1МВт на 1 блок), в то время как современные ТЭС имеют мощность блока до 1200 МВт, а АЭС МВт. Необходимость осуществлять фильтрацию воздуха, используемого для сжигани я топлива.
Тригенерация - это одновременное производство трех видов энергии: электричества, тепла и холода. Данный подход особенно эффективен для регионов с частыми и значительными температурными перепадами. Тригенераторы отлично зарекомендовали себя и все больше компаний, ставящих своей целью максимальную экономию энергии, рассматривают вариант установки оборудования такого типа.

Области применения тригенерационных установок Тригенерационные установки находят широкое применение. В пищевой промышленности, существует потребность в холодной воде с температурой 8-14°С, используемой в технологических процессах. Пивоварни используют холодную воду для охлаждения и хранения готового продукта, на животноводческих фермах такая вода используется для охлаждения молочных продуктов. Производители замороженной продукции работают с температурами от –18 °C до –30 °С круглогодично. Холод используется в различных системах кондиционирования производственных помещений, банков, гостиниц, торговых центров, больниц, стадионов, ледовых дворцов, концертных залов и жилых площадей. Практическая реализация систем тригенерации выполняется достаточно несложно и не требует очень больших капитальных вложений, экономия же от нее дает впечатляющие результаты - установка быстро окупается. Это позволяет считать тригенерацию одним из наиболее простых способов экономии без нарушения налаженных производственных процессов при одновременном решении экологических проблем. Источником утилизируемого тепла могут явиться дизельные, газопоршневые, и газотурбинные электростанции, в которых могут быть использованы как традиционное (газообразное или жидкое), так и возобновляемое (биогаз) топливо.

Принцип работы тригенерации Тригенерация процесс, в котором часть тепловой энергии, вырабатываемой при работе ДВС, используется для охлаждения воды, кондиционирования воздуха или рефрижерации. Технологически схема тригенерации представляет собой соединение когенерационной установки с абсорбционной холодильной машиной. Абсорбционная холодильная машина (также абсорбционная бромистолитиевая холодильная машина, абсорбционный чиллер или АБХМ) промышленная холодильная установка, предназначена для отбора и удаления избыточного тепла и поддержания заданного оптимального температурного и теплового режимов при работе различного рода производственного оборудования, технологических устройств, инструмента, оснастки, а также технологических процессов, связанных с повышенными тепловыми нагрузками. В качестве абсорбента в них используются различные растворы, например, бромида лития (LiBr) в воде.

АБХМ – экономическая и экологическая альтернатива стандартному кондиционированию. Нагрев АБХМ происходит горячей водой или паром и может проходить в одну или две ступени. При одноступенчатой схеме с 1 МВт электрической энергии снимается 600 к Вт холода, при двухступенчатой 1200 к Вт холода. Холодильный коэффициент (ХК) работы (отношение холодопроизводительности к потребляемой мощности) одноступенчатых машин, двухступенчатых машин Возможность производить тепловую энергию в отопительный сезон, а холод в летний период делает эксплуатацию тринерационной установки привлекательной с экономической точки зрения. Действительно, подобного рода схема обеспечивает полную загрузку установки без провалов в потреблении тепловой энергии вне отопительного сезона.

Использование процесса тригенерации более эффективно в летний период, т.к. излишки тепла от работы газопоршневой установки можно направить на получение охлажденной воды, а её, в свою очередь, пустить на технологические нужды или использовать в системе кондиционирования здания. В зимнее время года, когда пропадает потребность в холодной воде, абсорбционная установка может быть отключена. В этом случае, всё вырабатываемое газопоршневой установкой тепло используется в системе отопления. В основах тригенерации заложен принцип использования вырабатываемой тепловой энергии, что значительно удешевляет себестоимость выработки холода.

Тригенерация и преимущества ее использования. - экономичность (для выработки холода используются излишки тепла); - минимальный износ (простая конструкция чиллера); - малошумность (абсорбционная установка работает бесшумно); - экологичность (вода используется в качестве хладагента); - высокий КПД (коэффициент полезного действия достигает 92%)

Тригенерация и экология В системах тригенерации на базе АБХМ практически нет выбросов парниковых газов, отсутствуют вредные химические загрязнения, т. к. в качестве хладагента используется вода. Важно отметить, что использование тригенерации одна из лучших технологий, доступных для сокращения выбросов парниковых газов и других загрязнений окружающей среды.

