Газотурбинный двигатель: ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ • Большая российская энциклопедия

alexxlabОпубликовано

Содержание

ЦИАМ

Array
(
    [0] => Array
        (
            [TEXT] => О журнале
            [LINK] => /journal/about-the-journal
            [SELECTED] => 
            [PERMISSION] => R
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => P
            [ITEM_INDEX] => 0
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => О журнале
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 1
            [IS_PARENT] => 
        )

    [1] => Array
        (
            [TEXT] => Выпуски
            [LINK] => /journal/archive/
            [SELECTED] => 1
            [PERMISSION] => R
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => D
            [ITEM_INDEX] => 1
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => Выпуски
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 1
            [IS_PARENT] => 
        )

    [2] => Array
        (
            [TEXT] => Авторам
            [LINK] => /journal/authors/
            [SELECTED] => 
            [PERMISSION] => R
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => D
            [ITEM_INDEX] => 2
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => Авторам
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 1
            [IS_PARENT] => 1
        )

    [3] => Array
        (
            [TEXT] => Требования к оформлению рукописей
            [LINK] => /journal/authors/requirements-for-the-design-of-manuscripts/
            [SELECTED] => 
            [PERMISSION] => R
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => D
            [ITEM_INDEX] => 0
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => Авторам
                    [1] => Требования к оформлению рукописей
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 2
            [IS_PARENT] => 
        )

    [4] => Array
        (
            [TEXT] => Порядок работы с авторами
            [LINK] => /journal/authors/agreement/
            [SELECTED] => 
            [PERMISSION] => R
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => D
            [ITEM_INDEX] => 1
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => Авторам
                    [1] => Порядок работы с авторами
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 2
            [IS_PARENT] => 
        )

    [5] => Array
        (
            [TEXT] => Рецензентам
            [LINK] => /journal/reviewers/
            [SELECTED] => 
            [PERMISSION] => R
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => D
            [ITEM_INDEX] => 3
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => Рецензентам
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 1
            [IS_PARENT] => 
        )

    [6] => Array
        (
            [TEXT] => Контакты
            [LINK] => /journal/contacts/
            [SELECTED] => 
            [PERMISSION] => R
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => D
            [ITEM_INDEX] => 4
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => Контакты
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 1
            [IS_PARENT] => 
        )

)

Малоразмерный газотурбинный двигатель | Центр НТИ Новые производственные технологии на базе ИППТ СПбПУ

По заданию Минобрнауки России специалисты ИЦ ЦКИ разрабатывают методы проектирования и создания малоразмерных газотурбинных двигателей (МГТД) для аддитивного производства.

Для реализации проекта применяются современные методы цифрового проектирования (разработка цифровых двойников изделий и процессов, виртуальные испытания).

1 этап

  • Создана геометрическая модель МГТД на основе аналога с применением томографии и 3D-сканирования.
  • Разработаны математические модели и проведены расчеты газодинамических процессов, включающие такие части МГТД, как входное устройство компрессора, рабочее колесо компрессора, спрямляющий аппарат компрессора, рабочее колесо турбины, сопловой аппарат, сопло.

Общий вид расчетной области компрессора

  • Предложены варианты модификации элементов ГТД на основе анализа результатов расчета с использованием аддитивных технологий.
  • Оценка усадки компонентов, изготовленных методом SLM.

Диффузор

 

2 этап

  • Проведена оценка минимального запаса прочности ротора турбины с учетом моделирования теплового состояния ротора в сопряженной CHT (Conjugate Heat Transfer) постановке.

Поле распределения температуры за камерой сгорания

Поле распределения температуры ротора турбины

Конечно-элементная модель ротора турбины

Поле распределения эквивалентных напряжений по Мизесу

  • Проведена топологическая оптимизация статора лопаточного аппарата компрессора с целью снижения массы.

а)

б)

Оптимизированный по массе диффузор:

а) сегмент диффузора; б) CAD-модель

а)

б)

Оптимизированная конструкция диффузора (3D-визуализация):

а) внешний вид детали; б) внутренняя структура детали

  • Получена диаграмма Кэмпбелла с учетом жесткостных характеристик корпуса и опор ротора, с помощью которой были определены критические частоты вращения ротора, необходимые для проведения его балансировки в процессе сборки двигателя.

 

Ротор МГТД

Конечно-элементная модель ротора и корпуса двигателя:

а) ротор и корпус двигателя, вид в разрезе; б) конечно-элементная модель ротора и корпуса двигателя; в) конечно-элементная модель ротора

Собственные формы ротора при различных модах:

а) 1-я мода; б) 2-я мода; в) 3-я мода

  • Проведена оценка собираемости двигателя с использованием напечатанных из пластика деталей.

Диффузор, изготовленный из пластика методом АТ

Общий вид пластикового макета двигателя, изготовленного методом АТ

  • Разработан подход по определению долговечности и усталостной прочности элементов МГТД на примере конструкции камеры сгорания.

Конечно-элементная сетка для расчета НДС камеры сгорания

Контрольно-объёмная сетка для моделирования процессов течения газа и горения в камере сгорания

Результаты моделирования распределения температуры в рабочей среде камеры сгорания

Распределение температуры, полученное в результате газодинамического расчета

Поле распределения эквивалентных напряжений по Мизесу

Оценка долговечности конструкции камеры сгорания, количество циклов

Завершающий этап

На третьем этапе проекта была подготовлена РКД для производства МГТД с применением аддитивных технологий.

Произведенный опытный образец прошел валидационные испытания. До конца 2019 года запланирован этап натурных испытаний МГТД, укомплектованного деталями, произведенными по результатам оптимизации.

Целевая группа проекта включает в себя предприятия двигателестроения, в первую очередь – авиационного двигателестроения, такие как ПАО «ОДК-Сатурн», ОАО «Климов», ОАО «Пермский моторный завод», АО «НПЦ газотурбостроения «Салют» и другие.

Rolls-Royce произвела 50-й газотурбинный двигатель серии MT30

С конвейера Rolls-Royce сошел на сегодняшний день пятидесятый по счету газотурбинный двигатель серии MT30 для заказчика из Японии, говорится в сообщении компании.

Серия MT30 является самыми мощными в мире газотурбинными двигателями в эксплуатации. Данные двигатели отличает эффективность и надежность при лучшем соотношении мощности и веса. Двигатели этой модели используются на сложных морских судах, таких как авианосцы Королевского флота класса Queen Elizabeth и военные корабли типа 26, корабль береговой обороны ВМС США класса Freedom и эсминцы DDG-1000, фрегат класса Daegu ВМС Южной Кореи, новый десантный корабль для перевозки вертолетов ВМС Италии и фрегат 30FFM морских сил самообороны Японии.

Две газотурбинные установки MT30, заказанных для Японии, пополнят парк из восьми двигателей для программы оборудования фрегатов первой серии 30FFM, которые придут на смену сторожевым кораблям классов Asagiri and Abukuma. Двигатели будут поставлены на японскую верфь Kawasaki Heavy Industries (KHI, партнер Rolls-Royce). За почти 50 лет сотрудничества производитель поставил более 200 судовых газотурбинных двигателей для японских морских сил самообороны.

Судостроительный завод KHI проведет комплексные испытания движительной системы 30FFM в своем центре до прибытия газотурбинных  турбины MT30 на японскую верфь в следующем году.

Эксплуатация судовых газотурбинных двигателей MT30 началась в 2008 году. Газотурбинный двигатель MT30, разработанный Rolls-Royce в 2004 году, является самым мощным и при этом компактным из действующих на сегодняшний день судовых двигателей. Конструкция двигателя основана на авиационном двигателе Trent 800, который используется на самолетах Boeing 777. В судовом двигателе использовано около 80% оригинальных деталей и узлов авиационного «собрата». Первоначально MT30 был построен в виде отдельных модулей на сборочной линии, где производятся аэрокосмические двигатели Trent в Дерби. Эти двигатели затем были собраны и протестированы Rolls-Royce на заводе Бристоль.‎

Двигатель MT30 спроектирован для морских военных судов, включая авианосцы. В оптимальном рабочем режиме МТ30 может обеспечить мощность 25 – 40 МВт (от 34 тыс. –  54 тыс. л.с.) при весе 24 тонны.

Rolls-Royce является ведущим мировым производителем двигателей, энергетических установок для наземного, морского и воздушного транспорта, в морской, энергетической и аэрокосмической отраслях для гражданского и оборонного применения. Компания поставила движительные установки для более чем 30 тыс. судов  работающих в шельфовых проектах, торговом судоходстве и оборонной отрасли. Rolls-Royce проектирует и производит дизельные двигатели и газовые турбины, гребные винты, подруливающие устройства, и гидромониторы, а также маневренные и стабилизирующие системы и палубные механизмы. В компании работает более 39 тыс. человек (включая 11 тыс. инженеров) в офисах, производственных и сервисных центрах в более чем 50 странах мира.

