Загрузка...Газотурбинный двигатель: Устройство и принцип работы
Газотурбинный двигатель: Устройство и принцип работы
Сегодня среднестатистический обыватель знаком с устройством и принципом работы мотора внутреннего сгорания, а вот газотурбинный двигатель, приводит пользователя в тупик. Тем не менее принцип действия турбинного агрегата намного проще поршневого мотора. Из-за особенностей эксплуатации, первый нашёл применение в авиации, второй установлен на 90% штатных автомобилей.
По классификации, силовая установка относится к тепловым устройствам, поскольку трансформирует выделившийся напор от горения в работу механики. В противовес агрегату с поршнями, проходящее преобразование течёт в непрерывной газовой струе, а это влияет на конструкцию и эксплуатацию. Попытки установить газотурбинный мотор на машины предпринимаются постоянно, однако массового развития идея не получила.
Главная энергетическая установка ВМС США
Рисунок и схема двигателя LM-2500 американской фирмы «General Electric»
Начиная с 70-годов XX века, в мире проявилась четкая тенденция по переходу энергетики на природный газ, как основной вид топлива, и газотурбинные установки (ГТУ) в качестве ведущих силовых агрегатов для привода электрогенераторов. Развитыми странами мира выделяется существенное финансирование на работы по повышению эффективности и топливной экономичности газотурбинных установок.
Уже эксплуатируются большие ГТУ мощностью свыше 400 МВт. Температура рабочих газов современных ГТУ на входе в турбину перешла за отметку 1500 °С, что на 150/200 °С выше, чем на установках предыдущего поколения.
Нынешний период характеризуется активными работами по созданию ГТУ третьего поколения, представляющих собой компактные и одновременно мощные силовые установки для морской техники гражданского и военного назначения.
Второе поколение
Корабельные ГТД второго поколения разрабатывались на основе авиационных турбореактивных двигателей с учетом использования в морских условиях. Они имеют малый удельный расход топлива, повышенную коррозионную стойкость, меньшие, чем у ГТД первого поколения, вес и габариты, больший срок службы и повышенную надёжность. КПД этих двигателей был увеличен за счёт повышения рабочего давления, температуры цикла, а также применения эффективного охлаждения лопаток турбины.
Наиболее напряженные узлы и детали таких двигателей изготавливаются из высокопрочных коррозионно-стойких сплавов. Ротор и статор компрессора выполняются из титановых или никелевых, а компоненты турбины и камеры сгорания – из кобальтовых или никелевых сплавов. Все детали ГТД, работающие при высокой температуре (камера сгорания, лопатки турбины высокого давления, направляющие и активные лопатки первой и второй ступеней турбины низкого давления), имеют алюминизированные или хромированные пленочные покрытия, которые являются достаточно надежной защитой от высокотемпературной коррозии.
ГТД второго поколения могут работать на авиационном керосине, дизельном и дистиллятном топливах и даже природном газе. В отличие от ГТД первого поколения они выделяют незначительное количество дыма, что достигнуто благодаря применению совершенной конструкции топливных форсунок и полному его перемешиванию с воздухом в аксиальных вихревых камерах сгорания.
Американской компании «General Electric» с середины 60-х годов прошлого века удалось создать широкий типовой ряд энергетических газотурбинных установок разной мощности. Эти двигатели широко использовались на различных типах гражданских самолётов в США. Позднее их применили для создания промышленных ГТУ и судовых двигателей.
LM-2500
Эксперты считают лучшим морским ГТД второго поколения американский двигатель LM-2500 фирмы «General Electric».
Он создан на базе авиационного турбореактивного двухконтурного двигателя TF39 и является развитием серии CF6-6 той же фирмы.