Пока мы говорили только о самой газовой турбине, не

* * задавая вопроса, откуда берется газ, приводящий ее в действие.

В паровую турбину рабочий пар поступает из паро­вого котла. Какие же устройства необходимы для того, чтобы питать рабочим газом газовую турбину?

Для работы газовой турбины необходим газ, имеющий большой запас энергии. Энергия газа - его способность совершать при определенных условиях механическую ра­боту- зависит от давления и температуры. Чем сильнее сжат газ и чем выше его температура, тем большую ме­ханическую работу способен он совершить при своем рас­ширении. Значит, для работы турбин необходим сжатый и нагретый газ. Отсюда понятно, какие устройства должны входить в газотурбинную установку (или газо­турбинный двигатель). Это, во-первых, устройство для сжатия воздуха, во-вторых, устройство для его подогрева

И, в-третьих, сама газовая турбина, преобразующая вну­треннюю энергию сжатого и нагретого газа в механиче­скую работу.

Сжатие воздуха - сложная задача. Осуществить ее значительно труднее, чем подать в камеру сгорания жидкое горючее. Например, чтобы подавать в камеру сго­рания с давлением 10 атмосфер один килограмм керосина в секунду, необходимо расходовать около 2 лошадиных сил, а для сжатия до 10 атмосфер одного килограмма воздуха в секунду необходимо примерно 400 лошадиных сил. А в газотурбинных установках на один килограмм керосина приходится примерно 60 килограммов воздуха.

Значит, на подачу воздуха в камеру сгорания с давле­нием 10 атмосфер надо затрачивать в 12 тысяч раз боль­шую мощность, чем на подачу жидкого горючего.

Для сжатия воздуха применяются специальные ма­шины, называемые нагнетателями или компрессорами. Они получают необходимую для их работы механическую энергию от самой газовой турбины. Компрессор и тур-

Бежного компрессора.

Компрессора.

Бина крепятся на одном валу, и турбина во время работы отдает часть своей мощности воздушному компрессору.

В газотурбинных установках используются компрес­соры двух типов: центробежные и осевые.

В центробежном компрессоре (рис. 6), как показывает его название, для сжатия воздуха используется действие центробежной силы. Такой компрессор состоит из вход­ного патрубка, по которому внешний воздух входит в компрессор; диска с рабочими лопатками, называемого часто крыльчаткой (рис. 7); так называемого диффузора, в который поступает выходящий из крыльчатки воздух, и выходных патрубков, отводящих сжатый воздух к месту назначения, например к камере сгорания газотурбинной установки.

Воздух, входящий в центробежный компрессор, под­хватывается лопатками быстровращающейся крыль­чатки и под действием центробежной силы отбрасывается от центра к окружности. Двигаясь по каналам между лопатками и вращаясь вместе с диском, он сжимается центробежными силами. Чем быстрее вращение крыль­чатки, тем больше сжатие воздуха. В современных ком­прессорах окружная скорость крыльчатки достигает 500 метров в секунду. При этом давление воздуха на выходе из крыльчатки составляет примерно 2,5 атмо­сферы. Помимо повышенного давления, воздух, проходя между лопатками, приобретает большую скорость, близ­кую по величине к окружной скорости крыльчатки. За­тем воздух пропускают через диффузор - постепенно расширяющийся канал. При движении по такому каналу скорость воздуха уменьшается, а давление растет. На выходе из диффузора воздух обычно имеет давление по­рядка 5 атмосфер.

Центробежные компрессоры просты по конструкции. Они имеют малый вес, могут сравнительно эффективно работать при различных числах оборотов вала и расходах воздуха. Эти качества обеспечили им широкое примене­ние в технике. Однако у центробежных компрессоров не­достаточно высок коэффициент полезного действия - всего 70-75%. Поэтому в газотурбинных установках, где на сжатие воздуха затрачивается очень много энергии, чаще применяются компрессоры осевого типа. Их коэф­фициент полезного действия выше, он достигает 85-90 %. Но по своему устройству осевой компрессор сложнее центробежного и имеет больший вес.