Что такое газотурбинные двигатели, почему они не прижились в обычных машинах и как их будут использовать в гибридах

На проходящем в Женеве автосалоне сразу два автопроизводителя представили концептуальные машины с гибридными силовыми установками, в которых батареи заряжаются миниатюрными газотурбинными двигателями. Обе машины, к слову, китайские. Это седан Hybrid Kinetic H600 с элегантным дизайном от Pininfarina и суперкар Techrules Ren с футуристичной внешностью работы Джорджетто Джуджаро.

Не надо думать, что в данном техническом направлении трудятся лишь китайцы. Несколько лет назад никто иной как Jaguar показал гибридный концепт C-X75 с теми же микротурбинами. Так что же это за технология?

Газотурбинные двигатели впервые нашли серийное применение в конце Второй мировой войны, но. .. в авиации, на немецких истребителях Messerschmitt. В последующие 20 лет они фактически полностью вытеснили поршневые ДВС в военной и гражданской авиации, в прямом смысле спустив их с небес на землю. Моторы отечественных Ту и Superjet, европейских Airbus и американских Boeing — все это газотурбинные двигатели.

Их принцип действия прост. В камере сгорания воспламеняется топливо, газы под давлением подаются на лопасти турбины, турбина вращается. На одном валу с турбиной расположены лопасти компрессора, который, будучи приводим в движение от турбины, нагнетает воздух в камеру сгорания.

Газотурбинный двигатель

В авиации на том же валу спереди может располагаться винт (как, например, на самолетах Ан-24), а может более мощный компрессор, который прогоняет воздух через весь двигатель, создавая воздушную струю и тягу для самолета. При этом к валу газотурбинного двигателя можно прицепить не только винт или тяговый компрессор, но и что-то другое. Например, электрогенератор или коробку передач, а через нее соединить такой мотор с колесами автомобиля.

Как видите, все выглядит гораздо проще, чем в поршневом ДВС. Так и есть — проще. Меньше деталей, меньше трущихся частей — это одно из преимуществ газотурбинных двигателей. Второе неоспоримое преимущество — это высокая удельная мощность. Иными словами при равной отдаче газотурбинные моторы в несколько раз легче и компактнее поршневых. Именно этот факт определил их доминирование в авиастроении.

Есть, однако, и существенные недостатки. Именно с ними столкнулись автомобильные конструкторы при попытке установить такой мотор под капот автомобиля. Попыток было много: в США, в Европе и даже в СССР — наши инженеры, в частности, экспериментировали с автобусами.

Выяснилось, что такой мотор потребляет очень много топлива в переходных режимах: на холостом ходу и при наборе скорости. Конструкцию попытались усложнить, применив не один вал, а два: на первом располагался компрессор и малая турбина, которой хватало для вращения компрессора и обеспечения холостого хода. А на втором — основная турбина и отбор мощности на автоматическую коробку передач. На холостом ходу газы на вторую турбину не подавались. А при старте с места открывались заслонки, поток газа направлялся на лопасти тяговой турбины и машина ехала. Такая конструкция, к слову, позволила отказаться от механизма сцепления или гидротрансформатора — поскольку два вала не имели механической связи друг с другом автомобиль не мог заглохнуть.

Techrules Ren

Тем ни менее, расход топлива все равно был выше, чем у поршневых двигателей во всех режимах кроме равномерного движения по трассе. Всплыли и другие недостатки, но о них — позже.

Так или иначе, где-то с 70-х годов XX века от идеи отказались. До тех пор, пока не началась нынешняя гибридно-электрическая революция.

Дело было в далеком 2011 году. Компания Opel тогда пригласила журналистов из России в Нидерланды на тест-драйв подзаряжаемого гибрида Ampera (он же Chevrolet Volt), который в General Motors почему-то называли электрокаром.

После поездки у журналистов, в том числе у меня, накопилось много вопросов относительно устройства машины. Отвечать на них пришлось тогдашнему главе электрического подразделения Opel Кристиану Кунстману. Меня интересовало в частности, почему конструкторы выбрали в качестве ДВС для гибрида наиболее архаичный и неэффективный бензиновый атмосферный мотор объемом 1,4 литра.

Jaguar C-X75

Поскольку концепт Jaguar C-X75 тогда уже представили, я спросил у доктора Кунстмана, что он думает насчет того, чтобы установить под капот Opel Ampera микротурбину вместо поршневого ДВС. Ответ меня удивил.

«Это был бы лучший вариант», — признался инженер. «Однако главная проблема заключается в том, что у нас нет таких двигателей. Для их производства пришлось бы полностью перестроить все заводы. Это огромные инвестиции. Но если бы нам пришлось строить моторный завод с нуля, то мы бы крепко задумались над тем, какие двигатели для гибридов там выпускать — поршневые или газотурбинные».

Действительно, если микротурбина не связана ни с колесами, ни с коробкой передач, а лишь вращает генератор, работая в режиме постоянной тяги — значит все проблемы с высоким расходом топлива в переходных режимах отпадают сами собой? Все так. Вот почему китайцы, у которых в отличие от Opel нет заводов поршневых двигателей, и строить предстоит с нуля, сейчас уцепились за эту идею. Увы, расход топлива — не единственный недостаток.

Первый нерешенный минус газотурбинного двигателя — очень высокая температура газов, попадающих на лопасти турбины. В авиации с этим борются за счет использования дорогих термостойких сплавов, но в массовом автомобилестроении это не применимо из-за высокой стоимости.

Hybrid Kinetic H600

Решить проблему еще в 50-е годы пытались за счет теплообменников, которые нагревают входящий воздух и охлаждают газы, выходящие из камеры сгорания. Это повышает КПД и бережет турбину, но заметно усложняет конструкцию двигателя. И китайцам надо иметь это в виду.

Есть и другие сложности. В частности, газотурбинным моторам надо значительно больше воздуха, чем поршневым двигателям. Причем воздуха чистого. У самолетов нет с этим проблем. А у машин — есть. Необходимые воздушные фильтры достигают такого размера, что преимущество микротурбин компактности полностью сводится на нет.

Вы, возможно, в курсе, что газотурбинные моторы пробовали применять на серийных танках: советском Т80 и американском «Абрамсе». Военных привлекло сочетание мощности и компактности мотора. Увы, простые танкисты жаловались на необходимость постоянно чистить огромные воздушные фильтры. И на колоссальный расход топлива — тоже.

Наконец, последний недостаток — токсичность. Опять же, это следствие повышенного расхода топлива в промежуточных режимах. Создатели концептов Techrules и особенно Hybrid Kinetic H600 уверяют, что их микротурбины экологичнее поршневых ДВС. Но точных данных пока не приводят.

В любом случае, все показанные гибридные автомобили, использующие подобную технологию — пока лишь концепты и их серийное будущее покрыто туманом. Но согласитесь, звучит заманчиво!

Газотурбинный двигатель(ГТД).

Газотурбинный двигатель – это разновидность теплового двигателя, который работает по не очень простому принципу. Газ в двигателе сжимается и нагревается, после чего, энергия этого газа преобразуется в механическую работу. Как Вы могли заметить, с первых слов описания данного двигателя, все процессы происходят в потоке движущегося газа, что кардинально отличается от принципа работы поршневого двигателя.

Как работает газотурбинный двигатель? Если рассматривать, более подробно процесс работы газотурбинного двигателя, то можно выделить несколько этапов, которые в соединении описывают сложный процесс преобразования энергии сжатого газа в механическую работу. Какие это этапы?

  • Подача и смесь. Атмосферный воздух в сжатом виде поступает из компрессора в камеру сгорания. Туда же поступает и топливо, в результате чего получается топливная смесь, которая в процессе сгорания выделяет очень много энергии.
  • Преобразование. После того, как топливная смесь в процессе сгорания преобразуется в энергию, необходимо преобразовать ее в механическую работу. Это происходит благодаря вращению специальных «лопаток» струей газа под большим давлением.
  • Разделение работы. Часть полученной механической работы от энергии топливной смеси, уходит на сжатия воздуха для следующей подачи, в компрессоре, а остальная энергия передается на приводимый агрегат.

Именно та работа, которая передается на приводимый агрегат и называется полезной! К слову, газотурбинный двигатель по праву считается двигателем, имеющим наибольшую удельную мощность, среди остальных двигателей внутреннего сгорания. Топливом к газотурбинному двигателю можно считать практически любое горючее: керосин, бензин, мазут, природный газ, дизельное топливо, судовое топливо, водяной газ, спирт, а также мелкий уголь!

