Газотурбинный двигатель принцип работы и устройство


Газотурбинный двигатель (ГТД) - Что такое Газотурбинный двигатель (ГТД)?

, Обновлено 14 ноября 11:34

11888

В отличие от поршневого двигателя в ГТД процессы происходят в потоке движущегося газа

Источник: Ростех

Газотурбинный двигатель (ГТД) - тепловой двигатель, любой двигатель внутреннего сгорания (ДВС), в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины.

В отличие от поршневого двигателя в ГТД процессы происходят в потоке движущегося газа.
От ГТД можно получить полезную работу или тягу:

  • приводить в действие генератор,  насос или воздушный винт;
  • развивать тягу за счет ускорения потока выхлопных газов турбины через сопло.  

ГТД работает следующим образом:

  1. сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, туда же подается топливо, которое, сгорая, образует большое количество продуктов сгорания под высоким давлением;
  2. в газовой турбине энергия газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счет вращения струей газа лопаток, большая часть которой расходуется на сжатие воздуха в компрессоре;
  3. остальная часть работы передается на приводимый агрегат. Работа, потребляемая этим агрегатом, является полезной работой ГТД.

Газотурбинные двигатели имеют самую большую удельную мощность среди ДВС, до 6 кВт/кг.

В качестве топлива может использоваться любое горючее, которое можно диспергировать:

  • бензин,
  • керосин,
  • дизтопливо,
  • мазут,
  • природный газ,
  • судовое топливо,
  • водяной газ,
  • спирт, 
  • измельченный уголь.

Существует 2 вида ГТД в зависимости от количества турбин:

  • одновальные - простейшие ГТД, которые имеют только 1 турбину; такие ГТД имеют ограничения в режиме работы;
  • многовальные - имеется несколько последовательно стоящих турбин, каждая из которых приводит свой вал; турбина высокого давления (первая после камеры сгорания) всегда приводит компрессор двигателя, а последующие могут приводить как внешнюю нагрузку (винты вертолета или корабля, мощные электрогенераторы и т. д.), так и дополнительные компрессоры самого двигателя, расположенные перед основным.

Наиболее важным применением газовых турбин является авиация, где они обеспечивают движущую силу для реактивных двигателей.
ГТД широко используются в газотурбинных электростанциях (ГТЭС) среднего размера с «пиковой нагрузкой» для периодической работы в течение коротких периодов высокой потребности в мощности в электрической системе.
На первых промышленных ГТУ использовались авиационные агрегаты, работающие при пониженных температурах на входе в турбину. 
Сейчас используют специальные ГТД для работы:

  • в ГТЭС, 
  • в газоперекачивающих агрегатах (ГПА) на компрессорных станциях (КС) магистральных газопроводов.

Первая успешная газовая турбина, построенная в г. Париже в 1903 г., состояла из 3-цилиндрового многоступенчатого поршневого компрессора, камеры сгорания и импульсной турбины. 
Она работал следующим образом:

  • воздух, подаваемый компрессором, сжигался в камере сгорания с жидким топливом;
  • образовавшиеся газы охлаждались за счет впрыска воды и подавались на импульсную турбину. 

Тепловой КПД составлял около 3 % .

    #Газотурбинный двигатель #ГТД

    Последние новости

    Газотурбинный двигатель(ГТД).

    Газотурбинный двигатель – это разновидность теплового двигателя, который работает по не очень простому принципу. Газ в двигателе сжимается и нагревается, после чего, энергия этого газа преобразуется в механическую работу. Как Вы могли заметить, с первых слов описания данного двигателя, все процессы происходят в потоке движущегося газа, что кардинально отличается от принципа работы поршневого двигателя.

    Как работает газотурбинный двигатель? Если рассматривать, более подробно процесс работы газотурбинного двигателя, то можно выделить несколько этапов, которые в соединении описывают сложный процесс преобразования энергии сжатого газа в механическую работу. Какие это этапы?

