«Наддувши», «турбореактивні», «турбогвинтові», - ці терміни міцно увійшли в лексикон інженерів XX століття, що займаються проектуванням і обслуговуванням транспортних засобів і стаціонарних електричних установок. Їх застосовують навіть у суміжних областях і рекламі, коли хочуть надати назвою продукту якийсь натяк на особливу потужність і ефективність. В авіації, ракетах, кораблях і на електростанціях найчастіше застосовується газова турбіна. Як вона влаштована? Чи працює на природному газі (як можна подумати з назви), і якими взагалі вони бувають? Чим турбіна відрізняється від інших типів двигуна внутрішнього згоряння? У чому її переваги і недоліки? Спроба якомога повніше відповісти на ці питання зроблена в цій статті.
Російський машинобудівний лідер ОДК
Росії, на відміну від багатьох інших незалежних держав, що утворилися після розпаду СРСР, вдалося значною мірою зберегти машинобудівну промисловість. Зокрема, виробництвом силових установок особливого призначення займається фірма «Сатурн». Газові турбіни цієї компанії знаходять застосування в суднобудуванні, сировинної галузі та енергетики. Продукція високотехнологічна, вона вимагає особливого підходу при монтажі, налагодженні та експлуатації, а також спеціальних знань і дорогої оснастки при плановому обслуговуванні. Всі ці послуги доступні замовникам фірми «ОДК - Газові турбіни», так сьогодні вона називається. Таких підприємств в світі не так вже й багато, хоча принцип пристрою головною продукції на перший погляд нескладний. Має велике значення накопичений досвід, що дозволяє враховувати багато технологічні тонкощі, без чого домогтися довговічною і надійної роботи агрегату неможливо. Ось лише частина асортименту продукції ОДК: газові турбіни, електростанції, агрегати для перекачування газу. Серед замовників - "Росатом", "Газпром" і інші «кити» хімічної промисловості та енергетики.
Виготовлення таких складних машин вимагає в кожному випадку індивідуального підходу. Розрахунок газової турбіни в даний час повністю автоматизований, але мають значення матеріали і особливості монтажних схем в кожному окремому випадку.
А починалося все так просто ...
Пошуки і пар
До перших спроб перетворення поступальної енергії потоку у обертальну силу людство провело ще в глибоку давнину, застосувавши звичайне водяне колесо. Все гранично просто, зверху вниз тече рідина, в її потік поміщаються лопатки. Колесо, забезпечене ними по периметру, крутиться. Так само працює і вітряк. Потім настав століття пара, і обертання колеса пришвидшується. До речі, так званий «еоліпіл», винайдений древнім греком Героном приблизно за 130 років до Різдва Христового, був паровий двигун, працюючий саме за таким принципом. По суті, це була перша відома історичній науці газова турбіна (адже пар - це газоподібне агрегатний стан води). Сьогодні все ж прийнято розділяти ці два поняття. До винаходу Герона тоді в Олександрії поставилися без особливого захоплення, хоча і з цікавістю. Промислове обладнання турбінного типу з`явилося тільки в кінці XIX століття, після створення шведом Густафом Лавалем першого в світі активного силового агрегату, оснащеного соплом. Приблизно в тому ж напрямку працював інженер Парсонс, забезпечивши свою машину кількома функціонально пов`язаними ступенями.
Народження газових турбін
Сторіччям раніше якомусь Джону Барбер прийшла в голову геніальна думка. Навіщо потрібно спочатку нагрівати пар, чи не простіше використовувати безпосередньо вихлопної газ, що утворюється при згорянні пального, і тим самим усунути непотрібне посередництво в процесі перетворення енергії? Так вийшла перша справжня газова турбіна. Патент 1791 року викладає основну ідею використання в безкінної возі, але його елементи сьогодні застосовуються в сучасних ракетних, авіаційних танкових і автомобільних моторах. Початок процесу реактивного двигунобудування дав в 1930 році Френк Уиттл. Йому прийшла ідея використовувати турбіну для приведення в рух літака. Надалі вона знайшла розвиток в численних турбогвинтових і турбореактивних проектах.
Газова турбіна Ніколи Тесла
Знаменитий учений-винахідник завжди підходив до досліджуваних питань нестандартно. Для всіх здавався очевидним той факт, що колеса з лопатками або лопатями «вловлюють» рух середовища краще, ніж плоскі предмети. Тесла, у властивій йому манері, довів, що якщо зібрати роторну систему з дисків, розташуваннях на осі послідовно, то за рахунок підхоплення прикордонних шарів потоком газу, вона буде обертатися не гірше, а в деяких випадках навіть краще, ніж багатолопатеву пропелер. Правда, спрямованість рухомий середовища повинна бути тангенциальной, що в сучасних агрегатах не завжди можливо або бажано, але зате істотно спрощується конструкція, - в ній абсолютно не потрібні лопатки. Газової турбіни за схемою Тесла поки не будують, але можливо, ідея лише чекає свого часу.
Принципова схема
Тепер про принципову пристрої машини. Вона являє собою сукупність обертається системи, насадженої на вісь (ротора) і нерухомої частини (статора). На валу розміщено диск з робочими лопатками, що утворюють концентричну грати, на них впливає газ, що подається під тиском через спеціальні сопла. Потім розширився газ надходить на крильчатку, також обладнану лопатками, званими робочими. Для впуску повітряно-паливної суміші і випуску (вихлопу) служать особливі патрубки. Також в загальній схемі бере участь компресор. Він може бути виконаний по різному принципом, в залежності від необхідного робочого тиску. Для його роботи від осі відбирається частина енергії, що йде на стиснення повітря. Газова турбіна працює за рахунок процесу згоряння повітряно-паливної суміші, що супроводжується значним збільшенням обсягу. Вал обертається, його енергію можна використовувати корисно. Така схема називається одноконтурною, якщо ж вона повторюється, то її вважають багатоступінчастої.