Принцип работы газотурбинных двигателей.
Чтобы добиться высокого КПД в тепловом двигателе, необходимо добиться высокой температуры сгорания топливной смеси, но не всегда это можно достичь. Препятствиями можно назвать не способность материалов, из которых построен двигатель (никель, сталь, керамика и прочие) выдерживать большие температуры и давление. Очень большое количество трудов инженеров было направлено на то, чтобы успешно отводить тепло от турбины и использовать его там, где это необходимо. Смело можно сказать, что их работа была проведена не зря, ведь в настоящее время, благодаря подобным разработкам, было достигнута эта цель путем перенаправления тепла выхлопных газов, сжатому воздуху. Такой процесс называется рекуперирование. Это очень успешных подход, ведь в противном случае тепло выхлопных газов было бы просто утеряно, а так, оно способно служить источником нагрева сжатого воздуха, перед процессом дальнейшего сгорания. Таким образом, можно смело утверждать, что без этого процесса и специальных теплообменников (рекуператоров) не удалось бы достигнуть столь высокого КПД.

Максимальная скорость вращения турбинных лопаток, определяет максимальное давление, которое нужно достигнуть для получения наивысшей мощности двигателя. При этом, как правило, чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала, для поддержания максимальной скорость турбинных лопаток.

Устройство газотурбинного двигателя.
Что касается устройства, тут все не так и сложно, как можно себе представить. Газотурбинный двигатель состоит из камеры сгорания, где также установлены свечи зажигания и форсунка, для подачи топлива и получения искры в камере сгорания. Турбинное колесо со специальными лопатками установлено на одном валу с компрессором. К устройство двигателя также относятся: понижающий редуктор, теплообменник, выпускной трубопровод, впускной канал, а также диффузор и сопла.

При вращении вала компрессора, его лопасти захватывают воздух, который поступает через впускной канал. После того, как компрессор увеличивает скорость движения до 500 метров в секунду, он нагнетает его в диффузор. На выходе диффузора, скорость воздуха уменьшается, но с тем же повышается его давление. После диффузора, воздух попадает в теплообменник, где нагревается теплом отработанных газов и переходит в камеру сгорания. Помимо подогретого и сжатого воздуха, в камеру сгорания постоянно подается топливо в распыленном виде, через форсунку. Топливо смешивается с воздухом, образуя топливную смесь, далее эта смесь воспламеняется, с помощью искры, которую производит свеча. В результате сгорания, давление в камере повышается, нагретые газы проходят через сопло и попадают на лопатки турбинного колеса, которые приводятся в движение. Крутящий момент турбинного колеса передается через понижающий редуктор на трансмиссию автомобиля. Отработанные газы подходят в теплообменник, где подогревают поступивший сжатый воздух и выходят в атмосферу.

Основным недостатком газотурбинного двигателя  является стоимость тепло прочных материалов, из которых должен быть построен двигатель. Помимо этого сложность работ и высокая степень очистки воздуха, который попадает в двигатель, также хорошо бьют по карману, но не смотря ни на что, разработка и усовершенствование газотурбинного двигателя уже вовсю проходит как в нашей стране, так и за границей.

Типы газотурбинных двигателей.
Касательно типов, их очень большое количество, при этом суть работы одна и та же, но выполнение – немного различно. В зависимости от типов, газотурбинный двигатель имеет широкое применение на морских судах, железнодорожных составах, автомобилях, самолетах, вертолетах и даже в танках.К слову на сегодняшний день лишь американский танк Абрамс М1А1 оснащен газотурбинным двигателем. У советских инженеров тоже были попытки применить ГТД на танках,было даже несколько прототипов на базе Т-80,но почему то дальнейшие разработки были свёрнуты.

Проведены летные испытания первого российского малоразмерного газотурбинного двигателя МГТД-20

22 июля 2020 г., AEX.RU –  На базе авиационного центра «Казанбаш» (Республика Татарстан) успешно прошли летные испытания первого российского малоразмерного газотурбинного двигателя МГТД-20. Двигатель изготовлен методом селективного лазерного сплавления из отечественных металлопорошковых композиций на базе созданного в ВИАМ аддитивного производства полного цикла. Об этом сообщает пресс-служба ВИАМ.

Силовая установка с максимальной тягой 22 кгс разработана в рамках совместного проекта Фонда перспективных исследований, ФГУП «ВИАМ» и АО НПО «ОКБ им. М.П. Симонова». В качестве летающей лаборатории для испытаний использовался легкий беспилотный летательный аппарат А30 разработки АО НПО «ОКБ им. М.П. Симонова». Размах крыла БПЛА составляет 3 метра, взлетная масса 40 кг с учетом массы полезной нагрузки до 10 кг. Во время первого испытательного полета аппарат по заданной программе прошел в режиме автопилота по точкам маршрута на высоте до 170 метров со средней скоростью 130 км/ч, после чего совершил успешную посадку, рассказали в институте.

Изготовив и испытав двигатели МГТД-10 и МГТД-20 собственной разработки, ВИАМ при поддержке ФПИ стал первым предприятием в России и вторым в мире после корпорации General Electric, изготовившим функционирующий двигатель на базе аддитивного производства.

Проект Фонда перспективных исследований по разработке материалов нового поколения для аддитивных технологий изготовления конструктивных элементов авиационных и ракетных двигателей (шифр «Тантал») выполняется ВИАМ совместно с АО НПО «ОКБ им. М.П. Симонова» с ноября 2015 года. В рамках проекта разработана, изготовлена и испытана линейка перспективных малоразмерных газотурбинных двигателей в классе тяг 10, 20, 125 и 150 кгс на базе аддитивного производства с использованием специально разработанных отечественных высокожаропрочных и высокопрочных металлопорошковых композиций ВИАМ, технологий синтеза, термической и баротермической обработок, постобработки и контроля.

Ряд разработанных сплавов по прочностным характеристикам превзошел зарубежные аналоги более чем на 20%. Время организации производства и изготовления основных элементов двигателей благодаря новой технологии удалось сократить до 20 раз при двукратном снижении затрат, также отметили в ВИАМ.

В 2020 году успешно завершены ресурсные стендовые испытания двигателей МГТД-10, МГТД-20 и МГТД-125, впервые в России изготовленных ВИАМ и АО НПО «ОКБ им. М.П. Симонова» на базе аддитивного производства, с подтверждением заявленных характеристик.

Газотурбинный двигатель ГТУ-16ПМ успешно модернизировали

Газотурбинная установка, используемая для прокачки газа на «Силе Сибири», продемонстрировала новые возможности.

В нынешнем газовом противостоянии российского бизнеса с конкурентами из США за перспективные рынки бурно развивающихся стран Азии отечественные компании оказались в весьма сложном положении из-за антироссийских санкций коллективного Запада. В подобной ситуации российские разработчики смогли осознать преимущества начавшегося в стране процесса импортозамещения и приступили к созданию нового оборудования для реализации перспективных газовых проектов, а также модернизации уже зарекомендовавшей себя отечественной продукции.

Яркой иллюстрацией данного процесса является реализация проекта «Сила Сибири». Так, согласно сообщению информпортала «Сделано у нас», в «ОДК-Авиадвигатель» недавно представили газогенератор газотурбинной установки ГТУ-16ПМ. Ранее также сообщалось о том, что три комплекта ГПА-16, созданных на базе ГТУ-16П, планировалось поставить в рамках реализации проекта строительства магистрального газопровода «Сила Сибири», благодаря которому российский газ сможет отнять у американцев большую долю перспективного китайского рынка углеводородов. Дополнительным аргументом в этой гонке с США является тот факт, что китайские власти в обозримом будущем планируют в значительной степени отказаться от угля в качестве топлива для своих электростанций.

Источником отмечается, что в результате модернизации двигатель ГТУ-16ПМ для газоперекачивающих агрегатов был оснащен малоэмиссионной камерой сгорания, что позволяет снизить выбросы окислов азота и углерода. Одновременно с этим изданием отмечается, что данная установка уже успела показать, на что способна: «Представленный двигатель успешно прошел стендовые испытания на КС «Пермская» ООО «Газпром трансгаз Чайковский» и подтвердил соответствие характеристик требованиям заказчика».

Ранее сообщалось об успешном использовании серийной продукции «ОДК-Авиадвигатель» для реализации энергетических и инфраструктурных проектов России.

Авторские права на данный материал принадлежат сайту «НьюИнформ». Цель включения данного материала в дайджест — сбор максимального количества публикаций в СМИ и сообщений компаний по авиационной тематике. Агентство «АвиаПорт» не гарантирует достоверность, точность, полноту и качество данного материала.

Газотурбинный двигатель | Британника

Газотурбинный двигатель , любой двигатель внутреннего сгорания, использующий газ в качестве рабочего тела, используемого для вращения турбины. Этот термин также обычно используется для описания полного двигателя внутреннего сгорания, состоящего, по меньшей мере, из компрессора, камеры сгорания и турбины.

