Га́зовая турби́на ( от  — вихрь, вращение) — лопаточная машина, в которой энергия сжатого и/или нагретого газа преобразуется в механическую работу вращения вала. — «Газовая турбина: компонент газотурбинного двигателя, преобразующий потенциальную энергию нагретого рабочего тела под давлением в механическую работу»..

Основными элементами конструкции являются ротор (включающий вал, рабочие лопатки, закреплённые на дисках, уплотнения) и статор (включающий направляющие лопатки, закреплённые в корпусе, сам корпус, уплотнения).

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

История

Попытки создать механизмы, похожие на турбины, делались очень давно. Известно описание примитивной паровой турбины, сделанное Героном Александрийским (I век ).

В восемнадцатом веке англичанин Джон Барбер получил патент на устройство, которое имело большинство элементов, присутствующих в современных газовых турбинах. В конце XIX века, когда термодинамика, машиностроение и металлургия достигли достаточного уровня, Густав Лаваль (Швеция) и Чарлз Парсонс (Великобритания) независимо друг от друга создали пригодные для промышленного использования паровые турбины.

Первую в мире газовую реверсивную турбину сконструировал русский инженер и изобретатель Павел Дмитриевич Кузьминский в 1887 году. Его 10-ступенчатая турбина работала на парогазовой смеси, получаемой в созданной им же в 1894 году камере сгорания — «газопаророде».. Кузьминский применил охлаждение камеры сгорания водой. Вода охлаждала её 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. В 1892 году П. Д. Кузьминский испытал турбину и предложил её военному министерству в качестве двигателя для дирижабля его собственной конструкции. В 1897 году на Петербургском патронном заводе была построена действующая газовая турбина, которую Кузьминский готовил к демонстрации на Всемирной выставке в Париже в 1900 году, однако он не дожил до открытия выставки несколько месяцев.

Одновременно с Кузьминским опыты с газовой турбиной (в качестве перспективного двигателя для торпед) проводил также Чарлз Парсонс, однако вскоре он пришёл к выводу, что имеющиеся сплавы из-за низкой жаропрочности не позволяют создать надёжный двигатель приводимый в движение струёй горячих газов — продуктов сгорания топлива, либо парогазовой смесью, после чего сосредоточился на создании паровых турбин.

Принцип работы

Газ под высоким давлением поступает через сопловой аппарат турбины в область низкого давления, при этом расширяясь и ускоряясь. Далее поток газа попадает на рабочие лопатки турбины, отдавая им часть своей кинетической энергии. Рабочие лопатки передают крутящий моменткрутящий момент через диски турбины на вал.

Обычное применение газовых турбин — привод электрических генераторов.

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

Упорные и радиальные подшипники являются критическими элементами конструкции. Традиционно используются гидродинамические или охлаждаемые маслом шарикоподшипники. По максимальной скорости вращения эти подшипники превзошли газодинамические подшипники, которые успешно используются в высокооборотных микротурбинах и вспомогательных силовых установках.

Типы газовых турбин Газовые турбины часто используются во многих ракетах на жидком топливе для привода турбонасосов, что позволяет хранить компоненты жидкого топлива в легких тонкостенных резервуарах с низким давлением, что снижает вес ракеты.

Промышленные газовые турбины для производства электричества

Отличие промышленных газовых турбин от турбин авиационных двигателей в том, что их масса и размеры значительно выше, они имеют корпус, подшипники и лопасти более массивные.

По размерам промышленные турбины варьируются от компактных, устанавливаемых на грузовики мобильных турбин до очень больших энергетических турбин. Чаще всего газовые турбины на электростанциях применяются в комбинированном парогазовом цикле, при котором в котле-утилизаторе производится выработка пара теплом выхлопных газов газовой турбины. Выработанный в котле-утилизаторе пар подаётся на паровую турбину, вращающую электрический генератор для дополнительной выработки электроэнергии, вырабатываемой генератором, приводимым во вращение газовой турбиной. Такие установки могут иметь высокий КПД — до Кроме того, газовая турбина может работать в когенераторных применениях : выхлопные газы турбины используется для подогрева воды в системе теплоснабжения для горячего водоснабжения и отопления, а также с использованием абсорбционных холодильных машин для систем хладоснабжения.