Осевой компрессор состоит из нескольких рабочих ко­лес, жестко укрепленных на валу и помещенных в канал, по которому движется воздух. Каждое рабочее колесо представляет собой диск с лопатками на ободе. При бы­стром вращении рабочего колеса лопатки сжимают про­ходящий по каналу воздух и увеличивают его скорость.

За каждым рабочим колесом помещается один ряд не­подвижных лопаток - направляющий аппарат, который еще более повышает давление воздуха и сообщает струе требуемое направление.

Рабочее колесо с расположенным за ним рядом не­подвижных лопаток направляющего аппарата называется ступенью компрессора. Одна ступень осевого компрес­сора увеличивает давление воздуха примерно в 1,3 раза. Чтобы получить большее давление, применяют осевые компрессоры с несколькими ступенями. Для получения высоких давлений используются осевые компрессоры с

Рис. 8. Ротор пятнадцахиступенчатого осевого компрессора.

14, 16 и большим числом ступеней. В многоступенчатых осевых компрессорах рабочие лопатки иногда крепятся не на отдельных дисках, а на общем пустотелом валу, так называемом барабане. Вращающуюся часть компрес­сора (барабан с рядами лопаток или рабочие колеса, укрепленные на валу) называют ротором (рис. 8), а не­подвижные направляющие лопатки, укрепленные на ко­жухе компрессора,- его статором.

Свое название осевой компрессор получил потому, что воздух движется вдоль его оси, в отличие от центробеж­ного компрессора, в котором воздух перемещается в ра­диальном направлении.

Воздух, сжатый в компрессоре до высокого давления, подается в камеру сгорания. Здесь в поток воздуха впры­скивается через распылители-форсунки жидкое топливо, которое воспламеняется таким же путем, как это де­лается в двигателях внутреннего сгорания,- с помощью электросвечи. Электросвеча работает только в период запуска двигателя. Далее горение происходит непре­рывно. При этом выделяется большое количество тепла. При сгорании одного килограмма керосина выделяется 10 500 калорий тепла.

Чем больше тепла выделится при сгорании топлива, тем выше будет температура газов в конце камеры сгора­ния. Если на 15 килограммов воздуха подать 1 килограмм керосина, то температура газов достигнет примерно 2500° С. При столь высокой температуре газов работа газотурбинной установки была бы весьма эффективной. Однако материал лопаток соплового аппарата и рабочих лопаток турбины не может выдержать такого нагрева. Лучшие современные жаропрочные сплавы, применяемые в авиационных газотурбинных двигателях, позволяют ра­ботать при температуре газов порядка 900° С. В турбинах, работающих на электростанциях, где требуется более длительный срок службы и используются менее дорогие сплавы, допустимая температура газов еще ниже. По­этому в камерах сгорания газотурбинных установок на

1 килограмм керосина или нефти подается 50-80 кило­граммов воздуха. При таком соотношении в конце ка­меры сгорания устанавливается температура газов, допу­скаемая прочностью лопаток.

Проектирование камеры сгорания для газотурбинных установок представляет собой сложную научно-техниче­скую задачу. К камере сгорания предъявляется ряд стро­гих требований, от выполнения которых зависит работо­способность всей установки. Вот важнейшие из этих тре­бований. Во-первых, необходимо обеспечить полное сго­рание топлива. Если топливо не успеет полностью сго­реть в камере сгорания, то часть его энергии будет напрасно потеряна. Экономичность газотурбинной уста­новки понизится. Более того, топливо, не успевшее сгореть в камере сгорания, станет догорать между лопат­ками турбины, что приведет к прогоранию и поломке лопаток, то есть к аварии. Нельзя допускать также, чтобы поступающий в турбину газ вместо одинаковой температуры по всему поперечному сечению имел в одном месте, например, 600° С, а в другом - 1200°. Нужно поэто­му обеспечить хорошее смешение газов перед выходом из камеры, исключить возможность проникновения в турбину отдельных «факелов» газа с повышенной температурой. Наконец, необходимо хорошо охлаждать стенки камеры сгорания, чтобы защитить их от прогорания.