Общие характеристики

Полезную работу или тягу можно получить от газотурбинного двигателя. Он может приводить в действие генератор, насос или пропеллер или, в случае чисто реактивного авиационного двигателя, развивать тягу за счет ускорения потока выхлопных газов турбины через сопло.Такой двигатель, который при той же мощности намного меньше и легче, чем поршневой двигатель внутреннего сгорания, может производить большую мощность. Возвратно-поступательные двигатели зависят от движения поршня вверх и вниз, которое затем должно быть преобразовано во вращательное движение с помощью механизма коленчатого вала, тогда как газовая турбина обеспечивает мощность вращения вала напрямую. Хотя концептуально газотурбинный двигатель представляет собой простое устройство, компоненты эффективного агрегата должны быть тщательно спроектированы и изготовлены из дорогостоящих материалов из-за высоких температур и напряжений, возникающих во время работы. Таким образом, установки газотурбинных двигателей обычно ограничиваются крупными установками, где они становятся рентабельными.

Циклы газотурбинного двигателя

Большинство газовых турбин работают в открытом цикле, в котором воздух забирается из атмосферы, сжимается в центробежном или осевом компрессоре, а затем подается в камеру сгорания. Здесь топливо добавляется и сжигается при практически постоянном давлении вместе с частью воздуха. Дополнительный сжатый воздух, который пропускается вокруг секции горения и затем смешивается с очень горячими газами сгорания, необходим для поддержания температуры на выходе из камеры сгорания (фактически, на входе турбины) на достаточно низком уровне, чтобы турбина могла работать непрерывно.Если агрегат должен производить мощность на валу, продукты сгорания (в основном воздух) расширяются в турбине до атмосферного давления. Большая часть мощности турбины требуется для работы компрессора; только остальная часть доступна для обеспечения работы вала генератора, насоса или другого устройства. В реактивном двигателе турбина рассчитана на обеспечение мощности, достаточной для привода компрессора и вспомогательных устройств. Затем поток газа выходит из турбины с промежуточным давлением (выше местного атмосферного давления) и проходит через сопло для создания тяги.

Газотурбинный двигатель открытого цикла постоянного давления.

Encyclopædia Britannica, Inc.

В первую очередь рассматривается идеализированный газотурбинный двигатель, работающий без потерь по этому простому циклу Брайтона. Если, например, воздух поступает в компрессор при температуре 15 ° C и атмосферном давлении и сжимается до одного мегапаскаль, он затем поглощает тепло от топлива при постоянном давлении до тех пор, пока температура не достигнет 1100 ° C, а затем расширится через турбину обратно до атмосферного. давление.Этот идеализированный блок потребует выходной мощности турбины 1,68 киловатт на каждый киловатт полезной мощности с 0,68 киловатт, потребляемым для привода компрессора. Тепловой КПД установки (чистая произведенная работа, разделенная на энергию, добавленную через топливо) составит 48 процентов.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишись сейчас

Фактическая производительность простого открытого цикла

Если для блока, работающего между одинаковыми пределами давления и температуры, компрессор и турбина имеют КПД только 80 процентов ( i.Например, : работа идеального компрессора равна 0,8 фактической работы, в то время как фактическая мощность турбины в 0,8 раза больше идеальной мощности), ситуация кардинально меняется, даже если все остальные компоненты остаются идеальными. На каждый киловатт производимой полезной мощности турбина теперь должна производить 2,71 киловатт, а работа компрессора становится 1,71 киловатт. Тепловой КПД падает до 25,9 процента. Это демонстрирует важность высокоэффективных компрессоров и турбин. Исторически сложность разработки эффективных компрессоров, даже больше, чем эффективных турбин, задерживала разработку газотурбинного двигателя. Современные агрегаты могут иметь КПД компрессора 86–88 процентов и КПД турбины 88–90 процентов при проектных условиях.

КПД и выходную мощность можно увеличить за счет повышения температуры на входе в турбину. Однако все материалы теряют прочность при очень высоких температурах, а поскольку лопатки турбины движутся с высокой скоростью и подвергаются серьезным центробежным нагрузкам, температура на входе в турбину выше 1100 ° C требует специального охлаждения лопаток. Можно показать, что для каждой максимальной температуры на входе в турбину существует также оптимальное соотношение давлений.Современные авиационные газовые турбины с охлаждением лопаток работают при температурах на входе в турбину выше 1370 ° C и при соотношении давлений около 30: 1.

Промежуточное охлаждение, повторный нагрев и регенерация

В авиационных газотурбинных двигателях необходимо обращать внимание на вес и диаметр. Это не позволяет добавлять дополнительное оборудование для повышения производительности. Соответственно, двигатели коммерческих самолетов работают по простому циклу Брайтона, идеализированному выше. Эти ограничения не применяются к стационарным газовым турбинам, в которые могут быть добавлены компоненты для повышения эффективности.Усовершенствования могут включать (1) уменьшение работы сжатия за счет промежуточного охлаждения, (2) увеличение мощности турбины за счет повторного нагрева после частичного расширения или (3) уменьшение расхода топлива за счет регенерации.

Первое усовершенствование будет заключаться в сжатии воздуха при почти постоянной температуре. Хотя это не может быть достигнуто на практике, это можно приблизить с помощью промежуточного охлаждения (, т.е. путем сжатия воздуха в два или более этапов и его водяного охлаждения между этапами до его начальной температуры).Охлаждение уменьшает объем обрабатываемого воздуха и, как следствие, необходимую работу по сжатию.

Второе усовершенствование включает повторный нагрев воздуха после частичного расширения через турбину высокого давления во втором наборе камер сгорания перед подачей его в турбину низкого давления для окончательного расширения. Этот процесс похож на повторный нагрев, используемый в паровой турбине.

Оба подхода требуют значительного дополнительного оборудования и используются реже, чем третье улучшение.Здесь горячие выхлопные газы турбины проходят через теплообменник или регенератор, чтобы повысить температуру воздуха, выходящего из компрессора перед сгоранием. Это уменьшает количество топлива, необходимое для достижения желаемой температуры на входе в турбину. Однако повышение эффективности связано со значительным увеличением начальной стоимости и будет экономичным только для агрегатов, которые работают почти непрерывно.

Газотурбинный двигатель | Британника

Газотурбинный двигатель , любой двигатель внутреннего сгорания, использующий газ в качестве рабочего тела, используемого для вращения турбины.Этот термин также обычно используется для описания полного двигателя внутреннего сгорания, состоящего, по меньшей мере, из компрессора, камеры сгорания и турбины.

Общие характеристики

Полезную работу или тягу можно получить от газотурбинного двигателя. Он может приводить в действие генератор, насос или пропеллер или, в случае чисто реактивного авиационного двигателя, развивать тягу за счет ускорения потока выхлопных газов турбины через сопло. Такой двигатель, который при той же мощности намного меньше и легче, чем поршневой двигатель внутреннего сгорания, может производить большую мощность.Возвратно-поступательные двигатели зависят от движения поршня вверх и вниз, которое затем должно быть преобразовано во вращательное движение с помощью механизма коленчатого вала, тогда как газовая турбина обеспечивает мощность вращения вала напрямую. Хотя концептуально газотурбинный двигатель представляет собой простое устройство, компоненты эффективного агрегата должны быть тщательно спроектированы и изготовлены из дорогостоящих материалов из-за высоких температур и напряжений, возникающих во время работы. Таким образом, установки газотурбинных двигателей обычно ограничиваются крупными установками, где они становятся рентабельными.

Циклы газотурбинного двигателя

Большинство газовых турбин работают в открытом цикле, в котором воздух забирается из атмосферы, сжимается в центробежном или осевом компрессоре, а затем подается в камеру сгорания. Здесь топливо добавляется и сжигается при практически постоянном давлении вместе с частью воздуха. Дополнительный сжатый воздух, который пропускается вокруг секции горения и затем смешивается с очень горячими газами сгорания, необходим для поддержания температуры на выходе из камеры сгорания (фактически, на входе турбины) на достаточно низком уровне, чтобы турбина могла работать непрерывно.Если агрегат должен производить мощность на валу, продукты сгорания (в основном воздух) расширяются в турбине до атмосферного давления. Большая часть мощности турбины требуется для работы компрессора; только остальная часть доступна для обеспечения работы вала генератора, насоса или другого устройства. В реактивном двигателе турбина рассчитана на обеспечение мощности, достаточной для привода компрессора и вспомогательных устройств. Затем поток газа выходит из турбины с промежуточным давлением (выше местного атмосферного давления) и проходит через сопло для создания тяги.

Газотурбинный двигатель открытого цикла постоянного давления.

Encyclopædia Britannica, Inc.

