Газотурбинный двигатель принцип работы

Газотурбинный двигатель: принцип работы и конструкция

Газотурбинный двигатель – это то, что в последнее время используется как энергетическая установка для машины.

И это связано не только с несомненными преимуществами данного агрегата.

Газотурбинный двигатель способен развить мощность, которая просто необходима некоторым автомобилям.

Конструкция

Благодаря тому, что у этого агрегата отсутствуют возвратно-поступательно двигающиеся части, а также тому, что его ротор обладает высокой частотой вращений, можно существенно уменьшить габаритные размеры и удельную массу этого двигателя (если сравнивать с дизелем). А это, в свою очередь, позволяет рассмотреть его как перспективный агрегат. Итак, чтобы создать газотурбинный двигатель своими руками (данным процессом интересуются многие – это реально, однако весьма трудно), нужно иметь турбины, камеру сгорания и компрессор. Также в его комплектацию входят стартер, масляный насос, регулятор частоты вращений и другое оборудование. Как правило, в автомобильных двигателях газотурбинного типа применяется центробежный одноступенчатый компрессор, при помощи которого давление воздуха увеличивается в 3,5 раза. Чтобы достичь указанного давления, нужно, чтобы компрессорное колесо вращалось с как можно большей скоростью. А она составляет около 420-450 метров в секунду.

Материалы

Для изготовления камеры сгорания чаще всего используется листовой жаростойкий материал. Газотурбинный двигатель в своей комплектации имеет осевую и центростремительную турбины. Они же состоят из рабочего колеса и соплового аппарата. Газ в осевой турбине, проходя по каналам, которые находятся в рабочем колесе, изменяет направление своего движения. При этом оказывается давление на лопатки. Благодаря этому образуется сила, которая приводит во вращение рабочее колесо.

Газотурбинный двигатель: принцип работы устройства

Компрессорный вал при помощи стартера приводится в движение. Пусковая частота вращения составляет 2530% от номинальной. Сжатый воздух подается компрессором в камеру сгорания, а в неё через форсунку нагнетается топливо с помощью шестеренчатого насоса. После этого посредством электрической свечи накаливания поджигается горючее. И как только устойчивая зона горения образована, последующее горючее воспламеняется от соприкосновения с огнем, а отработанные газы затем уходят в атмосферу через выпускную трубу.

Отличительные свойства

Хочется отметить, что газотурбинный двигатель обладает еще и высочайшими пусковыми качествами. Несмотря на то, что его стартер имеет достаточно небольшую производительность, он может обеспечить пуск при абсолютно любой температуре внешней среды. Это очень хорошее качество.

И еще одно его существенное преимущество – достаточно малая токсичность газов, которые отрабатываются двигателем: она в 37 раз меньше тех, которые извергает дизель. Из этого можно сделать вывод, что такой двигатель еще и безопасен для окружающей среды.

Принцип работы газотурбинного двигателя

Газотурбинный двигатель (ГТД) представляет собой разновидность теплового двигателя, в конструкции которого имеются лопаточные машины. Особенностью работы является то, что превращение энергии горящего топлива в механическую работу происходит в нем непрерывно.

В ГТД составные части рабочего цикла, включающего сжатие воздуха, отвод теплоты к рабочему телу и расширение, разобщены между собой и протекают в разных местах.

Газотурбинный двигатель может быть использован в качестве теплового двигателя на газотурбовозах и самолетах.

Газотурбинный двигатель может работать на любом виде и сорте топлива (жидкое, твердое и газообразное).

На сегодняшний день известно много конструкций и схем ГТД, отличающихся друг от друга следующими параметрами:

• условиями сжигания топлива — с внутренним и внешним сжиганием;

• использованием рабочего тела в круговом процессе — разомкнутые и замкнутые системы;

• количеством валов — одновальные, двух- и многовальные.

Рис. 2. Принципиальная схема одновального газотурбинного двигателя:

1 — корпус газовой турбины; 2 — рабочее колесо газовой турбины; 3 — топливный насос; 4 — свободный вал; 5— воздушный компрессор; 6 — воздухозаборное устройство воздушного компрессора; 7— электрическая свеча зажигания; 8— камера сгорания; 9 — направляющий аппарат; 10 — газоотвод; II — потребитель мощности; 12 — пусковой двигатель

В установках СПГГ обычно используется низкосортное топливо. Турбина работает на газе с относительно невысокой температурой (500. 600 °С), поэтому для изготовления лопаток может быть использован менее жаропрочный материал. КПД таких установок достигает 35 %, однако они имеют увеличенную массу и габариты по сравнению с дизелями с газотурбинным наддувом.

