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.

Газотурбинные установки (ГТУ).
Принципиальные схемы.

Принципиальные схемы газотурбинных установок

Рисунок 1 — Схема ГТУ с одновальным ГТД простого цикла
1 — компрессор; 2 — камера сгорания; 3 — турбина; 4 — нагрузка

Рисунок 2 — Схема ГТУ с одновальным ГТД регенеративного цикла
1 — регенератор или рекуператор; 2 — камера сгорания; 3 — компрессор;
4 — турбина; 5 — нагрузка

Рисунок 3 — Схема ГТУ с многовальным ГТД простого цикла
со свободной силовой турбиной

1 — камера сгорания; 2 — компрессор; 3 — турбина;
4 — силовая турбина; 5 — нагрузка

Примечание — Пунктиром показана альтернативная
двухкаскадная компоновка ГТД

Рисунок 4 — Схема ГТУ с многовальным ГТД сложного цикла
(с промежуточным охлаждением и промежуточным подогревом)

1 — основная камера сгорания; 2 — компрессор высокого давления;
3 — турбина высокого давления; 4 — промежуточный охладитель;
5 — камера сгорания промежуточного подогрева; 6 — компрессор низкого давления;
7 — турбина низкого давления; 8 — нагрузка

Примечание — Отбор мощности от ГТД осуществляется
с вала ротора низкого давления

Рисунок 5 — Схема ГТУ с одновальным ГТД с отборами воздуха и горячего газа

1 — камера сгорания; 2 — компрессор; 3 — турбина; 4 — нагрузка

Рисунок 6 — Схема ГТУ с одновальным ГТД замкнутого цикла

1 — предварительный охладитель; 2 — подогреватель рабочего тела;
3 — компрессор низкого давления; 4 — компрессор высокого давления;
5 — турбина; 6 — нагрузка; 7 — промежуточный охладитель

Схема и принцип действия газотурбинного двигателя

Газотурбинным двигателем (ГТД) согласно стандарту 23851-79 (Авиационные газотурбинные двигатели. М.:Изд-во стандартов,1979.) называют тепловую машину, в которой энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию струи и в механическую работу на валу. Основными элементами ГТД являются компрессор, камера сгорания и газовая турбина(рис.3.1).

Рис.3.1. Принципиальная схема газотурбинного двигателя:

к – компрессор; кс – камера сгорания; т – газовая турбина;

п – потребитель механической работы; G_т – расход топлива;

В-В – обозначение проходного сечения для воздуха на входе в

компрессор; К-К – то же на выходе из компрессора;

Г-Г – то же для газов на входе в турбину; Т-Т – то же для выхода из

Принцип действия ГТД следующий.

1. Воздух из атмосферы поступает в компрессор (сечение «В-В»), где происходит сжатие воздуха (плотность, давление и температура возрастают). Если компрессор идеальный (трение и теплообмен отсутствуют), то сжатие воздуха осуществляется в адиабатном процессе ( ), показатель адиабаты к=1.4.

Отношение давления воздуха на выходе из компрессора к давлению на входе называется степенью повышения давления в компрессоре: .

2. Из компрессора (сечение «К-К») воздух поступает в камеру сгорания, где при постоянном давлении происходит подвод тепла к потоку воздуха при горении топлива. В результате подогрева в камере сгорания газ на её выходе имеет высокую температуру. Отношение температуры газа на выходе из камеры сгорания к температуре атмосферного воздуха называется степенью подогрева воздуха в двигателе: .

3. Из камеры сгорания газ поступает в турбину (сечение «Г-Г»), где происходит расширение газа (плотность газа уменьшается). Если турбина идеальная, то процесс расширения принимается адиабатным. Показатель адиабаты газа равен 1.33.

В процессе расширения газа в турбине тепловая энергия преобразуется в механическую работу на валу, примерно 2/3 которой направляется для вращения компрессора, а 1/3 направляется потребителю (воздушному винту, для вращения дополнительного компрессора, для вращения электрогенератора и т.п.).

4. Из турбины (сечение «Т-Т») газ направляется в выходной канал двигателя. Таким образом, ГТД представляет собой открытую термодинамическую систему, в которой реализуется цикл Брайтона (рис.2.11, 2.12).

3.2. Схема и принцип действия турбореактивного двигателя.

Турбореактивным двигателем (или двигателем прямой реакции) в соответствии с ГОСТ 23851-79 называют ГТД, в котором преобладающая часть энергии сгорания топлива преобразуется в кинетическую энергию струи (рис.3.2). ТРД имеет следующие основные элементы: входное устройство, компрессор, камеру сгорания, турбину и выходное устройство.

Во входном устройстве ТРД в полете воздушного судна (ВС) происходит предварительное сжатие набегающего на двигатель воздушного потока (скорость уменьшается, плотность, давление и температура возрастают). В зависимости от скорости полета ВС входные устройства разделяются на дозвуковые ( ), трансзвуковые ( ) и сверхзвуковые ( ).

Рабочий процесс в компрессоре и камере сгорания ТРД совпадает с таким для ГТД. Расширение газа в турбине происходит до давления больше атмосферного , уровень которого определяется приближенно из

равенства развиваемой турбиной мощности ( ) и необходимой для вращения компрессора мощности ( ). Здесь расход газа в турбине и расход воздуха в компрессоре; механическая работа на валу турбины и на валу компрессора. Механическая работа на валу турбины

используется также для привода вспомогательных агрегатов обслуживающих двигатель систем.

В выходном устройстве ТРД осуществляется дальнейшее расширение газа (плотность, давление и температура уменьшаются, а скорость увеличивается). В зависимости от величины скорости истечения газа из реактивного сопла этого элемента ТРД они разделяются на дозвуковые ( ) и сверхзвуковые ( ).

Для иллюстрации рабочего процесса ТРД используются диаграммы «давление – удельный объём» и «энтальпия – энтропия» (рис.3.3).

Рис.3.2. Схема турбореактивного двигателя:

1 – входное устройство (воздухозаборник); 2 – компрессор;

3 – камера сгорания; 4 – турбина; 5 – выходное устройство

вх,в,к,г,т,с – обозначения контрольных сечений проточной

Рис.3.3. Изображение рабочего процесса ТРД в (а) и (б)

диаграмма позволяет показать площади фигур, соответствующих механическим работам. Например, площадь фигуры на рис.3.3(а) эквивалентна работе предварительного сжатия во входном устройстве двигателя

, площадь фигуры на этом же рисунке соответствует работе сжатия в компрессоре , где степень повышения давления во входном устройстве и в компрессоре.

Площадь фигуры эквивалентна работе расширения газа в турбине , площадь фигуры эквивалентна работе расширения газа в реактивном сопле выходного устройства , где степень понижения (расширения) давления газа в турбине и в реактивном сопле выходного устройства.

диаграмма представляет те же написанные выше механические работы в виде разности энтальпий (теплосодержаний) или отрезков на рис.3.3(б). Например, количество теплоты, подведенное к потоку воздуха в камере сгорания; количество теплоты, отведенной в атмосферу с выхлопными газами.

При истечении газа в атмосферу согласно третьему закону Ньютона образуется реактивная сила, называемая тягой ТРД – равнодействующая сил

давления и трения, действующих на внутренние поверхности двигателя. Величина тяги определяется по формуле Б.С. Стечкина:

(3.1)

где тяга ТРД, Н; расход воздуха через двигатель, кг/с; средняя скорость истечения газа из реактивного сопла, м/с; скорость полета ВС.