ГТД представляет собой двухвальный двигатель простого цикла, в состав которого входят 16-ступенчатый компрессор, быстросъемная кольцевая камера сгорания малого диаметра, двухступенчатая турбина высокого давления и шестиступенчатая свободная силовая турбина. При нормальных эксплуатационных условиях (температура окружающего воздуха 15 °С, давление 1,03 кг/кв. см.) и теплотворной способности топлива 10 270 ккал/кг двигатель имеет максимальную длительную мощность 24 700 л. с. при 3 400 об/мин. Удельный расход топлива на этой мощности 181,9 г/л. с. ч и расход воздуха 59–65 кг/с. Длина двигателя составляет 6,25 м, вес около 3,8 т. Компрессор выполнен однороторным со степенью сжатия 17:1.
По сравнению с корабельными ГТД других типов, температура газа в двигателе LM-2500 значительно повышена, однако, благодаря эффективному охлаждению, температура его стенок оказалась ненамного выше, чем у ГТД первого поколения. Особое внимание при этом уделяется обеспечению контроля за потоком охлаждающего воздуха, уменьшению его потерь, а также контролю за радиальным зазором.
Силовая турбина представляет собой прямоточную шестиступенчатую конструкцию с небольшими окружными скоростями. Силовой вал ГТД снабжён с обеих сторон эластичными дисковыми муфтами сцепления, выравнивающими несогласованные крутящие моменты. Считается, что дисковые муфты наиболее полно удовлетворяют требованиям корабельных ГТД, так как не требуют смазки, не имеют трущихся поверхностей и обладают высокой коррозионной стойкостью. Подшипники ГТД смазываются с помощью масляных насосов синтетическим маслом.
Компрессор и корпус силовой турбины для удобства обслуживания и ремонта выполнены разъёмными, что позволяет заменять лопатки без демонтажа двигателя в целом. Кроме того, имеются смотровые отверстия для наблюдения за состоянием наиболее важных частей, а вся топливная система смонтирована снаружи двигателя.
В период стендовых испытаний ГТД LM-2500 время его безаварийной работы значительно превысило моторесурс двигателей первого поколения.
В ходе пробной эксплуатации на судне «Адмирал Коллагэн» в 1972 году этот двигатель отработал более 15 тыс. часов, из них 5 тыс. часов он работал в диапазоне мощностей 19–21 тыс. л. с. Еще одной особенностью этого ГТД является то, что, легко удалив из корабля на береговой ремонт, его можно заново установить в течение 72 часов. Развитый глобальный фирменный сервис позволяет укладываться с указанное время, что дает компании «General Electric» серьезное конкурентное преимущество перед другими производителями ГТД.
Захватив лидерство на мировом энергетическом рынке, «General Electric» последние 30 лет производит около 70 % всех выпускаемых в мире ГТУ.
В настоящее время компания выпускает судовые установки мощностью трех типов:
серия LM-2500 – мощностью от 22,4 до 33,4 МВт,
серия LM-6000 – мощностью от 42,4 до 47,5 МВт,
серия LMS-100 – мощностью 110 МВт.
Газотурбинная установка серии LM2500+G4 DLE мощностью 33 МВт.
По состоянию на конец 2018 года изготовлено порядка 2 100 судовых двигателей серии LM-2500 различных модификаций, среди которых выделяют:
• General Electric LM-2500 мощность 22,4 МВт,
• General Electric LM-2500+ мощность 31,1 МВт,
• General Electric LM-2500+G4 мощность 33,4 МВт.
Корабельный газотурбинный двигатель LM-2500 является самым массовым и надежным и используется на боевых кораблях от фрегата до авианосца. Подавляющее большинство кораблей действующего состава ВМС США оснащены этим двигателем. ГЭУ LM-2500 компании General Electric применяются на более 400 кораблях ВМС 33 стран мира с 1972 года. Более 1000 судовых двигателей LM-2500 в мире эксплуатируются ежедневно. С 1998 года ГТУ LM-2500+ применяется для оснащения коммерческих морских судов.