Для решения всех этих задач воздушный поток в ка­мерах сгорания газотурбинных двигателей делят на две части (рис. 9). Меньшая часть потока направляется во внутреннюю часть камеры - в так называемую жаровую трубу. Там топливо сгорает при высокой температуре (высокая температура позволяет достигнуть достаточно

Полного сгорания). Остальная часть воздуха не участвует в горении. Она омывает с внешней стороны жаровую трубу и охлаждает ее. Затем происходит смешивание холодного воздуха с горячими газами. Для лучшего перемешивания в стенках трубы делается большое число мелких отверстий, через которые охлаждающий воздух небольшими порциями вводится внутрь и смешивается с горячими газами. Благодаря такой подаче охлаждаю­щего воздуха температура газа около стенок оказывается ниже, чем в центре жаровой трубы. Это также способ­ствует ее защите от прогорания.

Камера сгорания газотурбинной установки обычно располагается между компрессором и турбиной. При та­ком расположении поток газов идет прямо от входа уста­новки к ее выходу. Но в центре установки проходит вал, соединяющий турбину с компрессором. Этот вал не дол­жен сильно нагреваться, иначе его прочность понизится. Поэтому камеру сгорания делают кольцевой или одну

Общую камеру заменяют 6-10 отдельными камерами, расположенными по окружности вокруг вала.

Вы познакомились с тремя основными частями газо­турбинной установки: воздушным компрессором, камерой сгорания и газовой турбиной. На рис. 10 показана схема газотурбинного двигателя. Вот как он работает.

Компрессор засасывает воздух из атмосферы и сжи­мает его. Сжатый воздух поступает в камеру сгорания, где благодаря сжиганию топлива его температура возра­стает на несколько сот градусов. Давление же газа

Остается примерно постоянным. Поэтому двигатели такого типа называют газотурбинными двигателями с постоян­ным давлением сгорания. Из камеры сгорания газ с вы­соким давлением и температурой, а следовательно, с большим запасом энергии идет в турбину. Там происхо­дит процесс перехода энергии сжатого и нагретого газа в полезную работу.

Газ совершает в турбине работу в процессе расшире­ния, то есть когда снижается его давление. В большин­стве газотурбинных установок давление газа снижается до атмосферного. Значит, в турбине происходит процесс, обратный тому, который идет в компрессоре.

Если бы температура воздуха на выходе из компрес­сора и при входе в турбину была одинакова, то при рас­ширении воздуха в турбине он совершал бы такую же работу, какая была затрачена на его сжатие в компрес­соре - при том условии, что не было бы никаких потерь энергии на трение воздуха и на его завихрение. А с уче­том этих потерь воздух совершал бы в турбине работу меньшую, чем работа, требуемая для вращения компрес­сора. Ясно, что от такой установки не было бы никакой пользы. Но в компрессоре сжимается холодный воздух, а в турбину поступает сильно нагретый газ. Поэтому работа расширения газа оказывается в 1,5-2 ра­за больше, чем требуется для компрессора. Например, если газовая турбина развивает мощность в 10 ООО лошадиных сил, то на вращение соединенного с ней ком­прессора надо затрачивать примерно 6000 лошадиных

Сил. Оставшаяся свободная мощность в 4000 лошадиных сил может быть использована для вращения электрогене­ратора, судового винта, воздушного винта самолета или каких-либо иных механизмов.

Для работы газотурбинного двигателя необходим ряд вспомогательных агрегатов: топливные насосы, автома­тические приборы, регулирующие его работу, система смазки и охлаждения, система управления и др.

Чтобы запустить газотурбинный двигатель, надо рас­крутить его ротор (рис. 11) до нескольких сот оборотов в минуту. Для этой цели служит небольшой вспомога­тельный двигатель, называемый стартером. У больших газотурбинных двигателей стартером часто служат ма­ленькие газотурбинные двигатели мощностью порядка 100 лошадиных сил, а иногда и более. Эти стартеры в свою очередь раскручиваются небольшими электромото­рами, получающими питание от аккумулятора.

ЖДысль о возможности использовать поток горячих га - *** зов для получения механической работы зароди­лась очень давно. Еще 450 лет назад великий итальян­ский ученый Леонардо да Винчи дал описание колеса с лопастями, установленного в дымоходе над очагом. Под действием газового потока такое колесо могло вра­щаться и приводить в действие вертел. Колесо Леонардо да Винчи можно считать прообразом газовой турбины.

