Классификация газотурбинных двигателей

Газотурбинным двигателем (ГТД) называют такой тепловой двигатель, в котором происходит преобразование кинетической и тепловой энергии потока продуктов сгорания органического топлива в механическую энергию вращения ротора газовой турбины.

Газотурбинной энергетической установкой (ГТУ) называется комплекс технических средств, предназначенный для преобразования кинетической и тепловой энергии горячего газа в механическую энергию вращения ротора.

Для газотурбинной установки характерны следующие термодинамические процессы:

• сжатие рабочего тела в компрессоре;
• подогрев рабочего тела теплотой, получаемой из внешнего источника;
• преобразование энергии рабочего тела при его расширении в газовой турбине в кинетическую энергию струи газа с последующим преобразованием в ее механическую работу и передача механической работы потребителю;
• охлаждение рабочего тела до состояния, соответствующего входу в компрессор.

Особенностями рабочего процесса в газотурбинном двигателе является непрерывное вращение рабочих лопаток и разгон потока рабочего тела до больших скоростей.

Судовые и корабельные газотурбинные двигатели можно классифицировать по следующим признакам:

по использованию ГТД в составе СЭУ:

• на главные, используемые для обеспечения движения судна;
• вспомогательные, используемые для получения тепловой и электрической энергии (газотурбогенераторы – ГТГ).

В свою очередь главные ГТД разделяются на:

• маршевые, используемые на экономических ходах в целях обеспечения установленной дальности плавания;
• форсажные (ГТД полного хода), предназначенные для обеспечения хода от экономического до полного;
• всережимные, используемые на всех режимах работы ГЭУ;

по конструкции проточной части:

• на активные, в которых преобразование энергии потока газа происходит только в направляющем аппарате;
• реактивные, в которых преобразование энергии потока газа происходит как в направляющем аппарате, так и в каналах рабочих лопаток);
• смешанные, сочетающие в себе как активную, так и реактивную части;

по блокированию турбин и компрессоров:

• с блокированными турбинами и компрессорами;
• со свободной пропульсивной турбиной (турбиной винта);

(в судовых ГТД максимально используемое число компрессоров – 2, максимально используемое число турбин – 3);

по использованию в термодинамическом цикле теплообменных аппаратов:

• без использования теплообменных аппаратов;
• с регенератором;
• с промежуточными охладителями воздуха;
• с промежуточным подогревом газа;
• с котлом-утилизатором;
• комбинированные (с использованием нескольких видов теплообменных аппаратов);

по току рабочего тела в компрессорах и турбинах:

• на прямоточные, в которых воздух и продукты сгорания движутся вдоль оси двигателя последовательно через проточные части компрессоров, камеры сгорания, проточные части турбин, без изменения направления движения;
• непрямоточные: в состав таких двигателей (установок) входят регенераторы, промежуточные охладители воздуха и другие теплообменные аппараты, при протекании через которые воздух и продукты сгорания меняют направление своего движения;

по направлению потока рабочего тела в проточной части:

• на осевые, в которых поток воздуха в компрессоре или газа в турбине движется вдоль оси двигателя;
• радиальные, в которых поток воздуха (газа) при входе в ступень компрессора (турбины) движется вдоль оси двигателя, а выходит из ступени в направлении, перпендикулярном оси двигателя;

по расположению турбин относительно компрессоров:

• с прямым соединением турбомашин, когда турбина соединена с валом одноименного компрессора (ТВД – КВД, ТНД – КНД);
• с перекрестным соединением турбомашин;
• с полуперекрестным соединением турбомашин;

по расположению пропульсивной турбины:

• с пропульсивной турбиной высокого давления;
• с пропульсивной турбиной среднего давления;
• с пропульсивной турбиной низкого давления;

по возможности осуществления реверса:

• реверсивные двигатели с турбиной заднего хода;
• реверсивные с двухъярусными лопатками и разделением потоков;
• с реверсивными центростремительными турбинами;
• нереверсивные;

по кратности циркуляции рабочего тела:

• с однократной циркуляцией – ГТД открытого цикла, обычно используемые в качестве судовых и корабельных двигателей;
• с многократной циркуляцией – ГТД закрытого цикла, используемые в ядерных газотурбинных установках;

по виду производимой работы:

• ГТД по выработке механической энергии, работающие на водяной или воздушный винт, либо приводящие в действие электрогенераторы;
• ГТД по выработке газодинамической энергии – турбореактивные двигатели;