    • Подача и смесь. Атмосферный воздух в сжатом виде поступает из компрессора в камеру сгорания. Туда же поступает и топливо, в результате чего получается топливная смесь, которая в процессе сгорания выделяет очень много энергии.
    • Преобразование. После того, как топливная смесь в процессе сгорания преобразуется в энергию, необходимо преобразовать ее в механическую работу. Это происходит благодаря вращению специальных «лопаток» струей газа под большим давлением.
    • Разделение работы. Часть полученной механической работы от энергии топливной смеси, уходит на сжатия воздуха для следующей подачи, в компрессоре, а остальная энергия передается на приводимый агрегат.

    Именно та работа, которая передается на приводимый агрегат и называется полезной! К слову, газотурбинный двигатель по праву считается двигателем, имеющим наибольшую удельную мощность, среди остальных двигателей внутреннего сгорания. Топливом к газотурбинному двигателю можно считать практически любое горючее: керосин, бензин, мазут, природный газ, дизельное топливо, судовое топливо, водяной газ, спирт, а также мелкий уголь!

    Принцип работы газотурбинных двигателей.
    Чтобы добиться высокого КПД в тепловом двигателе, необходимо добиться высокой температуры сгорания топливной смеси, но не всегда это можно достичь. Препятствиями можно назвать не способность материалов, из которых построен двигатель (никель, сталь, керамика и прочие) выдерживать большие температуры и давление. Очень большое количество трудов инженеров было направлено на то, чтобы успешно отводить тепло от турбины и использовать его там, где это необходимо. Смело можно сказать, что их работа была проведена не зря, ведь в настоящее время, благодаря подобным разработкам, было достигнута эта цель путем перенаправления тепла выхлопных газов, сжатому воздуху. Такой процесс называется рекуперирование. Это очень успешных подход, ведь в противном случае тепло выхлопных газов было бы просто утеряно, а так, оно способно служить источником нагрева сжатого воздуха, перед процессом дальнейшего сгорания. Таким образом, можно смело утверждать, что без этого процесса и специальных теплообменников (рекуператоров) не удалось бы достигнуть столь высокого КПД.

    Максимальная скорость вращения турбинных лопаток, определяет максимальное давление, которое нужно достигнуть для получения наивысшей мощности двигателя. При этом, как правило, чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала, для поддержания максимальной скорость турбинных лопаток.

    Устройство газотурбинного двигателя.
    Что касается устройства, тут все не так и сложно, как можно себе представить. Газотурбинный двигатель состоит из камеры сгорания, где также установлены свечи зажигания и форсунка, для подачи топлива и получения искры в камере сгорания. Турбинное колесо со специальными лопатками установлено на одном валу с компрессором. К устройство двигателя также относятся: понижающий редуктор, теплообменник, выпускной трубопровод, впускной канал, а также диффузор и сопла.

    При вращении вала компрессора, его лопасти захватывают воздух, который поступает через впускной канал. После того, как компрессор увеличивает скорость движения до 500 метров в секунду, он нагнетает его в диффузор. На выходе диффузора, скорость воздуха уменьшается, но с тем же повышается его давление. После диффузора, воздух попадает в теплообменник, где нагревается теплом отработанных газов и переходит в камеру сгорания. Помимо подогретого и сжатого воздуха, в камеру сгорания постоянно подается топливо в распыленном виде, через форсунку. Топливо смешивается с воздухом, образуя топливную смесь, далее эта смесь воспламеняется, с помощью искры, которую производит свеча. В результате сгорания, давление в камере повышается, нагретые газы проходят через сопло и попадают на лопатки турбинного колеса, которые приводятся в движение. Крутящий момент турбинного колеса передается через понижающий редуктор на трансмиссию автомобиля. Отработанные газы подходят в теплообменник, где подогревают поступивший сжатый воздух и выходят в атмосферу.