Переваги авіаційних турбін
Приблизно з середини п`ятдесятих років з`явилося нове покоління літаків, в тому числі і пасажирських (в СРСР це Іл-18, Ан-24, Ан-10, Ту-104, Ту-114, Ту-124 і т. Д.), В конструкції яких авіаційні поршневі двигуни остаточно і безповоротно були витіснені турбінними. Це свідчить про більшу ефективність такого типу силової установки. Характеристики газової турбіни перевершують параметри карбюраторних моторів за багатьма пунктами, зокрема, по відношенню потужність / вага, яке для авіації має першорядне значення, а також по не менш важливим показниками надійності. Зменшення витрати палива, менше рухомих деталей, краще екологічні параметри, знижений шум і вібрації. Турбіни менш критичні до якості пального (чого не можна сказати про паливних системах), їх легше обслуговувати, вони вимагають не так багато мастила. Загалом, на перший погляд здається, що складаються вони не з металу, а з суцільних достоїнств. На жаль, це не так.
Є у газотурбінних двигунів і недоліки
Газова турбіна під час роботи нагрівається, і передає тепло оточуючим її елементів конструкції. Особливо це критично знову ж в авіації, при використанні Реда схеми компонування, яка передбачає омивання реактивної струменем нижньої частини хвостового оперення. Та й сам корпус двигуна вимагає особливої теплоізоляції і застосування особливих тугоплавких матеріалів, що витримують високі температури.
Охолодження газових турбін - складне технічне завдання. Чи жарт, вони працюють в режимі фактично перманентного вибуху, що відбувається в корпусі. ККД в деяких режимах нижче, ніж у карбюраторних моторів, втім, при використанні двухконтурной схеми цей недолік усувається, хоча ускладнюється конструкція, як і в разі включення в схему компресорів «дожима». Розгін турбін і вихід на робочий режим вимагає деякого часу. Чим частіше відбувається запуск і зупинка агрегату, тим швидше він зношується.
правильне застосування
Що ж, без недоліків жодна система не обходиться. Важливо знайти таке застосування кожної з них, при якому яскравіше виявляться її гідності. Наприклад, танки, такі як американський «Абрамс», в основі силової установки якого - газова турбіна. Його можна заправляти всім, що горить, від високооктанового бензину до віскі, і він видає велику потужність. Приклад, можливо, не дуже вдалий, тому що досвід застосування в Іраку і Афганістані показав вразливість лопаток компресора до впливу піску. Ремонт газових турбін доводиться виробляти в США, на заводі-виробнику. Відвести танк туди, потім назад, та й вартість самого обслуговування плюс комплектуючі ...
Вертольоти, російські, американські та інших країн, а також потужні швидкохідні катери в меншій мірі страждають від засмічень. У рідинних ракетах без них не обійтися.
Сучасні бойові кораблі та цивільні судна також мають газотурбінні двигуни. А ще енергетика.
Трігенераторние електростанції
Проблеми, з якими стикалися авіабудівники, не так хвилюють тих, хто виробляє промислове обладнання для виробництва електроенергії. Вага в цьому випадку вже не так важливий, і можна зосередитися на таких параметрах, як КПД і загальна ефективність. Генераторні газотурбінні агрегати мають масивний каркас, надійну станину і більш товсті лопаті. Виділяється тепло цілком можливо утилізувати, використовуючи для самих різних потреб, - від вторинного рециклінгу в самій системі, до опалення побутових приміщень і термального харчування холодильних установок абсорбційного типу. Такий підхід називається трігенераторним, і ККД в цьому режимі наближається до 90%.
ядерні енергоустановки
Для газової турбіни не має принципової різниці, яким є джерело розігрітій середовища, що віддає свою енергію її лопаток. Це може бути і згоріла повітряно-паливна суміш, і просто перегрітий пар (не обов`язково водяний), головне, щоб він забезпечував її безперебійне живлення. За своєю суттю енергетичні установки всіх атомних електростанцій, підводних човнів, авіаносців, криголамів і деяких військових надводних кораблів (ракетний крейсер «Петро Великий», наприклад) мають в своїй основі газову турбіну (ГТУ), обертається паром. Питання безпеки і екології диктують закритий цикл першого контуру. Це означає, що первинний теплової агент (в перших зразках цю роль виконував свинець, зараз його замінили парафіном), важко позбутися приреакторні зони, огинаючи тепловиділяючі елементи по колу. Нагрівання робочої речовини здійснюється в наступних контурах, і випаровування вуглекислий газ, гелій або азот обертає колесо турбіни.
Широке застосування
Складні і великі установки практично завжди унікальні, їх виробництво ведеться малими серіями або взагалі виготовляються поодинокі екземпляри. Найчастіше агрегати, що випускаються у великих кількостях, знаходять застосування в мирних галузях господарства, наприклад, для перекачування вуглеводневої сировини по трубопроводах. Саме такі і виробляються компанією ОДК під маркою «Сатурн». газові турбіни насосних станцій повністю відповідають за призначенням своїй назві. Вони дійсно качають природний газ, використовуючи для своєї роботи його ж енергію.