Экономичность работы ГГД можно улучшить за счет повышения температуры газов перед турбиной, использования многовальных систем, применения регенерации и утилизации теплоты уходящих газов (например, для отопления и кондиционирования воздуха в вагонах), применения промежуточного охлаждения воздуха при сжатии и промежуточного подвода теплоты к газу при его расширении. Обеспечение этих мероприятий требует применения жаропрочных сталей для лопаток турбины, использования металлокерамических материалов, воздушного охлаждения части турбины. При этом КГТД действующих установок повышается до 33. 40 %.

Существуют проектные разработки и попытки создания локомотивных газотурбинных двигателей на твердом или пылевидном топливе.

Газотурбинная установка компактна, обладает малой массой на единицу мощности, не содержит деталей с возвратно-поступательным движением, которое приводит к более быстрому износу двигателя, отличается малыми затратами на содержание оборудования. Она может работать без потребления воды, в ней легко полная автоматизация процессов, имеется реальная возможность для сжигания в камере сгорания различных видов топлива, а также имеет относительно постоянный вращающий момент на валу отбора мощности.

Особенность ГТД, применяемых в авиации, является то, что энергия сгорания топлива преобразуется в энергию истечения газов, которые с большой скоростью через выпускную систему ГТД выбрасываются в атмосферу. Тяга при работе этих двигателей возникает за счет разности количеств движения (произведения массы на скорость), выходящего из выпускной системы газовоздушного потока и входящего в приемное устройство ГТД воздуха. Тяга направлена при этом в сторону, противоположную направлению истечения газов, т. е. является реактивной. Нетрудно представить себе, что для увеличения тяги реактивного двигателя необходимо увеличить разность количеств движения, т. е. на выходе из ГТД произведение массы на скорость должно значительно превышать такую же величину на входе. Решению этой задачи служат все элементы конструкции ГТД.

Существуют три типа газотурбинных двигателей: турбореактивные, турбореактивные двухконтурные и турбовинтовые. Рассмотрим принцип работы каждого типа двигателя.

Сфера использования газотурбинных двигателей

На сегодняшний день существует несколько различных видов двигателей, которые отличаются друг от друга по принципу работы. Один из них — газотурбинный двигатель. Он создан таким образом, что, переняв все ключевые достоинства бензиновых и дизельных поршневых двигателей, получил ряд неоспоримых преимуществ.

Газотурбинный двигатель, принцип работы которого заключается в проведении топлива через ряд турбинных лопастей, приводит их в движение с помощью расширяющегося газа. Он относится к моделям внутреннего сгорания. Газотурбинные двигатели делятся на одно- и двухвальные. Их КПД прямо пропорционален температуре сгорания топлива. Самые элементарные модели — одновальные, имеющие единственную турбину. Двухвальные не только сложнее в устройстве, но и способны выдерживать большие нагрузки.

Как правило, газотурбинные двигатели используются в грузовых автомобилях, кораблях и локомотивах. Производятся опыты по разработке таких механизмов для легковых автомобилей.

В настоящее время существует большое количество моделей таких двигателей, многие из которых значительно превосходят своих предшественников большей производительностью, меньшими размерами, габаритами и весом. Также газотурбинный двигатель является более безопасным и нейтральным для окружающей среды. Он производит меньше шума и вибрации, а также расходует намного меньше топлива. Это основные преимущества, которыми обладает газотурбинный двигатель.

Именно газотурбинные механизмы подарили человечеству множество современных возможностей. Без них не существовали бы трансконтинентальные перекачки газа и перелеты больших авиалайнеров на большие расстояния. Газотурбинный двигатель способен вырабатывать огромное количество энергии с минимальными затратами топливных ресурсов. Он представляет собой самую сложную технологическую конструкцию среди всех, что были разработаны за прошедший век.

Итак, газотурбинный двигатель являет собой одно из самых грандиозных открытий двадцатого века, благодаря которому человечество получило колоссальные возможности для совершенствования технологий. Особенно ценным вкладом данной разработки становится то, что она позволяет экономить топливные ресурсы и практически не несет вреда окружающей среде, что крайне важно в наше время глобальных экологических кризисов.

Турбовальный двигатель

Для тех, кто интересуется моторами в целом и их авиационными моделями в частности, турбовальный двигатель в первую очередь ассоциируется с вертолетами, недаром их называют «вертолетными ГТД». Именно здесь ТВаД нашли наибольшее применение и уже не один десяток лет с успехом используются. Но вертолеты – не предел их возможностей, многие другие отрасли машино- и судостроения взяли на вооружение этот тип двигателей, но обо всем по порядку.