В 1791 году англичанин Джон Барбер взял патент на газотурбинную установку. По рисунку, приложенному к патенту, можно было представить, что установка, по мысли автора, должна была работать на горючем газе, получаемом перегонкой твердого или жидкого топлива. Газ с помощью примитивного компрессора нагнетался в резервуар. Из него он поступал в камеру сгорания, где смешивался с воздухом, подаваемым вторым компрессо­ром, и воспламенялся. Продукты сгорания поступали из камеры на колесо турбины. Однако при существовавшем тогда уровне развития техники осуществить газовую тур­бину не представлялось возможным. Первая газовая тур­бина была создана лишь в самом конце XIX века рус­ским изобретателем П. Д. Кузьминским, который, как мы уже говорили, построил и первую паровую турбину для морских судов.

Газотурбинный двигатель, построенный в 1897 году по проекту П. Д. Кузьминского, состоял из воздушного компрессора, камеры сгорания и радиальной турбины (рис. 12). 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. К сожалению, работа Кузьминского не встре­тила никакой поддержки со стороны царского правитель­ства.

Спустя 7 лет, в 1904 году, за границей была по­строена газовая турбина по проекту немецкого инженера Штольца, но практического применения она не получила, так как имела много недостатков.

В 1906 году французские инженеры Арманго и Ле- маль построили газовую турбину мощностью в 25 лоша­диных сил, а затем другую - мощностью уже в 400 ло­шадиных сил. Коэффициент полезного действия этой установки составлял всего 3%.

Испытания первых газотурбинных установок показали, что для повышения их эффективности необходимо до­биться значительного увеличения коэффициента полез­ного действия компрессора и турбины, а также поднять

Температуру газов в камере сгорания. Это побудило мно­гих изобретателей искать другие конструкции газовых турбин. Возникло желание избавиться от компрессора, чтобы избежать больших потерь энергии при сжатии воз­духа. Но турбина может работать лишь тогда, когда давление газов в камере сгорания выше, чем за турби­ной. Иначе газ не потечет из камеры в турбину и не при­ведет в действие ее рабочее колесо. При непрерывном процессе горения в камере неизбежно применение ком­прессора, подающего сжатый воздух. Однако, если сде­лать процесс горения прерывистым, то можно отказаться

От компрессора или использовать компрессор, дающий не­большое сждтие воздуха и соответственно с этим потреб­ляющий меньшую мощность. В такую пульсирующую ка­меру воздух подается в то время, когда в ней нет горения и давление очень низкое. После входа воздуха и впрыска горючего входное отверстие камеры закрывается, проис­ходит вспышка. Так как камера закрыта и газы расши­риться не могут, то давление в ней резко возрастает. После то­го как газы вытекут из камеры в турбину, впускной клапан от­крывается и в камеру входит новая порция воздуха. Так, осуще­ствляя процесс горе­ния при постоянном объеме газов, то есть в замкнутой камере, можно повысить их давление без помощи компрессора.

В 1908 году рус­ский инженер В. В.

Кароводин создал опытную модель та­кой газовой турбины (рис. 13). Закрытие камеры в период го­рения топлива осу­ществлялось в ней с помощью специального клапана. Тур­бина имела четыре камеры сгорания, из которых газ по четырем длинным соплам шел к рабочему колесу. При испытаниях модель развивала мощность 1,6 лошадиной силы; коэффициент полезного действия равнялся всего 3%. Для промышленного применения эта турбина также еще не годилась.

Над созданием газовых турбин с постоянным объе­мом сгорания долго работал и немецкий инженер Хольц - варт. По его проектам в период 1914-1920 годов было
построено несколько турбин мощностью от 500 до 2000 ло­шадиных сил. Однако ни одна из них не годилась для промышленной эксплуатации. Лишь в 30-х годах швей­царской фирме «Броун-Бовери» удалось создать не­сколько пригодных для практической эксплуатации тур­бин с горением при постоянном объеме. В настоящее время работы над подобными турбинами почти полно­стью прекращены.