по роду используемого топлива:

• ГТУ, работающие на природном органическом топливе;
• ГТУ, использующие ядерное топливо. Такие установки называются ЯГТУ – ядерными газотурбинными установками. Они в свою очередь могут быть одноконтурными и многоконтурными. Вместо камеры сгорания нагрев газа происходит в активной зоне газоохлаждаемого ядерного реактора, а после совершения работы в газовой турбине газ направляется в регенератор и охладитель;

по роду рабочего тела:

• с использованием воздуха (как правило, ГТД открытого цикла);
• с использованием инертных газов – водорода, гелия, азота, углекислого газа – для перспективных ЯГТУ закрытого цикла.

ГТД прямоточного типа (рис. 41 и 42) получили широкое распространение в составе СЭУ на судах и кораблях различных классов и назначений, а также в некоторых отраслях стационарной энергетики. Эти ГТД, несмотря на меньшие значения КПД, обладают малыми массогабаритными показателями, большими значениями удельных мощностей, просты в эксплуатации, обладают отличными маневренными характеристиками. Все эти свойства прямоточных ГТД определили их применение на скоростных военных кораблях (в качестве маршевых и форсажных двигателей) и на судах с динамическими принципами поддержания (СВП и СПК), используемых в качестве скоростных пассажирских судов.

ГТД непрямоточного типа (рис. 43) характеризуются значительно большей массой, чем прямоточные установки. Наиболее важным свойством установок непрямоточного типа следует считать высокую экономичность, приближающуюся к экономичности дизельных установок, меньшие расходы топлива и возможность работы на тяжелых и дешевых сортах топлива. Поэтому такие типы ГТУ устанавливают в первую очередь на судах транспортного флота.

Литература

Судовые энергетические установки. Дизельные и газотурбинные установки. Болдырев О.Н. [2003]

Газотурбинный двигатель. Фото. Строение. Характеристики.

Авиационные газотурбинные двигатели.

На сегодняшний день, авиация практически на 100% состоит из машин, которые используют газотурбинный тип силовой установки. Иначе говоря – газотурбинные двигатели. Однако, несмотря на всю возрастающую популярность авиаперелетов сейчас, мало кто знает каким образом работает тот жужжащий и свистящий контейнер, который висит под крылом того или иного авиалайнера.

Принцип работы газотурбинного двигателя.

Газотурбинный двигатель, как и поршневой двигатель на любом автомобиле, относится к двигателям внутреннего сгорания. Они оба преобразуют химическую энергию топлива в тепловую, путем сжигания, а после — в полезную, механическую. Однако то, как это происходит, несколько отличается. В обоих двигателях происходит 4 основных процесса – это: забор, сжатие, расширение, выхлоп. Т.е. в любом случае в двигатель сначала входит воздух (с атмосферы) и топливо (из баков), далее воздух сжимается и в него впрыскивается топливо, после чего смесь воспламеняется, из-за чего значительно расширяется, и в итоге выбрасывается в атмосферу. Из всех этих действий выдает энергию лишь расширение, все остальные необходимы для обеспечения этого действия.

А теперь в чем разница. В газотурбинных двигателях все эти процессы происходят постоянно и одновременно, но в разных частях двигателя, а в поршневом – в одном месте, но в разный момент времени и по очереди. К тому же, чем более сжат воздух, тем большую энергию можно получить при сгорании, а на сегодняшний день степень сжатия газотурбинных двигателей уже достигла 35-40:1, т.е. в процессе прохода через двигатель воздух уменьшается в объеме, а соответственно увеличивает свое давление в 35-40 раз. Для сравнения в поршневых двигателях этот показатель не превышает 8-9:1, в самых современных и совершенных образцах. Соответственно имея равный вес и размеры газотурбинный двигатель гораздо более мощный, да и коэффициент полезного действия у него выше. Именно этим и обусловлено такое широкое применения газотурбинных двигателей в авиации в наши дни.

А теперь подробней о конструкции. Четыре вышеперечисленных процесса происходят в двигателе, который изображен на упрощенной схеме под номерами:

• забор воздуха – 1 (воздухозаборник)
• сжатие – 2 (компрессор)
• смешивание и воспламенение – 3 (камера сгорания)
• выхлоп – 5 (выхлопное сопло)
• Загадочная секция под номером 4 называется турбиной. Это неотъемлемая часть любого газотурбинного двигателя, ее предназначение – получение энергии от газов, которые выходят после камеры сгорания на огромных скоростях, и находится она на одном валу с компрессором (2), который и приводит в действие.

