Принцип работы газотурбинного двигателя

Газотурбинный двигатель. 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. В поршневых же двигателях процессы сжатия воздуха, подвода теплоты к рабочему телу и расширения, последовательно чередуясь, осуществляются в одном месте — рабочем цилиндре.

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).

Наиболее простая принципиальная схема одновального турбинного двигателя, используемого на газотурбовозах, представлена на рис. 5.

Сжигание топлива производится в специальной камере сгорания 8. Топливо в нее через форсунку подается насосом 3. Воздух, необходимый для горения топлива, поступает в двигатель через управляемое воздухозаборное устройство 6. Установленный на одном валу 4 с рабочим колесом газовой турбины 2, воздушный компрессор 5 сжимает его и подает в камеру сгорания 8. Продукты горения топлива из камеры сгорания, проходя через направляющий аппарат 9, поступают на лопатки рабочего колеса 2 и далеепо газоотводу 10 в атмосферу. Газовая турбина, имеющая рабочие органы в виде лопаток со специальным профилем, закрепленных на рабочем колесе 2, работает с высокой частотой вращения (100... 250 с^-1), приводя в действие как воздушный компрессор 5, так и свободный вал 4 для передачи мощности потребителю 11. Для запуска ГТД служит специальный пусковой двигатель 12, который начинает проворачивать свободный вал 4, а электрическая свеча 7 осуществляет первоначальное зажигание топлива в камере сгорания 8. Применение в турбине нескольких последовательно расположенных рядов рабочих колес с лопатками позволяет более полно использовать энергию отработавших газов и увеличить ее мощность.

Газовые турбины уступают по экономичности поршневым двигателям внутреннего сгорания, особенно при работе с неполной нагрузкой. Кроме того, они отличаются большой теплонапряженностью лопаток рабочего колеса, которые непрерывно работают в высокотемпературной среде. Температура продуктов сгорания топлива достигает 1 800... 2000 °С и выше. Охлаждающей средой ГТД является только воздух, который подается значительными объемами в камеру сгорания. Другие способы отвода тепла от лопаток рабочего колеса сложны и малоэффективны. В силу этого обстоятельства привод воздушного компрессора, подающего воздух в камеру сгорания, требует больших затрат мощности, до 60... 70 % от полной мощности ГГД.

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.