Типы военных кораблей и судов с ГЭУ GE LM-2500 и его модификаций
Строительство эскадренных миноносцев УРО типа «Арли Бёрк» и УДК типа «Америка» на верфи «Ingalls Shipbuilding» (США) – все корабли оснащены ГТД GE LM-2500
Корабли ВМС и Береговая охрана США:
• Океанский патрульный корабль класса «Легенда» (США) – в составе БОХР США,
• Фрегаты типа «Оливер Хазард Перри» (США) – списаны,
• Эскадренные миноносцы типа «Спрюэнс» (США) – списаны,
• Эскадренные миноносцы типа «Кидд» (США) – списаны,
• Эскадренные миноносцы УРО типа «Арли Бёрк» (США) – в составе ВМС,
• Ракетные крейсера типа «Тикондерога» (США) – в составе ВМС,
• УДК типа «Америка» (США) – в составе ВМС.
Океанский патрульный корабль класса «Легенда»
Корабли и суда других стран:
• Корветы типа «Нильс Юэль» (Дания),
• Корветы типа «Пхохан» (Южная Корея),
• Корветы типа «Саар 5» (Израиль),
• Фрегаты типа «Галифакс» (Канада),
• Фрегаты типа «Гидра» (Греция),
• Фрегаты MEKO тип «200» (Австралия и Новая Зеландия, ФРГ, Турция, Греция, Португалия, Аргентина, Малайзия, ЮАР, Алжир),
• Фрегаты серии F-122 «Брандербург» (ФРГ),
• Фрегаты серии F-123 типа «Бремен» (ФРГ),
• Фрегаты серии F-124» типа «Саксония» (ФРГ),
• Фрегаты типа «Ченг Кунг» (Тайвань),
• Фрегаты типа УРО типа «Горизонт» (Франция, Италия),
• Фрегаты типа FREMM (Франция, Италия, Марокко, Египет),
• Фрегаты типа «Альваро де Базан» (Испания),
• Фрегаты типа «Санта Мария» (Испания),
• Эскадренные миноносцы УРО типа «Асахи» (Япония),
• Эскадренные миноносцы УРО типа «Акидзуки» (Япония),
• Эскадренные миноносцы УРО типа «Таканами» (Япония),
• Эскадренные миноносцы УРО типа «Мурасамэ» (Япония),
• Эскадренные миноносцы УРО типа «Конго» (Япония),
• Эскадренные миноносцы УРО типа «Атаго» (Япония),
• Эскадренные миноносцы УРО типа KDX-I и КВЧ-II (Южная Корея),
• Эскадренные миноносцы УРО типа «Король Седжон» (Южная Корея)
• Эскадренные миноносцы типа «Луиджи Дуранд де ла Пенне» (Италия),
• Эскадренные миноносцы типа 052 (Китай),
• Эскадренные миноносцы-вертолетоносцы типа «Идзумо» (Япония),
• Эскадренные миноносцы-вертолетоносцы типа «Хюго» (Япония),
• УДК типа «Хуан Карлос» (Испания),
• УДК типа «Канберра» (Австралия),
• Авианосец «Кавур» (Италия),
• Авианосец «Принсипе де Астуриас» (Испания).
Круизные лайнеры типа «Queen Mary 2»
Круизные лайнеры типа «Queen Mary 2» оснащены ГТД GE LM-2500 (водоизмещение судна 79 300 т, размеры 345х41х72 м, осадка 10 м, экипаж 1 253 чел., пассажиры 2 695 чел.)
Пожелания о будущем ВМФ России
Вопрос унификации главных энергетических установок военных кораблей и судов стоит и перед российским ВМФ.
Такого разнообразия в морских двигателях, как у нас, нет ни на одном военно-морском флоте мира, входящем в первую десятку крупнейших морских держав.
Перспективные планы по строительству новых кораблей должны быть нацелены на максимальную унификацию большинства проектов на основе единой ГТД и дизельных двигателей.
Разработка современного отечественного авиационного двигателя ПД-14 и его более мощных модификаций – ПД-18 и ПД-35 открывает возможности по созданию на их базе морских версий ГТД нового поколения.