Одновременное использование выхлопного горячего газа от газовой турбины для получения тепла и холода называется режимом тригенерации. КПД таких установок — газотурбинных ТЭЦ может быть очень высоким и доходить до но эффективность их применения напрямую зависит от потребности в тепловой энергии (отопление, горячее водоснабжение, вентиляция и кондиционирование), которая непостоянна в течение года и зависит от погодных условий. Чем больше потребность в тепловой энергии — тем выше КПД ТЭЦ.

Газовые турбины простого цикла — без парогенерации, выпускаются большой и малой мощности. Одно из их преимуществ — способность выходить на рабочий режим в течение нескольких минут, что позволяет использовать для покрытия пиковых нагрузок. Поскольку турбины простого цикла менее энергоэффективны, чем электростанции комбинированного цикла, они обычно используются только как пиковые электростанции и работают от нескольких часов в день до нескольких десятков часов в год, в зависимости от потребности в электроэнергии и генерирующей ёмкости. В местностях с малой базовой нагрузкой, и на электростанциях, где электрическая мощность зависит от нагрузки, газотурбинная установка может регулярно работать в течение большей части суток.

Микротурбины

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

Преимущества и недостатки газотурбинных двигателей

Преимущества Очень высокое отношение мощности к весу, по сравнению с поршневым двигателем. Возможность дополнительного получения водяного пара (в отличие от поршневого двигателя). В сочетании с паровым котлом и паровой турбиной — более высокий КПД по сравнению с поршневым двигателем, что обуславливает их использование на электростанциях. Отсутствие частей совершающих возвратно-поступательные движения, в отличие от поршневого двигателя, что снижает вибрации. Меньшее количество движущихся частей, чем у поршневого двигателя. Существенно меньше выбросов вредных веществ, по сравнению с поршневыми двигателями Низкое потребление смазочного масла. Низкие требования к качеству топлива. газовые турбины могут принципиально работать на любом горючем, которое можно распылить: газе, нефтепродуктах, органических веществах, пылеобразный угле. Высокая готовность к работе и широкий диапазон регулирования мощности.

Недостатки Стоимость намного выше, чем у аналогичных по размерам поршневых двигателей, поскольку материалы, применяемые в турбине, должны иметь высокую жаростойкость и жаропрочность, а также высокую удельную прочность. Механическая обработка и производство деталей более сложные. При любом режиме работы имеют меньший КПД, чем поршневые двигатели (КПД на номинальной нагрузке — до при этом КПД поршневых двигателей может достигать Для повышения КПД энергетической установки требуются применение дополнительной паровой турбины. Низкий механический и электрический КПД (удельное потребление топлива на выработку электроэнергии больше в 1,5 раза по сравнению с поршневым двигателем). Существенное снижение КПД на малых нагрузках (в отличие от поршневого двигателя). Необходимость использования газа высокого давления, что обуславливает необходимость применения нагнетающих компрессоров дополнительно потребляющих энергию что вызывает падением общей эффективности. Необходимость применения дорогих жаропрочных сплавов. Более длительный запуск, чем у поршневых двигателей внутреннего сгорания. Снижение ресурса при многократных пусках-остановках.

Эти недостатки объясняют, почему в транспортных средствазх, которые меньше, дешевле и требуют меньше регулярного обслуживания, чем танки, вертолеты и крупные катера, не используются газотурбинные двигатели, несмотря на неоспоримые преимущества в удельной мощности.

См. также ГТ-МГР (Модульный гелиевый реактор)

Ссылки

Литература Дейч М. Е. Техническая газодинамика. — М.: Энергия, 1974. Дейч М. Е. Газодинамика решёток турбомашин. — М.: Энергоатомиздат, 1996. Butz, J. S. Powerplants — Piston & Turbine. // Flying Magazine. — November 1963. — Vol. 73 — No. 5 — P. 33-36, 102—104.

Примечания

Категория:Газовые турбины