В первую очередь рассматривается идеализированный газотурбинный двигатель, работающий без потерь по этому простому циклу Брайтона. Если, например, воздух поступает в компрессор при температуре 15 ° C и атмосферном давлении и сжимается до одного мегапаскаль, он затем поглощает тепло от топлива при постоянном давлении до тех пор, пока температура не достигнет 1100 ° C, а затем расширится через турбину обратно до атмосферного. давление.Этот идеализированный блок потребует выходной мощности турбины 1,68 киловатт на каждый киловатт полезной мощности с 0,68 киловатт, потребляемым для привода компрессора. Тепловой КПД установки (чистая произведенная работа, разделенная на энергию, добавленную через топливо) составит 48 процентов.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишись сейчас

Фактическая производительность простого открытого цикла

Если для блока, работающего между одинаковыми пределами давления и температуры, компрессор и турбина имеют КПД только 80 процентов ( i. Например, : работа идеального компрессора равна 0,8 фактической работы, в то время как фактическая мощность турбины в 0,8 раза больше идеальной мощности), ситуация кардинально меняется, даже если все остальные компоненты остаются идеальными. На каждый киловатт производимой полезной мощности турбина теперь должна производить 2,71 киловатт, а работа компрессора становится 1,71 киловатт. Тепловой КПД падает до 25,9 процента. Это демонстрирует важность высокоэффективных компрессоров и турбин. Исторически сложность разработки эффективных компрессоров, даже больше, чем эффективных турбин, задерживала разработку газотурбинного двигателя.Современные агрегаты могут иметь КПД компрессора 86–88 процентов и КПД турбины 88–90 процентов при проектных условиях.

КПД и выходную мощность можно увеличить за счет повышения температуры на входе в турбину. Однако все материалы теряют прочность при очень высоких температурах, а поскольку лопатки турбины движутся с высокой скоростью и подвергаются серьезным центробежным нагрузкам, температура на входе в турбину выше 1100 ° C требует специального охлаждения лопаток. Можно показать, что для каждой максимальной температуры на входе в турбину существует также оптимальное соотношение давлений.Современные авиационные газовые турбины с охлаждением лопаток работают при температурах на входе в турбину выше 1370 ° C и при соотношении давлений около 30: 1.

Промежуточное охлаждение, повторный нагрев и регенерация

В авиационных газотурбинных двигателях необходимо обращать внимание на вес и диаметр. Это не позволяет добавлять дополнительное оборудование для повышения производительности. Соответственно, двигатели коммерческих самолетов работают по простому циклу Брайтона, идеализированному выше. Эти ограничения не применяются к стационарным газовым турбинам, в которые могут быть добавлены компоненты для повышения эффективности.Усовершенствования могут включать (1) уменьшение работы сжатия за счет промежуточного охлаждения, (2) увеличение мощности турбины за счет повторного нагрева после частичного расширения или (3) уменьшение расхода топлива за счет регенерации.

Первое усовершенствование будет заключаться в сжатии воздуха при почти постоянной температуре. Хотя это не может быть достигнуто на практике, это можно приблизить с помощью промежуточного охлаждения (, т.е. путем сжатия воздуха в два или более этапов и его водяного охлаждения между этапами до его начальной температуры).Охлаждение уменьшает объем обрабатываемого воздуха и, как следствие, необходимую работу по сжатию.

Второе усовершенствование включает повторный нагрев воздуха после частичного расширения через турбину высокого давления во втором наборе камер сгорания перед подачей его в турбину низкого давления для окончательного расширения. Этот процесс похож на повторный нагрев, используемый в паровой турбине.

Оба подхода требуют значительного дополнительного оборудования и используются реже, чем третье улучшение.Здесь горячие выхлопные газы турбины проходят через теплообменник или регенератор, чтобы повысить температуру воздуха, выходящего из компрессора перед сгоранием. Это уменьшает количество топлива, необходимое для достижения желаемой температуры на входе в турбину. Однако повышение эффективности связано со значительным увеличением начальной стоимости и будет экономичным только для агрегатов, которые работают почти непрерывно.

Как работают газотурбинные электростанции

Вы находитесь здесь

Главная »Как работают газотурбинные электростанции

Газовые турбины, устанавливаемые на многих современных электростанциях, работающих на природном газе, представляют собой сложные машины, но в основном они состоят из трех основных частей:

  • Компрессор , который втягивает воздух в двигатель, создает в нем давление и подает его в камеру сгорания со скоростью сотни миль в час.
  • Система сгорания , обычно состоящая из кольца топливных форсунок, которые впрыскивают постоянный поток топлива в камеры сгорания, где оно смешивается с воздухом. Смесь сжигается при температуре более 2000 градусов по Фаренгейту. При сгорании образуется высокотемпературный газовый поток под высоким давлением, который входит и расширяется через секцию турбины.
  • Турбина представляет собой сложный набор чередующихся неподвижных и вращающихся лопастей с профилем крыла. Когда горячий газ сгорания расширяется через турбину, он вращает вращающиеся лопасти.Вращающиеся лопасти выполняют двойную функцию: они приводят в действие компрессор, чтобы втянуть больше сжатого воздуха в секцию сгорания, и вращают генератор для выработки электроэнергии.

Наземные газовые турбины бывают двух типов: (1) двигатели с тяжелой рамой и (2) авиационные двигатели. Двигатели с тяжелой рамой характеризуются более низким коэффициентом давления (обычно ниже 20) и имеют тенденцию быть физически большими. Степень давления — это отношение давления нагнетания компрессора к давлению воздуха на входе.Двигатели на базе авиационных двигателей являются производными от реактивных двигателей, как следует из названия, и работают с очень высокими степенями сжатия (обычно превышающими 30). Двигатели на базе авиационных двигателей имеют тенденцию быть очень компактными и полезны там, где требуется меньшая выходная мощность. Поскольку турбины с большой рамой имеют более высокую выходную мощность, они могут производить большее количество выбросов и должны быть спроектированы таким образом, чтобы обеспечивать низкие выбросы загрязняющих веществ, таких как NOx.

Одним из ключевых факторов удельного расхода топлива турбины является температура, при которой она работает.Более высокие температуры обычно означают более высокую эффективность, что, в свою очередь, может привести к более экономичной эксплуатации. Газ, протекающий через обычную турбину электростанции, может иметь температуру до 2300 градусов по Фаренгейту, но некоторые из критических металлов в турбине могут выдерживать температуры только от 1500 до 1700 градусов по Фаренгейту. Следовательно, воздух из компрессора может использоваться для охлаждения. ключевые компоненты турбины, снижающие конечный тепловой КПД.

Одним из главных достижений программы передовых турбин Министерства энергетики было преодоление предыдущих ограничений на температуру турбин с использованием комбинации инновационных технологий охлаждения и современных материалов.Усовершенствованные турбины, появившиеся в результате исследовательской программы Департамента, смогли повысить температуру на входе турбины до 2600 градусов по Фаренгейту — почти на 300 градусов выше, чем в предыдущих турбинах, и достичь КПД до 60 процентов.

Еще один способ повышения эффективности — установка рекуператора или парогенератора с рекуперацией тепла (HRSG) для рекуперации энергии из выхлопных газов турбины. Рекуператор улавливает отходящее тепло в выхлопной системе турбины, чтобы предварительно нагреть воздух на выходе компрессора перед его поступлением в камеру сгорания.HRSG вырабатывает пар, улавливая тепло из выхлопных газов турбины. Эти котлы также известны как парогенераторы-утилизаторы. Пар высокого давления из этих котлов можно использовать для выработки дополнительной электроэнергии с помощью паровых турбин, такая конфигурация называется комбинированным циклом.

Газовая турбина простого цикла может достигать КПД преобразования энергии от 20 до 35 процентов. При более высоких температурах, достигнутых в турбинной программе Министерства энергетики, будущие газотурбинные установки с комбинированным циклом, работающие на водороде и синтез-газе, скорее всего, достигнут КПД 60 процентов или более.Когда отработанное тепло улавливается из этих систем для отопления или промышленных целей, общая эффективность энергетического цикла может приближаться к 80 процентам.

Типы газовых турбин

Чтобы переместить самолет по воздуху, мы должны использовать какую-то двигательную установку для создания тяги. Наиболее широко используемые формой силовой установки современного самолета является газовая газотурбинный двигатель.Турбинные двигатели бывают самых разных форм.