По данным СМИ, начаты работы по созданию на основе двигателей серии ПД газотурбинных установок для газоперекачивающих станций (ГТУ ГПС). Имеет смысл вместе с испытаниями авиационных двигателей и ГТУ ГПС уже сейчас начать разработку морских ГТД нового поколения.
Также руководству ВМФ России необходимо перед проектировщиками ставить задачу по включению указанных ГТД во все новые проекты кораблей и судов, где это экономически оправдано и целесообразно.
Модель модернизированного фрегата проекта 22350М – будущее российского ВМФ (http://bastion-karpenko.ru/22350m-skr/)
Широкая линейка унифицированных авиационных двигателей, газовых установок и морских ГТД даст существенную экономию при их эксплуатации и ремонте. Совместные центры ремонта и обслуживания позволят оперативно решать вопросы сервисного обслуживания внутри России.
Ведь везде, где есть российские военно-морские базы флота, рядом находится гражданский или военный аэродром, позволяющий обеспечить срочную доставку запчастей и новых подменных двигателей. А поставки кораблей и судов наших проектов по линии военно-технического сотрудничества помогут сформировать сервисную сеть за рубежом.
4) Volkswagen New Beetle
47-летний автолюбитель Рон Патрик установил в свой автомобиль модели Volkswagen Beetle ракетный двигатель. Мощность данной машины после ее модернизации составила 1350 л.с. Теперь максимальная скорость автомобиля составляет 225 км/час. Но в работе такого мотора есть один очень существенный минус. Этот реактивный двигатель оставляет за собой сзади горячий шлейф длинною в 15 метров.
Преимущества и недостатки
Основным преимуществом турбовального двигателя является то, что по сравнения с поршневыми двигателями он более легкий по весу, менее шумный и более мощный, если брать двигатели одного размера. Вся суть турбовального двигателя и заключается, чтоб максимально использовать энергию сгорающего топлива, по сравнению с поршневыми двигателями это реализуется лучшим образом. Тем самым в одном килограмме двигателя можно реализовать конструкцию, более мощную своих цилиндрических сородичей, которая с каждого килограмма топлива будет забирать тепловую энергию и преобразовывать ее в механическую.
Есть у турбовального двигателя и недостатки. Первый из них – сравнительно большой расход топлива и, соответственно, низкий КПД, несмотря на высокие показатели мощности. Именно этот недостаток объясняет его ограниченное применение на наземном транспорте, где его можно заменить более эффективными силовыми установками. Второй недостаток – чувствительность к загрязнениям. Компрессор, втягивая воздух в камеру сгорания, заодно всасывает и пыль, и посторонние предметы, что сказывается на качестве работы двигателя и на его исправность в целом. На высоких оборотах даже незначительные твердые частички могут повредить лопасти турбины. Поэтому ТВаД нуждается в надежной системе тщательной очистки воздуха, а расходы на нее далеко не всегда оправданы – в большинстве случаев намного проще и дешевле использовать традиционный дизель. Это еще одна причина, по которой эти двигатели в основном используются в воздухе: там и грязи меньше, и птицы летают ниже высоты полета, так что нормальной работе компрессора и турбины ничего не мешает. Зато масса ТВаД намного меньше любого поршневого двигателя, а это в авиации немаловажно.
Турбовальные двигатели – это действительно в первую очередь «сердца» вертолетов, а уж потом все остальное. Именно эти стальные «стрекозы» дают возможность оценить основные преимущества ТВаД, ну а недостатки в этом случае совсем незначительны.
Классификация и принцип работы
Электростанции встречаются в следующих вариантах:
- Мини-установки. Основная их функция заключается в выработке тепловой и электроэнергии. Отличительная особенность – сравнительно компактные габариты и невысокий уровень шума, что позволяет располагать такую станцию в непосредственной близости от потребителя. Газотурбинные автономные электростанции этого вида могут функционировать в двух режимах:
- Когенерация – может применяться в отопительных системах, при этом установка вырабатывает горячий пар и воду;
- Тригенерация – задействуется по большей части в системах вентиляции.