    Основным недостатком газотурбинного двигателя  является стоимость тепло прочных материалов, из которых должен быть построен двигатель. Помимо этого сложность работ и высокая степень очистки воздуха, который попадает в двигатель, также хорошо бьют по карману, но не смотря ни на что, разработка и усовершенствование газотурбинного двигателя уже вовсю проходит как в нашей стране, так и за границей.

    Типы газотурбинных двигателей.
    Касательно типов, их очень большое количество, при этом суть работы одна и та же, но выполнение – немного различно. В зависимости от типов, газотурбинный двигатель имеет широкое применение на морских судах, железнодорожных составах, автомобилях, самолетах, вертолетах и даже в танках.К слову на сегодняшний день лишь американский танк Абрамс М1А1 оснащен газотурбинным двигателем.У советских инженеров тоже были попытки применить ГТД на танках,было даже несколько прототипов на базе Т-80,но почему то дальнейшие разработки были свёрнуты.

    Как работают газотурбинные электростанции

    Управление Управление ископаемой энергией и выбросами углерода

    Изображение

    Турбины внутреннего сгорания (газовые), устанавливаемые на многих современных электростанциях, работающих на природном газе, представляют собой сложные машины, но в основном состоят из трех основных секций:

    • нагнетает его и подает в камеру сгорания со скоростью сотни миль в час.
    • Система сгорания , обычно состоящая из кольца топливных форсунок, которые впрыскивают постоянный поток топлива в камеры сгорания, где оно смешивается с воздухом. Смесь сгорает при температуре более 2000 градусов по Фаренгейту. В результате сгорания образуется высокотемпературный поток газа под высоким давлением, который входит и расширяется через секцию турбины.
    • Турбина представляет собой сложную систему чередующихся стационарных и вращающихся лопастей с аэродинамическим профилем. Когда горячий дымовой газ расширяется через турбину, он вращает вращающиеся лопасти. Вращающиеся лопасти выполняют двойную функцию: они приводят в действие компрессор, чтобы накачать больше сжатого воздуха в секцию сгорания, и вращают генератор для производства электроэнергии.

    Наземные газовые турбины бывают двух типов: (1) двигатели с тяжелой рамой и (2) авиационные двигатели. Двигатели с тяжелой рамой характеризуются более низким коэффициентом давления (обычно ниже 20) и, как правило, имеют большие физические размеры. Степень сжатия – это отношение давления нагнетания компрессора к давлению воздуха на входе. Авиационные двигатели произошли от реактивных двигателей, как следует из названия, и работают при очень высокой степени сжатия (обычно более 30). Авиационные двигатели, как правило, очень компактны и полезны там, где требуется меньшая выходная мощность. Поскольку турбины с большой рамой имеют более высокую выходную мощность, они могут производить большее количество выбросов и должны быть спроектированы для достижения низкого уровня выбросов загрязняющих веществ, таких как NOx.

    Одним из ключевых факторов эффективности отношения топлива к мощности турбины является температура, при которой она работает. Более высокие температуры обычно означают более высокую эффективность, что, в свою очередь, может привести к более экономичной работе. Газ, протекающий через турбину типичной электростанции, может иметь температуру до 2300 градусов по Фаренгейту, но некоторые из критических металлов в турбине могут выдерживать температуры только до 1500–1700 градусов по Фаренгейту. Следовательно, воздух из компрессора может использоваться для охлаждения. ключевые компоненты турбины, снижая предельную тепловую эффективность.

    Одним из главных достижений программы Министерства энергетики США по созданию усовершенствованных турбин стало преодоление прежних ограничений по температуре турбины за счет сочетания инновационных технологий охлаждения и передовых материалов. Усовершенствованные турбины, появившиеся в результате исследовательской программы Департамента, смогли повысить температуру на входе в турбину до 2600 градусов по Фаренгейту, что почти на 300 градусов выше, чем в предыдущих турбинах, и достичь эффективности до 60 процентов.