На этой странице показаны компьютерные чертежи четырех различных вариантов газовая турбина или реактивный двигатель. Хотя каждый из двигателей отличается, у них есть некоторые общие части. Каждый из в этих двигателях есть секция сгорания (красный), компрессор (голубой), турбина (пурпурный) и вход и сопло (серый). Компрессор, горелка и турбина называются основной двигателя, так как все газовые турбины имеют эти составные части. Ядро также называется газогенератором так как на выходе из активной зоны идет горячий выхлопной газ.Газ пропущен через сопло для создания тяги турбореактивного двигателя, при этом он используется для привода турбины (зеленый) ТРДД и турбовинтовых двигателей. Поскольку компрессор и турбина связаны центральным валом и вращаются вместе, эта группа деталей назвал турбомашин . Работа турбореактивный, дожигающий турбореактивный двигатель, турбовентилятор и турбовинтовые двигатели описаны на отдельные страницы.

Благодаря своей высокой выходной мощности и высокому тепловому КПД газотурбинные двигатели также используются в самых разных приложениях, не связанных с аэронавтикой.Подключение Главный вал двигателя к электромагниту будет вырабатывать электроэнергию. Газовые турбины также может использоваться для питания кораблей, грузовиков и военных танков. В этих приложениях главный вал соединен с коробкой передач (как и турбовинтовой), и получившаяся силовая установка называется двигатель турбовальный . В конце 1960-х гоночные автомобили с турбовальным двигателем соревновались в Indy 500.

Вы можете изучить конструкцию и работу различных турбин. движок с помощью интерактивного EngineSim Java-апплет.Вы можете выбрать тип двигателя и варьировать любой из параметров, которые влияют на тягу и расход топлива.

Деятельность:

Экскурсии с гидом
  • Реактивные двигатели:

Навигация . .


Руководство для начинающих Домашняя страница

Газовая турбина

Эта страница предназначена для учащихся колледжей, старших и средних школ.Для младших школьников более простое объяснение информации на этой странице: доступно на Детская страница.

Тяга — это сила, которая перемещает любой самолет по воздуху. Тяга создается силовая установка самолета. Различные двигательные установки развивают тягу в разными способами, но вся тяга создается через некоторые применение третьего закона Ньютона движение.На каждое действие есть равная и противоположная реакция. В любой двигательной установке рабочая жидкость ускоряется системой и реакция на это ускорение создает силу в системе. А общий вывод уравнения тяги показывает, что величина создаваемой тяги зависит от массовый поток через двигатель и скорость на выходе газа.

Во время Второй мировой войны был разработан двигатель нового типа. самостоятельно в Германии и в Англии.Этот двигатель назывался . газотурбинный двигатель . Мы иногда называем этот двигатель реактивным двигателем . двигатель . Ранние газотурбинные двигатели работали во многом как ракетный двигатель создавая горячий выхлопной газ, который проходил через сопло производить тягу. Но в отличие от ракетного двигателя, который должен нести кислород для сгорания, газотурбинный двигатель получает кислород из окружающего воздуха. Турбинный двигатель не работает в космосе, потому что нет окружающего воздуха.Для газа газотурбинный двигатель, ускоренный газ, или рабочее тело , это струйный выхлоп. Большинство Масса выхлопных газов струи исходит из окружающей атмосферы. Самый современный, высокоскоростной пассажир и военный самолет работают на газе газотурбинные двигатели. Потому что газотурбинные двигатели так важны для современных жизни, мы предоставим много информации о газотурбинных двигателях и их работа.

Турбинные двигатели

выпускаются в широком ассортименте формы и размеры из-за множества различных миссий самолетов.Все газотурбинные двигатели имеют некоторые части в однако обычное дело. На слайде мы видим изображения четырех разных самолет, оснащенный газотурбинными двигателями. Каждый самолет имеет уникальная миссия и, следовательно, уникальные требования к двигательной установке. На вверху слева — авиалайнер DC-8. Его задача — перевозить большие грузы. пассажиров или груза на большое расстояние на большой скорости. Тратит большую часть своей жизни на высокой скорости круиз. Внизу слева — F-14 истребитель.Его задача — сбивать другие самолеты в бой воздух-воздух. Большую часть жизни он проводит в круизах, но ему необходимо высокое ускорение в бою. Справа внизу — грузовой С-130. самолет. Как и DC-8, он перевозит грузы на большие расстояния, но не имеет требований к высокой скорости DC-8. На верхнем справа — учебно-тренировочный Т-38. Используется для обучения пилотов пилотированию на реактивном самолете. самолет и не имеет требований к ускорению F-14. DC-8 приводится в движение четырьмя двухконтурными ТРДД. двигателей Ф-14 на двух форсажных ТРДД с малым байпасом, С-130 от четырех турбовинтовых двигателей, а Т-38 — двумя ТРД. двигатели.

EngineSim это интерактивный Java-апплет, который позволяет изучать различные типы реактивных двигателей. Вы можете изучить основы газотурбинного двигателя двигательная установка с симулятором EngineSim. RangeGames это интерактивный Java-апплет, который позволяет вам изучить, насколько разные типы самолетов используют различные типы двигателей для выполнения своей миссии.

Деятельность:
Экскурсии с гидом

Навигация..


Руководство для начинающих Домашняя страница

Газотурбинные двигатели — PetroWiki

Размеры газовых турбин варьируются от микротурбин мощностью <50 л. с. (37,3 кВт) до больших промышленных турбин мощностью> 250 000 л.с. (190 кВт). На этой странице рассказывается о газотурбинном двигателе, различиях между типами турбин и элементах, которые следует учитывать при их использовании в качестве первичного двигателя.

Процесс

Как показано в Рис.1 и Рис. 2 , «открытый» цикл Брайтона — это термодинамический цикл для всех газовых турбин. Этот цикл состоит из:

  • Адиабатическое сжатие
  • Нагрев постоянного давления
  • Адиабатическое расширение

Газовая турбина состоит из следующих компонентов:

  • Воздушный компрессор
  • Камера сгорания
  • Силовая турбина, вырабатывающая мощность для привода воздушного компрессора и выходного вала

  • Фиг.1 — Упрощенная схема газовой турбины простого цикла.

  • Рис. 2 — Типичный «открытый» цикл Брайтона для газовых турбин.

Воздух поступает на вход компрессора в условиях окружающей среды (точка 1), сжимается (точка 2) и проходит через систему сгорания, где он объединяется с топливом и «сжигается» до максимальной температуры цикла (точка 3). Нагретый воздух расширяется через секцию турбины газогенератора (между точками 3 и 5), где энергия рабочего тела извлекается для выработки энергии для привода компрессора, и расширяется через силовую турбину для привода нагрузки (точка 7). .Затем воздух выбрасывается в атмосферу. Система запуска используется, чтобы довести воздушный компрессор до скорости, достаточной для подачи воздуха для сгорания с топливом, впрыскиваемым в камеру сгорания. Цикл сгорания турбины с непрерывным горением в сочетании с непрерывным вращением ротора турбины позволяет работать практически без вибраций, а также с меньшим количеством движущихся частей и точек износа, чем у других первичных двигателей.

Проектное рассмотрение и эксплуатация

Максимальная температура цикла, TRIT

Выходная мощность газовой турбины может быть увеличена путем увеличения максимальной температуры цикла.Максимальная температура цикла обозначается TRIT, что означает температуру на входе в ротор турбины. API 616 определяет номинальную температуру горения как рассчитанную поставщиком температуру на входе в турбину (TIT) непосредственно перед ротором первой ступени турбины для непрерывной работы при номинальной выходной мощности. TRIT рассчитывается непосредственно перед ротором первой ступени турбины и включает расчетные эффекты охлаждающего воздуха и падения температуры на лопатках статора первой ступени.

Воздушный поток

Выходная мощность газовой турбины также может быть увеличена за счет увеличения массового расхода воздуха через газовую турбину.Геометрия газовой турбины, особенно компрессора, и скорость компрессора определяют основной массовый расход воздуха. Увеличение потока требует увеличения скорости, которая ограничена максимальной скоростью непрерывного хода любой конкретной конструкции. При заданной скорости увеличение плотности входящего воздуха увеличивает массовый расход воздуха. Плотность воздуха на входе увеличивается прямо пропорционально атмосферному давлению и обратно пропорционально температуре окружающей среды.

Основными параметрами, влияющими на выходную мощность, являются скорость и TRIT для любой данной механической / аэродинамической конструкции.Увеличение любого из этих параметров увеличивает выходную мощность газовой турбины. Скорость и температура могут определяться желаемой выходной мощностью и теплопроизводительностью в пределах ограничений, налагаемых следующими факторами:

  • Срок службы компонентов
  • Стоимость
  • Техническая возможность

Ограничение скорости

По мере увеличения скорости газовой турбины центробежные силы на вращающиеся компоненты возрастают. Эти силы увеличивают нагрузку на вращающиеся компоненты, особенно на следующие:

  • Диски
  • Лезвия
  • Крепление лезвия к диску

Материалы компонентов имеют пределы напряжений, которые прямо пропорциональны их пределам скорости, и их нельзя превышать.Таким образом, максимальная непрерывная скорость вращающегося элемента зависит от:

  • Геометрия ротора
  • Свойства материала компонента
  • Расчетные факторы безопасности

Это наивысшая допустимая скорость для непрерывной работы.