Средний уровень КПД составляет приблизительно 95%. Высокая степень эффективности позволяет отнести газотурбинные разнотипные электростанции в разряд экономически-выгодного оборудования.
- Мобильные установки представляют собой передвижную технику, при этом они имеют довольно большую мощность. Дополнительный их плюс – в способности использовать топливо разной структуры: газообразное и жидкое. Газотурбинные автономные электростанции допускают применение керосина, дизельного топлива, биогаза, нефтяного, природного и шахтного газа.
Принцип работы таких силовых установок во многом схож с работой газового электрогенератора, только в отличие от последнего газотурбинные разнотипные электростанции вместо двигателя оснащены газовыми турбинами. Подаваемый в компрессор воздух под высоким давлением отправляется далее в камеру сгорания, где смешивается с топливом.
Газообразная среда воспламеняется, а по мере сгорания образуется энергия, которая представляет собой поток газов под высокой температурой. Именно этот поток приводит в движение турбину, которая по мере вращения продуцирует механическую энергию.
И уже на последнем этапе вал турбины воздействует на генератор, ответственный за выработку электрической энергии, которая через трансформатор подается на выход потребителю.
От большого к малому
Новые технологии позволяют создавать двигатели не только гигантских, но и маленьких (и даже очень маленьких) размеров. Японская фирма IHI Aerospace производит переносной газотурбинный генератор Dynajet 2.6 мощностью 2,6 кВт и массой 67 кг. Впрочем, это далеко не предел — двигатель, созданный Швейцарским федеральным технологическим институтом (ETH Zurich), имеет размер всего несколько сантиметров и может генерировать почти 100 Вт электроэнергии на протяжении нескольких дней. Но дальше всех в направлении миниатюризации зашли исследователи Массачусетского технологического института (MIT), которые разработали газотурбинный двигатель размером всего около 1 мм.
Несмотря на столь внушительную разницу в размерах между таким гигантом, как GE90, и миллиметровым двигателем MIT, при ближайшем рассмотрении оказывается, что у них есть очень много общего. По конструкции они похожи: компрессор, камера сгорания и турбина, которая приводится в движение струей продуктов сгорания. Топливо впрыскивается в поток на выходе из компрессора, смешивается с воздухом, сгорает и вращает турбину, которая приводит в движение компрессор и генератор. Однако, разумеется, создание столь малого газотурбинного двигателя ставит перед конструкторами множество задач, с которыми не приходится сталкиваться создателям традиционных ГТД.
Турбовальный двигатель
Должно быть, большинство читателей здесь вообще впервые слышат такое название. Такой тип двигателей устанавливается на вертолёты.
Турбовальный двигатель очень схож с турбовинтовым двигателем со свободной турбиной. Он также состоит из компрессора, камеры сгорания, турбины компрессора, далее идёт свободная турбина, связанная со всем предыдущем только газодинамически. А вот реактивную тягу такой двигатель не создаёт, реактивного сопла у него нет, только выхлоп. Свободная турбина имеет свой вал, который соединяется к главному редуктору вертолёта (несущего винта). Да, у всех известных мне вертолетов есть такой редуктор, и, как правило, он внушительных размеров. Дело в том, что обороты несущего винта вертолёта очень низкие. Если у самолета, как я писал выше, они могут достигать 1500 об/мин, то у вертолёта, например у Ми-8, всего 193 об/мин.
А обороты двигателя у вертолёта зачастую очень высокие (из-за небольших размеров), и понижать их приходится в сотню и более раз. Бывает такое, что редуктор стоит и на двигателе, и на самом вертолете, например, у Ми-2 и его двигателя ГТД-350.
Схематичная конструкция турбовального двигателя
Двигатель ТВ3-117 от вертолета Ми-8. Справа видны выхлопная труба и приводной вал
Итак, мы рассмотрели четыре типа газотурбинных двигателей. Надеюсь, мой текст был понятен и полезен для вас. Все вопросы и замечания можете писать в комментариях.