Наши ученые пошли по другому пути. Инженер

В. X. Абианц в своей книге «Теория авиационных газовых турбин» пишет о трудах советских специалистов:

«Одна из главных заслуг советских ученых заклю­чается в том, что они обосновали целесообразность и перспективность развития турбин с постоянным давле­нием сгорания, в то время как зарубежные (в частности, немецкие) газотурбинисты работали в области турбин с постоянным объемом сгорания. Все последующее разви­тие газовых турбин, в том числе и авиационных, бле­стяще подтвердило прогнозы советских ученых, ибо стол­бовой дорогой развития газовых турбин оказался путь создания турбин с постоянным давлением сгорания».

Трудами советских ученых было доказано, что газо­турбинные установки с постоянным давлением сгорания при достаточно высокой температуре газов могут иметь высокий коэффициент полезного действия.

В 1939 году профессором В. М. Маковским была по­строена на Харьковском турбогенераторном заводе газо­вая турбина с постоянным давлением сгорания. Ее мощ­ность составляла 400 киловатт. Вал, диск и полые ло­патки турбины охлаждались водой. Турбина Маковского предназначалась для работы на горючем газе, получае­мом в результате подземной газификации каменного угля. Она была установлена и успешно испытана на одной из шахт в Горловке.

В настоящее время наши заводы производят различ­ные типы высокоэффективных газовых турбин.

Хотя газотурбинная установка по своему устройству более проста, чем поршневой двигатель внутреннего сго­рания, для создания ее потребовалось провести огромную научно-исследовательскую работу. Вот почему только в наше время, на основе современных достижений науки и техники, удалось создать эффективный газотурбинный двигатель.

Какие же научные проблемы надо было решить уче­ным, прежде чем сделать возможным создание газотур­бинных установок?

При создании газовой турбины необходимо было стре­миться к тому, чтобы возможно полнее использовать энер­гию газа, предельно снизить ее потери на трение и вихре - образование. Большая скорость движения газа через турбину позволяет получить и большую мощность неболь­шой по - размерам установки. Но в то же время такая скорость таит в себе опасность больших потерь энергии. Чем больше скорость движения жидкости или газа, тем больше потери энергии на трение и образование вихрей.

Чтобы построить газотурбинную установку с высоким коэффициентом полезного действия, надо было выбрать наивыгодные размеры, форму и взаимное расположение частей компрессора и турбины. А для этого требовалось изучить движение газов и узнать, как они воздействуют на обтекаемые ими твердые тела. Изучение движения газа требовалось для развития многих отраслей техники.

Первой задачей ученых в этой области было исследо­вать движение газа при сравнительно малых скоростях, когда он практически не сжимается. Поскольку движение несжимаемого газа подчиняется тем же законам, что и движение жидкости, этот раздел науки получил название гидродинамики («гидр» - по-гречески вода).

Одновременно развивалась наука о молекулярном строении газа, о процессах изменения его состояния под действием давления и температуры. Она называется тер­модинамикой (от латинского слова «термо» - теплота).

В процессе развития гидродинамики возникла необхо­димость учитывать характерные особенности газа, отли­чающие его от жидкости. И вот на базе гидродинамики возникла аэродинамика - наука о законах течения воз­духа и обтекания тел воздушным потоком. В то же время появление паровых турбин побудило ученых-термодина - миков исследовать и такие вопросы, как истечение газов и паров из сопел.

В процессе своего развития гидродинамика и термо­динамика, расширяя круг изучаемых вопросов, проникая все глубже и глубже в сущность физических явлений, приближались друг к другу. Так возник еще один новый раздел науки - газовая динамика, изучающая законы движения газа с большими скоростями и тепловые про­цессы, происходящие в газовом потоке.

Эта наука и послужила теоретической основой для развития газотурбинных двигателей. Первые фундамен­тальные работы по теории газовых турбин были выпол­нены выдающимся чешским ученым Стодола, советскими профессорами В. М. Маковским, В. В. Уваровым и рядом других ученых.

Разработка теоретических основ газотурбинной тех­ники и начавшиеся во многих странах мира эксперимен­тальные работы в этой области показали, что важнейшей задачей в развитии двигателей такого типа являлось усо­вершенствование их проточной части, т. е. тех элементов двигателя, по которым течет газ: воздухозаборника, ком­прессора, камеры сгорания, турбины и сопла. В первую очередь стоял вопрос о разработке теории компрессоров и турбин, которые часто называют одним термином «ло­паточные машины». Именно решением этой фундамен­тальной задачи и занялись советские ученые. На основе гениальных трудов Эйлера, Бернулли, Жуковского, Чап­лыгина советские ученые создали теорию газотурбинных двигателей.