Температурные ограничения

Одним из способов увеличения выходной мощности является увеличение расхода топлива и, следовательно, TRIT. По мере увеличения TRIT компоненты горячей секции работают при более высоких температурах металла, что сокращает время между проверками (TBI) газовой турбины.Поскольку срок службы материалов горячей секции ограничен нагрузкой при высокой температуре, существуют ограничения на максимальные температуры для данного значения TBI. Срок службы материала быстро уменьшается при повышении температуры. TBI — это функция времени в TRIT и скорости изменения TRIT во время переходных процессов, таких как запуск. Предел ползучести или разрушения под напряжением определяется свойствами материала в зависимости от уровня их напряжения и рабочей температуры.

Рейтинг

Номинальный балл может быть установлен для определения характеристик газовой турбины для определенных условий окружающей среды, потерь в воздуховоде, топлива и т. Д.

Международная организация по стандартизации определяет свои стандартные условия как:

  • 59 ° F
  • 1,013 бар
  • Относительная влажность 60% без потерь

Это стало стандартным рейтингом для сравнения турбин различных производителей и конструкций.

Рейтинг сайта

Рейтинг площадки — это заявление об основных характеристиках газовой турбины в конкретных условиях площадки, включая:

  • Температура окружающей среды
  • Высота
  • Потери давления в воздуховоде
  • Контроль выбросов
  • Состав топлива
  • Коробка отбора мощности вспомогательная
  • Компрессор вытяжной
  • Уровень выходной мощности

Например, повышение температуры окружающей среды снижает выходную мощность со скоростью, зависящей от конструкции газовой турбины.

Температура воздуха на входе

Рис. 3 связывает следующее с температурой воздуха на входе при оптимальной частоте вращения силовой турбины для примера газовой турбины:

  • Выходная мощность
  • Расход топлива
  • Температура выхлопных газов
  • Выхлопной поток

  • Рис. 3 — Выходная мощность в зависимости от температуры воздуха на входе в компрессор.

Повышение КПД турбины

Простой цикл

Большая часть механической энергии, извлекаемой из газового потока турбиной, требуется для приведения в действие воздушного компрессора, а оставшаяся часть используется для привода механической нагрузки.Энергия газового потока, не извлеченная турбиной, выбрасывается в атмосферу в виде тепла.

Рекуперативный цикл

В рекуперативном цикле, также называемом регенеративным циклом, воздух на выходе из компрессора предварительно нагревается в теплообменнике или рекуператоре, источником тепла которого является выхлоп газовой турбины. Энергия, передаваемая из выхлопных газов, снижает количество энергии, которое должно быть добавлено топливом. На рис. 4 экономия топлива представлена ​​заштрихованной областью от 2 до 2 ‘.В стационарных рекуператорах используются три основных конструкции:

  • Пластинчатое ребро
  • Кожух и труба
  • Первичная поверхность

  • Рис. 4 — Рекуперативный цикл.

Комбинированный цикл

Добавление цикла парового дна к циклу Брайтона использует тепло выхлопных газов для производства дополнительной мощности, которую можно использовать в общей нагрузке, как показано на рис. 5 , или для отдельной нагрузки.Заштрихованная область представляет собой дополнительный ввод энергии.

Система впуска воздуха

Фильтрация входящего воздуха. Качество воздуха, поступающего в газовую турбину, является очень важным фактором при проектировании. Эффективность турбины со временем будет снижаться из-за отложений, накапливающихся на внутреннем пути потока турбины и вращающихся лопастях. Это скопление приводит к увеличению технического обслуживания и расходу топлива. Выбор и поддержание надлежащей системы фильтрации входящего воздуха для конкретных условий объекта повлияет на скорость снижения эффективности с течением времени.

Падение давления

Очень важно минимизировать падение давления воздуха, проходящего через: Впускной канал Впускной воздушный фильтр Впускной глушитель (см. «Подавление шума» ниже)

Потеря давления атмосферного воздуха, поступающего в турбину, сильно влияет на производительность газовой турбины.

Подавление шума

Шум, производимый газовой турбиной, в основном находится в высокочастотных диапазонах, которые не передаются в отличие от низкочастотных шумов, создаваемых низкооборотными первичными двигателями, такими как поршневые двигатели.Большая часть высокочастотного шума, производимого турбиной, генерируется во впускном отверстии для воздуха, и меньшая его часть исходит от выхлопных газов. Источники шума и метод ослабления следующие:

Воздухозаборник

Глушитель на впуске должен быть специально разработан с учетом профиля шума газовой турбины и требований площадки. Этот глушитель устанавливается на воздухозаборнике между воздушным фильтром и входом в воздушный компрессор турбины.

Выхлоп

Глушитель выхлопа должен быть специально разработан с учетом профиля шума газовой турбины и требований площадки. Высота выхлопной трубы в сочетании с глушителем является важным фактором. Выпуск горячих выхлопных газов на максимально возможную высоту снижает измеримый шум на уровне земли, а также имеет дополнительное преимущество, заключающееся в уменьшении вероятности рециркуляции горячих выхлопных газов обратно в воздухозаборник. Потеря давления (противодавление) на выхлопе турбины сильно влияет на производительность газовой турбины.

Кожух / коробка передач / ведомое оборудование

Шумопоглощающий кожух (и) может быть установлен непосредственно над оборудованием, например над ограждением для пешеходов на салазках или над зданием, содержащим оборудование, изолированным в соответствии с требованиями, или над обоими.

Масляный радиатор

Наиболее распространенным методом охлаждения масла является использование воздухообменника / охладителя с вентилятором. Они создают шум вентилятора, которым можно управлять с помощью скорости кончика вентилятора. Использование кожухотрубных охладителей воды может снизить уровень шума при наличии охлаждающей среды.

Типы газовых турбин

Конструкции турбин

можно различить по:

  • Вид работы
  • Типы камер сгорания
  • Конфигурация вала
  • Степень упаковки

Виды нагрузки

Турбинные двигатели авиационные

Авиационные газотурбинные или реактивные двигатели имеют сложную конструкцию и имеют малый вес специально для двигателей самолетов.Эти конструкции требуют максимальной мощности или тяги при минимальном весе и максимальной топливной эффективности. Турбины самолетов имеют роликовые подшипники и имеют высокие температуры горения, требующие экзотической металлургии. Они могут работать на ограниченном количестве видов топлива. Когда реактивный двигатель используется в промышленности, он должен быть соединен с независимой силовой турбиной для выработки мощности на валу.

Тяжелые промышленные газотурбинные двигатели

Основные конструктивные параметры тяжелых промышленных газотурбинных двигателей произошли от промышленных паровых турбин, которые имеют более низкие скорости, тяжелые роторы и большие корпуса, чем реактивные двигатели, для обеспечения более длительного срока службы. Эти газовые турбины способны сжигать самый широкий спектр жидкого или газового топлива.

Газотурбинные двигатели легкой промышленности

Основные конструктивные параметры и технологии, используемые в авиационных турбинах, могут быть объединены с некоторыми конструктивными аспектами тяжелых промышленных газовых турбин для производства более легкой промышленной турбины с сроком службы, приближающимся к сроку службы тяжелой промышленной газовой турбины. Эти двигатели называются легкими промышленными газотурбинными двигателями.

Типы камер сгорания

Камера сгорания радиальная или кольцевая

Эта камера сгорания окружает вращающиеся части газовой турбины и является неотъемлемой частью корпуса двигателя ( Рис.6 ). Эта конструкция используется в авиационных турбинах и легких промышленных газовых турбинах.

  • Рис. 6 — Типовой разрез газовой турбины.

Камера сгорания

Это одно- или многотопливная система сгорания, отделенная от вращающейся турбины в виде баков внешнего сгорания ( Рис. 7 ). Конструкции, в которых используется этот тип камеры сгорания, могут сжигать более широкий спектр видов топлива.

  • Рис. 7 — Типовая газовая турбина с камерой сгорания (в разрезе).

Конфигурация вала

Один вал

Газовая турбина может иметь одновальную или двухвальную конструкцию. Одновальная конструкция состоит из одного вала, соединяющего воздушный компрессор, турбину газогенератора и силовую турбину как один вращающийся элемент ( Рис. 1 ). Эта конструкция лучше всего подходит для приложений с постоянной скоростью, таких как привод электрогенераторов с постоянной частотой.