Таким образом получается замкнутый цикл. Воздух входит в двигатель, сжимается, смешивается с горючим, воспламеняется, направляется на лопатки турбины, которые снимают до 80% мощности газов для вращения компрессора, все что осталось и обуславливает итоговую мощность двигателя, которая может быть использована разными способами.

В зависимости от способа дальнейшего использования этой энергии газотурбинные двигатели подразделяются на:

• турбореактивные
• турбовинтовые
• турбовентиляторные
• турбовальные

Двигатель, изображенный на схеме выше, является турбореактивным. Можно сказать «чистым» газотурбинным, ведь газы после прохождения турбины, которая вращает компрессор, выходят из двигателя через выхлопное сопло на огромной скорости и таким образом толкают самолет вперед. Такие двигатели сейчас используются в основном на высокоскоростных боевых самолетах.

Турбовинтовые двигатели отличаются от турбореактивных тем, что имеют дополнительную секцию турбины, которая еще называется турбиной низкого давления, состоящую из одного или нескольких рядов лопаток, которые отбирают оставшуюся после турбины компрессора энергию у газов и таким образом вращает воздушный винт, который может находится как спереди так и сзади двигателя. После второй секции турбины, отработанные газы выходят фактически уже самотеком, не имея практически никакой энергии, поэтому для их вывода используются просто выхлопные трубы. Подобные двигатели используются на низкоскоростных, маловысотных самолетах.

Турбовентиляторные двигатели имеют схожую схему с турбовинтовыми, только вторая секция турбины отбирает не всю энергию у выходящих газов, поэтому такие двигатели также имеют выхлопное сопло. Но основное отличие состоит в том, что турбина низкого давления приводит в действия вентилятор, который закрыт в кожух. Потому такой двигатель еще называется двуконтурным, ведь воздух проходит через внутренний контур (сам двигатель) и внешний, который необходим лишь для направления воздушной струи, которая толкает двигатель вперед. Потому они и имеют довольно «пухлую» форму. Именно такие двигатели применяются на большинстве современных авиалайнеров, поскольку являются наиболее экономичными на скоростях, приближающихся к скорости звука и эффективными при полетах на высотах выше 7000-8000м и вплоть до 12000-13000м.

Турбовальные двигатели практически идентичны по конструкции с турбовинтовыми, за исключением того, что вал, который соединен с турбиной низкого давления, выходит из двигателя и может приводить в действие абсолютно что угодно. Такие двигатели используются в вертолетах, где два-три двигателя приводят в действие единственный несущий винт и компенсирующий хвостовой пропеллер. Подобные силовые установки сейчас имеют даже танки – Т-80 и американский «Абрамс».

Газотурбинные двигатели имеют классификацию также по другим при знакам:

• по типу входного устройства (регулируемое, нерегулируемое)
• по типу компрессора (осевой, центробежный, осецентробежный)
• по типу воздушно-газового тракта (прямоточный, петлевой)
• по типу турбин (число ступеней, число роторов и др.)
• по типу реактивного сопла (регулируемое, нерегулируемое) и др.

Турбореактивный двигатель с осевым компрессором получил широкое применение. При работающем двигателе идет непрерывный процесс. Воздух проходит через диффузор, притормаживается и попадает в компрессор. Затем он поступает в камеру сгорания. В камеру через форсунки подается также топливо, смесь сжигается, продукты сгорания перемещаются через турбину. Продукты сгорания в лопатках турбины расширяются и приводят ее во вращение. Далее газы из турбины с уменьшенным давлением поступают в реактивное сопло и с огромной скоростью вырываются наружу, создавая тягу. Максимальная температура имеет место и на воде камеры сгорания.

Компрессор и турбина расположены на одном валу. Для охлаждения продуктов сгорания подается холодный воздух. В современных реактивных двигателях рабочая температура может превышать температуру плавления сплавов рабочих лопаток примерно на 1000 °С. Система охлаждения деталей турбины и выбор жаропрочных и жаростойких деталей двигателя — одни из главных проблем при конструировании реактивных двигателей всех типов, в том числе и турбореактивных.

Особенностью турбореактивных двигателей с центробежным компрессором является конструкция компрессоров. Принцип работы подобных двигателей аналогичен двигателям с осевым компрессором.

Газотурбинный двигатель. Видео.