Газовые турбины: устройство, виды, принцип работы и применение

Газовые турбины применяются для генерации электроэнергии с 1939 года. Сегодня это одна из самых распространенных технологий выработки энергии. Газовая турбина — внутренний сгорания двигатель (ДВС), где горение топливно-воздушной смеси образует горячие газы, вращающие турбину для получения мощности. Применяются в реактивных двигателях, автомобилях, судах, локомотивах.

Статья: определение, применение, компоненты, виды, принцип работы, преимущества и недостатки газовых турбин.

Что такое газовая турбина?

Газовая турбина — механическое устройство, преобразующее химическую энергию топлива (природный газ, сжиженный газ, синтетические топлива) в механическую энергию. Механическая энергия вала турбины через редуктор передается на вал генератора — производится электроэнергия. Название «газовая» не от вида топлива, а от образования горячего газа при сгорании. Сгорание непрерывное (не прерывистое, как в поршневых ДВС).

Основные функциональные элементы: восходящий вращающийся газовый компрессор, камера сгорания, нисходящая турбина на том же валу, что и компрессор. Дополнительные узлы повышают КПД и преобразуют мощность в механическую/электрическую форму, а также увеличивают тяговоеотношение в форсажных двигателях.

Газовую турбину можно определить как ДВС непрерывного действия с газовым рабочим телом для вращения турбины. Выходная мощность приводит в действие генератор, насос, пропеллер или создает реактивную тягу в авиационных двигателях.

Применение газовых турбин

Привод самолетов, поездов, судов, электростанций, насосов, газовых компрессоров, танков и др.

Основные сферы:

• Генерация электроэнергии — вдобавок к паротурбинам, широко используется в энергетике
• Промышленное применение
• Морские установки
• Локомотивы (газотуровозы)
• Автомобильные установки (экспериментально, концепт-кары)

Газотурбинные установки (ГТУ) средней мощности работают как пиковые электростанции — кратковременно в часы пиковой нагрузки.

Для качковки газа по трубопроводам используют ГТУ, где малая часть транспортируемого газа сжигается как топливо турбины.

Нефтепереработка также использует газовые турбины. Малые портативные ГТУ с центробежными компрессорами приводят насосы.

Примечание: главная функция — выработка механической и электроэнергии.

Компоненты газовой турбины

Компрессор

Ранние модели использовали центробежные компрессоры — простая и дешевая конструкция, но низкие ступени повышения давления и КПД по сравнению с современными осевыми. Центробежные до сих пор применяются в малых промышленных установках.

Камера сгорания

Воздух от компрессора делится на два потока. Меньший — центральный, где впрыскивается и сгорает атомизированное топливо при удержании пламени турбулентностью. Больший (охлаждающий) поток подается через отверстия в «горячую» оболочку камеры (combustion liner), снижая температуру до допустимой для турбины.

Турбина

Работает по реактивному принципу: горячие газы расширяются через до 8 ступеней. Используются одно- или двухвальные схемы. Нагрузка на вал: часть расширения в высокодавятной турбине (HDT), приводящей только компрессор; оставшаяся расширяется в свободной низкодавятной турбине (LDT), соединенной с нагрузкой (генератором).

Система управления и пуска

При приводе электрогенератора скорость должна быть постоянной при любой нагрузке. Уменьшение расхода топлива снижает температуру за камерой сгорания, уменьшая энтальпийный градиент на турбине (КПД слегка падает). Управление авиационными ГТД сложнее из-за переменных режимов полета.

Дополнительные конструктивные решения

В современных ГТД добавляют функциональные узлы для повышения КПД: рекуператоры, межступенчатое охлаждение, внезапное охлаждение, циклическая переработка тепла.

Виды газовых турбин (авиационных двигателей)

Турбореактивный (Turbojet)

Простейший авиационный ГТД. Четыре секции: компрессор, камера сгорания, турбина, сопло. Разработаны в Германии и Англии до ВВII. Воздух с высокой скоростью входит в камеру сгорания, где сгорает топливо. Турбину вращает расширяющийся газ, тяга создается ускоренными выхлопными газами.

Турбовинтовой (Turboprop)

Винт приводящийся через редуктор для оптимальных оборотов. Выше топливная эффективность и характеристики при низких скоростях — идеально для малой авиации, грузовиков, сельхозсамолетов. Винты теряют эффективность на высоких скоростях.

Турбовентиляторный (Turbofan)

Вторичный поток воздуха обтекает камеру сгорания, создавая дополнительную тягу. Современные двигатели высокоскоростных пассажирских и истребителей.

Турбовальный с форсажом (Turboshaft / Afterburning turbojet)

Преимущественно для истребителей. Форсаж (послесгорание) в ядре турбореактивного: часть энергии выхлопа вращает турбину. Дополнительное топливо впрыскивается в выхлопной тракт при включении форсажа — дополнительная тяга. Не увеличивает максимальную скорость самолета, но сжигает больше топлива.

Принцип работы газовой турбины

Цикл: впуск → сжатие → расширение → выпуск. Воздух сжимается компрессором, подается в камеру сгорания. Топливо сгорает непрерывно, образуя газ высокой температуры и давления. Воздушно-топливная смесь воспламеняется, расширяется, генерируя вращательную энергию, используемую компрессором на предварительной ступени. Остаточная энергия — на выходном валу.

Как ГТУ вырабатывает электроэнергию (пошагово):

• Воздушно-топливная смесь воспламеняется
• Горячий газ вращает лопатки турбины
• Вал вращается вместе с лопатками
• Вращение турбины приводит в действие генератор
• Магнит генератора заставляет электроны двигаться — возникает электричество

ГТУ можно объединять с паротурбинами в парогазовых циклах (PGU) для максимального КПД.

Преимущества и недостатки газовых турбин

Преимущества:

• Очень высокое соотношение мощность/масса по сравнению с поршневыми ДВС
• Меньшие габариты при равной мощности
• Меньше движущихся частей
• Гладкое вращение основного вала
• Меньше вибраций, чем у поршневых ДВС
• Тепло отводяется практически полностью с выхлопными газами
• Низкое пиковое давление сгорания (по сравнению с поршневыми)
• Низкие затраты на смазку и малый расход масла
• Многообразие применимых топлив
• Разогрев после запуска не требуется
• Меньшая начальная стоимость (капитальные затраты на кВт)
• Компактность установки

Недостатки:

• Высокая стоимость двигателя из-за экзотических материалов (сплавы на никелевой основе, керамика)
• Длительный пуск (по сравнению с поршневыми)
• Низкая отзывчивость к изменению нагрузки
• Внутренний КПД ниже, чем у современных поршневых ДВС

Заключение

Газовые турбины известны прежде всего авиационными применениями (все перечисленные типы — авиационные). Дают серьезные преимущества в большинстве сценариев и работают на химической энергии. Мы рассмотрели определение, применение, компоненты, виды, принцип работы, плюсы и минусы газовых турбин.

Статья понравилась? Делитесь с коллегами и подписывайтесь на обновления!