Исключительно ценный вклад в теорию газотурбин­ных двигателей внес академик Б. С. Стечкин. Его тру­дами была создана стройная теория лопаточных машин. Им были разработаны методы расчета осевых и центро­бежных компрессоров. Он является творцом теории са­мых распространенных в современной авиации газотур­бинных воздушно-реактивных двигателей.

Глубокие теоретические исследования и плодотворную экспериментальную работу по компрессорам провели профессора К. А. Ушаков, В. Н. Дмитриевский, К. В. Хол­щевников, П. К. Казанджан и ряд других ученых. Значи­тельным вкладом в теорию лопаточных машин явился труд украинского академика Г. Ф. Проскура «Гидродина­мика турбомашины», изданный еще в 1934 году.

Теории газовых турбин и газотурбинных двигателей в целом были посвящены работы профессоров Г. С. Жи -

Ридкого, А. В. Квасникова, П. И. Кириллова, Я. И. Шнеэ, Г. П. Зотикова и многих других.

Большая работа была проделана учеными по созда­нию наиболее выгодной формы турбинных лопаток. Ра­бота лопаток турбины имеет много общего с работой крыла самолета. Однако между ними имеются и суще­ственные различия. Крыло работает изолированно, а тур­бинная лопатка - в соседстве с другими лопатками. В последнем случае получается, как принято говорить, «решетка профилей». Влияние соседних лопаток сильно изменяет картину обтекания газом профиля лопатки. Кроме того, крыло обдувается потоком воздуха, имею­щим перед встречей с самолетом одинаковую скорость вдоль всего размаха крыла. А скорость газа относи­тельно лопатки турбины не одинакова по ее длине. Она зависит от окружной скорости лопаток. Так как лопатки делают довольно длинными, то окружная скорость у корня лопатки значительно меньше, чем у ее конца. Зна­чит, и скорость газа относительно лопатки у ее корня будет иная, чем у внешней окружности рабочего колеса. Поэтому профиль лопатки должен быть таким, чтобы лопатка по всей своей длине работала с наибольшей эффективностью. Задача создания таких лопаток была решена трудами профессора В. В. Уварова и других ученых.

Важнейшей проблемой, от решения которой зависело создание экономичных газотурбинных двигателей, была проблема жаропрочных материалов. Экономичность газо­турбинной установки увеличивается с ростом темпера­туры газов. Но чтобы турбина могла надежно работать при высокой температуре, необходимо изготавливать ее лопатки и диск из таких сплавов, прочность которых со­храняется и при большом нагреве. Поэтому для развития газотурбинной техники требовался высокий уровень раз­вития металлургии. В настоящее время металлургами созданы сплавы, способные выдерживать большие тем­пературы. Лопатки турбины, изготовленные из таких сплавов, могут без специального охлаждения работать при температуре поступающих в турбину газов до 900° С.

Кроме сплавов, существуют и другие жаростойкие материалы, например особая керамика. Но керамика довольно хрупка, это препятствует ее применению в газо­вых турбинах. Дальнейшие работы по усовершенствова­нию жаропрочной керамики могут оказать, однако, суще­ственное влияние на развитие газовых турбин.

Конструкторы газовых турбин разрабатывают также лопатки с искусственным охлаждением. Внутри лопаток делают каналы, по которым пропускают воздух или жид­кость. Диск турбины обычно обдувается воздухом.

Условия горения топлива в газотурбинных установках существенно отличаются от условий в топках паровых котлов или в цилиндрах поршневых двигателей. Газо­турбинный двигатель способен при малых размерах про­изводить громадную работу. Но для этого надо сжигать в малом объеме камеры большое количество горючего. Этого можно добиться лишь при очень большой скорости горения. Частицы топлива находятся в камере сгорания газотурбинного двигателя менее сотой доли секунды. За такое короткое время должно произойти хорошее пере­мешивание топлива с воздухом, его испарение и полное сгорание.