    Другим способом повышения эффективности является установка рекуператора или парогенератора-утилизатора (HRSG) для извлечения энергии из выхлопных газов турбины. Рекуператор улавливает отработанное тепло в выхлопной системе турбины для предварительного нагрева нагнетаемого компрессором воздуха перед его подачей в камеру сгорания. Котел-утилизатор вырабатывает пар, улавливая тепло выхлопных газов турбины. Эти котлы также известны как парогенераторы-утилизаторы. Пар высокого давления из этих котлов можно использовать для выработки дополнительной электроэнергии с помощью паровых турбин, конфигурация которых называется комбинированным циклом.

    Газовая турбина простого цикла может достигать эффективности преобразования энергии в диапазоне от 20 до 35 процентов. Благодаря более высоким температурам, достигнутым в программе турбин Министерства энергетики, будущие электростанции с комбинированным циклом, работающие на водороде и сингазе, вероятно, достигнут эффективности 60 процентов или более. Когда отработанное тепло улавливается из этих систем для отопления или промышленных целей, общая эффективность энергетического цикла может достигать 80 процентов.

     

    Газотурбинный двигатель | Британика

    Заголовок

    Просмотреть все медиа

    Связанные темы:
    удельная мощность двигатель с регулируемым циклом Цикл Брайтона коптильня газотурбинный двигатель открытого цикла

    См. всю соответствующую информацию →

    газотурбинный двигатель , любой двигатель внутреннего сгорания, использующий газ в качестве рабочего тела, используемого для вращения турбины. Этот термин также обычно используется для описания полного двигателя внутреннего сгорания, состоящего как минимум из компрессора, камеры сгорания и турбины.

    Общие характеристики

    Полезную работу или тягу можно получить от газотурбинного двигателя. Он может приводить в действие генератор, насос или воздушный винт или, в случае чисто реактивного авиационного двигателя, развивать тягу за счет ускорения потока выхлопных газов турбины через сопло. Большое количество энергии может быть произведено таким двигателем, который при той же мощности намного меньше и легче, чем поршневой двигатель внутреннего сгорания. Поршневые двигатели зависят от движения поршня вверх и вниз, которое затем должно быть преобразовано во вращательное движение с помощью коленчатого вала, тогда как газовая турбина напрямую передает мощность вращения вала. Хотя концептуально газотурбинный двигатель представляет собой простое устройство, компоненты эффективной установки должны быть тщательно спроектированы и изготовлены из дорогостоящих материалов из-за высоких температур и напряжений, возникающих в процессе эксплуатации. Таким образом, установки газотурбинных двигателей обычно ограничиваются крупными установками, где они становятся рентабельными.

    Циклы газотурбинного двигателя

    Большинство газовых турбин работают по открытому циклу, в котором воздух забирается из атмосферы, сжимается в центробежном или осевом компрессоре и затем подается в камеру сгорания. Здесь топливо добавляется и сжигается при практически постоянном давлении с частью воздуха. Дополнительный сжатый воздух, который проходит вокруг секции горения, а затем смешивается с очень горячими дымовыми газами, требуется для поддержания достаточно низкой температуры на выходе из камеры сгорания (фактически на входе в турбину), чтобы турбина могла работать непрерывно. Если блок должен производить мощность на валу, продукты сгорания (в основном воздух) расширяются в турбине до атмосферного давления. Большая часть мощности турбины требуется для работы компрессора; только остаток доступен для подачи работы вала к генератору, насосу или другому устройству. В реактивном двигателе турбина спроектирована так, чтобы обеспечить мощность, достаточную для привода компрессора и вспомогательных устройств. Затем поток газа выходит из турбины при промежуточном давлении (выше местного атмосферного давления) и подается через сопло для создания тяги.