Итак, турбовальный двигатель принадлежит славному семейству газотурбинных двигателей (ГТД) наравне с турбореактивными (ТРД) и турбовинтовыми (ТВД). ГТД представляет собой тепловую машину, в упрощенной схеме состоящую из компрессора и турбины, работающей за счет сжигания топлива в камере сгорания. Наиболее простой его разновидностью является турбореактивный двигатель, в котором энергия от сжигания топлива идет только на вращение компрессора через турбину, а излишек энергии выходит через сопло в виде газов под высоким давлением, образуя реактивную тягу. Но эта энергия может не только «вылетать в трубу», но и выполнять полезную работу, вращая воздушный винт (турбовинтовой двигатель) или вал (турбовальный двигатель). Это и является принципиальной разницей между всеми вышеотмеченными видами моторов семейства ГТД – способ использования свободной энергии.

Устройство и принцип работы двигателя

Строение турбовального двигателя в общих чертах напоминает строение ТРД. Основными составляющими являются комрессор, турбина, камера сгорания и вал. В отличие от других газотурбинных двигателей ТВаД совсем не имеет реактивной тяги – вся свободная энергия расходуется на вращение вала, поэтому и сопла, как такового, у него нет, а есть только каналы (своеобразные выхлопные трубы), по которым отводятся отработанные газы. Еще одна особенность ТВаД – наличие не одной, а двух турбин, не связанных между собой механически. Одна турбина приводит в движение компрессор, а вторая – рабочий вал. Между собой они связаны газодинамически. Некоторые модели турбовинтовых двигателей также имеют схожую конструкцию, но не обязательно. В случае с ТВаД турбин всегда две.

Две основные схемы устройства ТВаД с описание расположенных механизмов. Картинки кликабельны.

Принцип работы турбовального двигателя тоже не сильно отличается от ТРД или ТВД. Компрессор, приводимый в движение турбиной, нагнетает воздух в камеру сгорания, где он перемешивается с впрыснутым через форсунки топливом. Топливный заряд воспламеняется и сгорает, в результате чего образуются газы с большим запасом энергии. Расширяясь, они вращают турбины, приводя в движение компрессор и вал, а отработанные газы выводятся наружу.

Компрессор турбовального двигателя имеет несколько ступеней и может быть центробежным, осевым или комбинированным. Комбинированные компрессоры сочетают в себе и центробежные, и осевые ступени.

Обязательным конструктивным элементом ТВаД, как, впрочем, и турбовинтового двигателя, является редуктор, установленный между турбиной и валом. Сама турбина вращается с угловой скоростью, достигающей 20 000 об/мин. Понятно, что винт, закрепленный на валу и создающий тягу, не сможет работать при такой скорости и выполнять свои функции, ведь тогда ему придется вращаться со сверхзвуковой скоростью. Редуктор, установленный перед валом, понижает обороты и увеличивает крутящий момент, так что скорость вращения лопастей винта вертолета значительно меньше скорости вращения турбины.

Если турбовинтовые двигатели, которые используются на самолетах, должны иметь компактные размеры, а вал турбины и вал винта у них устанавливаются параллельно в одном корпусе, то к габаритам турбовальных двигателей таких жестких требований нет. Рабочий вал у них может находиться впереди турбины или за ней, в одном корпусе с ней или отдельно. Это объясняется тем, что мотор спрятан в конструкции кабины, где его можно расположить в любом удобном положении. Различают цельные моторы и модульные, состоящие из отдельных модулей, связанных между собой механически. Часто в одном модуле расположены компрессор и турбины, а в другом – рабочий вал, связанный с валом турбины редуктором.

Легкий американский вертолет AH-6j Little Bird

Применение

Нашел себе применение турбовальный двигатель и на земле. Правильнее даже говорить, что именно на земле он изначально и использовался, и только после появления авиации, как таковой, «переселился» на небо. Его можно встретить и на транспорте, и на различных магистральных станциях, где он обычно используется, как альтернатива дизельного двигателя. В сравнении с дизелем ТВД более легкий по весу, менее шумный и более мощный, если брать двигатели одного размера.

В промышленности и народном хозяйства

ТВаД успешно используется в качестве нагнетателя природного газа на газоперекачивающих станциях. Его нередко можно увидеть на крупных газовых магистралях. Одна из последних разработок газовая турбина T16, мощностью 16 МВт. Короткое видео с применением турбовального двигателя в электроэнергетики.