Чтобы успешно решить задачу, необходимо изучить физику горения. Над этим работают в наше время круп­ные коллективы ученых.

Учеными детально исследован и вопрос о максималь­ном использовании тепла, выделяемого при горении топ­лива в газотурбинных установках. Из рабочего колеса турбины газы выходят с высокой температурой и, сле­довательно, уносят с собой в атмосферу большое коли­чество внутренней энергии. Возникло естественное жела­ние использовать тепло отходящих газов. Для этого была предложена следующая схема установки. Газы из рабо­чего колеса, прежде чем выйти в атмосферу, проходят через теплообменник, где передают часть своего тепла сжатому воздуху, вышедшему из компрессора. Воздух, нагреваясь в теплообменнике, повышает свою энергию без расхода на это какого-либо количества горючего. Из теплообменника воздух направляется в камеру сгорания, где его температура поднимается еще выше. Устройством таких теплообменников можно значительно сократить расход топлива на нагревание газа и тем самым повы­сить экономичность установки. Теплообменник представ­ляет собой канал, по которому текут горячие газы. Внутри канала помещается пучок стальных труб, распо­ложенных по потоку газов или перпендикулярно к нему. Внутри этих труб течет воздух. Газ нагревает стенки труб и текущий внутри них воздух. Происходит возврат части тепла из уходящих газов в рабочий воздух. Этот процесс называется процессом регенерации тепла. И теп­лообменники часто называют регенераторами.

Газотурбинные установки с регенерацией тепла яв­ляются значительно более экономичными, чем обычные турбины. К сожалению, теплообменники очень громоздки по своим размерам, что затрудняет их применение на некоторых транспортных установках.

В числе научных проблем, лежащих в основе разви­тия газотурбинной техники, следует отметить и проч­ность конструкций. Для постройки прочных камер сго­рания необходимо знать методы расчета тонкостенных оболочек. Этим занимается один из новых разделов науки о сопротивлении материалов. Сложной задачей является обеспечение прочности рабочих лопаток турбины. Ротор турбины совершает очень большое число оборотов (5000-10 ООО оборотов в минуту, а в некоторых конструк­циях и более), и на лопатки действуют большие центро­бежные силы (несколько тонн на каждую лопатку).

Мы рассказали здесь только о самых главных научных проблемах, решение которых потребовалось для развития газотурбинной техники. Ученые и инженеры продолжают работать над совершенствованием газотурбинных двига­телей. Перед ними стоит еще много нерешенных вопро­сов, много интересных и важных проблем.

Например, исключительно большое значение имеют работы по созданию газовых турбин, использующих в качестве топлива каменный уголь. Известно, что камен­ного угля добывается больше, чем нефти, и он дешевле ее. Сжигание угля в камере сгорания газовой турбины - трудная задача. Его приходится размельчать, превра­щать в угольную пыль. Газы, выходящие из камеры сго­рания, надо очищать от золы. Если в газе содержатся частицы золы размером даже в 0,03-0,05 миллиметра, то лопатки турбины начнут разрушаться, и турбина вый­дет из строя.

Создание очистителей газа - дело сложное. Но ре­шить такую задачу для газотурбинного двигателя можно. У двигателей внутреннего сгорания сжатие воздуха, сго­рание и расширение газа происходят в одном месте - в цилиндре. Установить в цилиндре какой-нибудь очисти­тель оказалось невозможным. Поэтому до сих пор по­пытки сжигания угля в цилиндрах двигателей внутрен­него сгорания ни к чему не привели. В газотурбинной же установке сжатие, сгорание и расширение совершаются в разных местах. Сжатие воздуха осуществляется в ком­прессоре, нагревание - в камере, а расширение - в тур­бине. Очиститель можно поместить между камерой и тур­биной. Нужно только, чтобы он не сильно снижал давле­ние проходящих через него газов и не был слишком велик по размерам.

В наши дни ведутся исследования и по созданию атомных газотурбинных двигателей. В этих двигателях нагрев воздуха осуществляется не за счет сжигания топ­лива, а за счет тепла, выделяющегося в атомном котле. Много трудностей предстоит преодолеть ученым на этом пути. Но нет сомнения, что атомным газотурбинным дви­гателям предстоит большое будущее.