    Сначала рассматривается идеализированный газотурбинный двигатель, работающий без потерь по этому простому циклу Брайтона. Если, например, воздух поступает в компрессор при температуре 15 ° C и атмосферном давлении и сжимается до одного мегапаскаля, он затем поглощает тепло от топлива при постоянном давлении до тех пор, пока температура не достигнет 1100 ° C, прежде чем расширяться через турбину обратно в атмосферное. давление. Для этого идеализированного устройства потребуется мощность турбины 1,68 киловатта на каждый киловатт полезной мощности, при этом 0,68 киловатта поглощается для привода компрессора. Тепловой КПД агрегата (чистая произведенная работа, деленная на энергию, добавленную за счет топлива) составит 48 процентов.

    Фактическая производительность простого открытого цикла

    Если для агрегата, работающего в пределах одного и того же давления и температуры, компрессор и турбина имеют КПД только 80% (, т. е. , работа идеального компрессора равна 0,8-кратной фактической работе, а фактическая мощность турбины составляет 0,8-кратной фактической идеальный выход), ситуация резко меняется, даже если все остальные компоненты остаются идеальными. На каждый произведенный киловатт полезной мощности турбина теперь должна производить 2,71 киловатта, а работа компрессора становится равной 1,71 киловатта. Тепловой КПД падает до 25,9.процентов. Это иллюстрирует важность высокоэффективных компрессоров и турбин. Исторически сложилось так, что разработка эффективных компрессоров была труднее, чем эффективные турбины, что задержало разработку газотурбинного двигателя. Современные агрегаты могут иметь КПД компрессора 86–88 процентов и КПД турбины 88–90 процентов при проектных условиях.

    КПД и выходная мощность могут быть увеличены за счет повышения температуры на входе в турбину. Однако все материалы теряют прочность при очень высоких температурах, а поскольку лопатки турбин движутся с высокими скоростями и подвергаются сильным центробежным нагрузкам, температура на входе в турбину выше 1100°C требует специального охлаждения лопаток. Можно показать, что для каждой максимальной температуры на входе в турбину существует оптимальная степень повышения давления. Современные авиационные ГТУ с охлаждением лопаток работают при температуре на входе в турбину выше 1370°С и степени повышения давления около 30:1.

    Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

    Промежуточное охлаждение, подогрев и регенерация

    В авиационных газотурбинных двигателях необходимо обращать внимание на массу и размер диаметра. Это не позволяет добавлять дополнительное оборудование для повышения производительности. Соответственно, двигатели коммерческих самолетов работают по идеализированному выше простому циклу Брайтона. Эти ограничения не распространяются на стационарные газовые турбины, в которые могут быть добавлены компоненты для повышения эффективности. Улучшения могут включать (1) снижение работы сжатия за счет промежуточного охлаждения, (2) увеличение мощности турбины за счет повторного нагрева после частичного расширения или (3) снижение расхода топлива за счет регенерации.

    Первое усовершенствование будет включать сжатие воздуха при почти постоянной температуре. Хотя этого нельзя достичь на практике, это можно приблизить к промежуточному охлаждению (, т. е. , сжимая воздух в два или более этапа и охлаждая его водой между этапами до исходной температуры). Охлаждение уменьшает объем обрабатываемого воздуха, а вместе с ним и необходимую работу сжатия.

    Второе усовершенствование включает повторный нагрев воздуха после частичного расширения через турбину высокого давления во втором наборе камер сгорания перед подачей его в турбину низкого давления для окончательного расширения. Этот процесс аналогичен повторному нагреву, используемому в паровой турбине.

    Оба подхода требуют значительного дополнительного оборудования и используются реже, чем третье усовершенствование. Здесь горячие выхлопные газы турбины проходят через теплообменник или регенератор для повышения температуры воздуха, выходящего из компрессора перед сгоранием.


    Learn more

    
Оцените статьюПлохая статьяСредненькая статьяНормальная статьяНеплохая статьяОтличная статья (проголосовало 13 средний балл: 5,00 из 5)