Основные показатели:

• 16,5 МВт — мощность на валу.
• 37% — КПД, механический привод.
• 36% — КПД, электрический (простой цикл).
• 80% — КПД, комбинированное производство электроэнергии и тепла
• 200 000 часов — полный жизненный цикл
• выбросы NOx — не более 25 ppm.

Турбовальные двигатели используются в мобильных электростанциях для привода генератора. Электростанции с данным двигателем занимают меньший объем, аналогичной электростанции с традиционными двигателями.

В транспортной сфере

Несмотря на то, что в большинстве случаев турбовальные двигатели описываются, как силовые установки вертолетов, их применение не ограничено только ими. Частенько ТВаД играет роль не основного движителя, а вспомогательной установки. Такими установками обычно оснащаются самолеты, а используются они для питания энергией основных систем судна при его наземном обслуживании. То есть, когда самолет находится на земле, не обязательно запускать его основные моторы для получения электричества или создания давления в гидросистемах, для этого достаточно запуска такой небольшой установки. Также ТВаД используется в качестве пускового агрегата, который проворачивает ротор турбины при запуске. В этом случае он имеет название турбостартер.

Вид железнодорожного транспорта, на который устанавливается ТВаД, носит название газотурбовоз. Принцип его работы заключается в том, что турбовальный двигатель вращает вал генератора, вырабатывающего электрический ток. Ток поступает на электромоторы, которые, по сути, и являются основной силовой установкой. История газотурбовозов началась в 60-е годы, когда были сконструированы первые опытные образцы, правда, потом они уступили место более известным сейчас электровозам. Вместе с тем с 2007 года возобновились работы по созданию газотурбовозов, и даже был создан пробный экземпляр, работающий на сжиженном газе. Его испытания прошли успешно, так что в скором будущем, возможно, он будет выпускаться серийно.

Не обошли стороной ТВаД и создатели военной наземной техники. Некоторые танки, в том числе и отечественный Т-80 и американский М1 Abrams, оснащены ТВаД. Короткое видео разработки, внедрения и применения турбовального двигателя на танке.

Турбовальные двигатели также используются и на водном транспорте, называемом газотурбоходами. К ним относятся суда на воздушной подушке или на подводных крыльях. Наиболее известным отечественным газотурбоходом является военное судно «Зубр» — наиболее крупный десантный корабль на воздушной подушке. Этот гигант известен далеко за пределами России и является мировым рекордсменом среди суден на воздушной подушке по своим габаритам. А вот с отечественными пассажирскими газотурбоходами как-то не сложилось. Судно «Циклон», сконструированное в 80-хх годах, не пережило перестройки и со временем забылось, а новые пассажирские суда, оснащенные ТВаД пока не появились.

Танк Т-80 с газотурбинным двигателем

Десантное судно «Зубр»

Преимущества и недостатки

Основным преимуществом турбовального двигателя является то, что по сравнения с поршневыми двигателями он более легкий по весу, менее шумный и более мощный, если брать двигатели одного размера. Вся суть турбовального двигателя и заключается, чтоб максимально использовать энергию сгорающего топлива, по сравнению с поршневыми двигателями это реализуется лучшим образом. Тем самым в одном килограмме двигателя можно реализовать конструкцию, более мощную своих цилиндрических сородичей, которая с каждого килограмма топлива будет забирать тепловую энергию и преобразовывать ее в механическую.

Есть у турбовального двигателя и недостатки. Первый из них – сравнительно большой расход топлива и, соответственно, низкий КПД, несмотря на высокие показатели мощности. Именно этот недостаток объясняет его ограниченное применение на наземном транспорте, где его можно заменить более эффективными силовыми установками. Второй недостаток – чувствительность к загрязнениям. Компрессор, втягивая воздух в камеру сгорания, заодно всасывает и пыль, и посторонние предметы, что сказывается на качестве работы двигателя и на его исправность в целом. На высоких оборотах даже незначительные твердые частички могут повредить лопасти турбины. Поэтому ТВаД нуждается в надежной системе тщательной очистки воздуха, а расходы на нее далеко не всегда оправданы – в большинстве случаев намного проще и дешевле использовать традиционный дизель. Это еще одна причина, по которой эти двигатели в основном используются в воздухе: там и грязи меньше, и птицы летают ниже высоты полета, так что нормальной работе компрессора и турбины ничего не мешает. Зато масса ТВаД намного меньше любого поршневого двигателя, а это в авиации немаловажно.

Турбовальные двигатели – это действительно в первую очередь «сердца» вертолетов, а уж потом все остальное. Именно эти стальные «стрекозы» дают возможность оценить основные преимущества ТВаД, ну а недостатки в этом случае совсем незначительны.