Два вала

Двухвальная конструкция имеет воздушный компрессор и газогенератор на одном валу, а силовую турбину — на втором независимом валу.Такая конструкция обеспечивает гибкость по скорости, необходимую для более эффективного охвата более широкой карты характеристик приводимого оборудования. Это позволяет производителю газа работать со скоростью, необходимой для развития мощности, необходимой для приводимого в действие оборудования, такого как центробежные компрессоры или насосы. На рис. 6 показан вид в разрезе типичной двухвальной газовой турбины. Основные компоненты включают компрессор, систему сгорания, турбину газогенератора и силовую турбину. Эта конструкция включает двухступенчатую турбину генератора газа и двухступенчатую силовую турбину.

Степень упаковки

Нормой для большинства газовых турбин, используемых в промышленности, является встраивание газовой турбины в базовую раму / салазки со всеми компонентами, необходимыми для основного рабочего агрегата. Сюда входят такие системы, как:

  • Пусковая система
  • Топливная система
  • Система смазки
  • Панель местного управления
  • В некоторых случаях коробка передач и приводное оборудование.

Дополнительные операционные системы, как правило, представляют собой отдельные предварительно спроектированные комплектные системы, которые могут быть предоставлены и настроены производителем турбины.В эту категорию входят такие системы, как:

  • Фильтрация / глушитель воздуха на входе
  • Маслоохладители
  • Системы дистанционного управления
  • Корпуса со звукоизоляцией
  • Глушители выхлопных газов

Выбросы выхлопных газов

Ухудшение атмосферы из-за газообразных загрязнителей является важной экологической проблемой. Газовая турбина с базовым циклом конструкции обеспечивает более чистое сгорание и производит более низкий уровень загрязняющих веществ по сравнению с другими первичными двигателями, что является большим преимуществом.Обычно регулируемые загрязняющие вещества газовой турбины:

  • Оксиды азота
  • Окись углерода
  • Углеводороды несгоревшие
  • Твердые частицы
  • Диоксид серы

Решение некоторых, но не всех, из этих проблем загрязнения лежит в камере сгорания газовой турбины. Далее следует краткое обсуждение.

Оксиды азота (NO

x )

Регулируются только два из семи оксидов азота: NO и NO2, вместе именуемые NO x .Почти все проблемы с выбросами, связанные с первичными двигателями, связаны с производством NO x и контролем NO x . Газовая турбина относительно чиста по сравнению с другими первичными двигателями. Например, газовые турбины, работающие на природном газе, обычно производят от 4 до 12 раз меньше NOx на единицу мощности, чем поршневые двигатели. Однако NOx является основным фактором при разрешении газотурбинных установок.

Окись углерода (CO)

CO также находится на очень низком уровне в выхлопных газах турбины из-за избытка воздуха в процессе сгорания.Поэтому обычно это не проблема. Однако в некоторых областях, где уровень CO в окружающей среде чрезвычайно высок или когда для контроля NO x в газовой турбине используется закачка воды, CO может быть фактором при получении разрешений.

Несгоревшие углеводороды (UHC)

В отличие от поршневых двигателей, которые производят значительное количество UHC, газовые турбины производят небольшое количество UHC, потому что большое количество избыточного воздуха, участвующего в процессе сгорания газовой турбины, полностью сжигает почти все углеводороды.Следовательно, выбросы UHC редко являются существенным фактором при получении экологических разрешений для газовых турбин.

Твердые частицы

Не были усовершенствованы методы измерения твердых частиц, дающие значимые результаты в выхлопах газовых турбин. Это редко является фактором при получении разрешений на газовые турбины, когда в газовой турбине сжигается чистое топливо.

Диоксид серы (SO

2 )

Почти все оборудование для сжигания топлива, включая газовые турбины, преобразует всю серу, содержащуюся в топливе, в SO 2 .Это делает SO 2 проблемой топлива, а не проблемой, связанной с характеристиками турбины. Единственный эффективный способ контролировать SO 2 — это ограничение количества серы, содержащейся в топливе, или удаление SO 2 из выхлопных газов с помощью процесса мокрой очистки.

Контроль выбросов

Необходимость соответствовать или превосходить нормы выбросов, установленные федеральными, государственными и местными кодексами, потребовала от производителей промышленных газовых турбин разработки более экологически чистых турбин.Системы сухого выброса были разработаны с форсунками с предварительным смешиванием бедного топлива, специальной технологией сжигания и средствами управления для снижения выбросов NOx и CO за счет создания более низких максимальных температур пламени и более полного окисления углеводородного топлива. Все производители промышленных газовых турбин имеют сухие продукты с низким уровнем выбросов. Производительность зависит от конкретного продукта из-за различий в конструкции камеры сгорания.

Эти системы сжигания обедненной смеси снижают образование NOx и CO до очень низких уровней, тем самым делая ненужным использование дорогостоящих каталитических преобразователей, требующих больших затрат на обслуживание, для удаления NOx и CO после их образования.В областях с очень высокими эксплуатационными характеристиками может возникнуть необходимость в некоторых газовых турбинах использовать селективные каталитические нейтрализаторы для дальнейшего снижения уровня NOx и CO. В качестве топлива для газовой турбины выбирается чистый сухой природный газ, который производит самые чистые выхлопные газы.

Тепло выхлопных газов

Газовые турбины имеют большую часть тепловых потерь из цикла, выходящего на выхлоп. Это тепло можно рекуперировать и использовать для увеличения общего теплового КПД сжигаемого топлива. Наиболее распространенный метод использования тепла выхлопных газов — производство пара.

Список литературы

Используйте этот раздел для цитирования элементов, на которые есть ссылки в тексте, чтобы показать ваши источники. [Источники должны быть доступны читателю, т. Е. Не внутренний документ компании.]

Интересные статьи в OnePetro

Используйте этот раздел, чтобы перечислить статьи в OnePetro, которые читатель, желающий узнать больше, обязательно должен прочитать

Внешние ссылки

Используйте этот раздел, чтобы предоставить ссылки на соответствующие материалы на других веб-сайтах, кроме PetroWiki и OnePetro.

См. Также

Первичные движители

Поршневые двигатели

PEH: Prime_Movers

Газовая турбина / Дизельные двигатели / Газовые двигатели ｜ Ресурсы, энергия и окружающая среда ｜ Продукция ｜ IHI Corporation

IHI ​​предлагает широкий спектр продукции для выработки электроэнергии, включая газовые турбины, дизельные двигатели и газовые двигатели с энергосистемами простого цикла, когенерации и комбинированного цикла. Мы также предоставляем удаленный мониторинг, техническое обслуживание двигателя и другие услуги на протяжении всего жизненного цикла продукта. Мы добиваемся сокращения выбросов NOx и CO2 за счет использования газовых турбин с высоким КПД и низким уровнем выбросов. Поставляем газовые турбины для скоростных судов и других морских судов. Мы также поставляем полный спектр дизельных двигателей, от больших двигателей, способных работать на средней и низкой скорости, до моделей малого и среднего размера, обеспечивающих низкие, средние и высокие скорости. В наш разнообразный модельный ряд входят дизельные двигатели для наземных электрогенераторов.

Газотурбинные установки для выработки энергии

Газотурбинная электростанция «ЛМ6000»

Это электростанции класса 100 МВт, которые сочетают в себе две газовые турбины LM6000, два парогенератора с рекуперацией тепла и одну паровую турбину, чтобы производить самую эффективную в мире выработку электроэнергии, а также обеспечивать наилучшие экологические характеристики и надежность.

Газотурбинная электростанция «ЛМ2500»

Это электростанции класса 20–30 МВт, в которых используется высокоэффективная и очень надежная газовая турбина LM2500, созданная на основе легкого и компактного авиадвигателя.

Системы когенерации

Газотурбинная когенерационная установка «IM270»

Это типичные энергосберегающие системы, которые вырабатывают 2 МВт мощности и 6 тонн пара в час за счет сочетания нашей оригинальной спроектированной и разработанной газовой турбины IM270 с высоким КПД и низким уровнем выбросов NOx и парогенератора с рекуперацией тепла.

Когенерационная система «IM400 IHI-FLECS»

Это системы когенерации класса 4–6 МВт и оригинальные системы когенерации IHI, которые могут изменять выработку как электроэнергии, так и тепла (пара) в соответствии с потребностями.Если имеется избыток пара, его можно преобразовать в выработку электроэнергии для рекуперации энергии.

Двигатели среднего / большого размера

Двухтопливный двигатель «DU-WinGD 6X72DF»

Это двухтопливный двигатель, использующий технологию сгорания с предварительным смешиванием и обедненным сжиганием, которые считались технически сложными для низкооборотного двухтактного двигателя.
Это большая функция, позволяющая существенно снизить количество выбросов NOx двигателем.

Дизельный двигатель DU-Win GD 9X82

Двигатели X — это двигатели нового поколения, которые разработаны и спроектированы с высокой эксплуатационной гибкостью, чтобы адаптироваться к различным условиям работы двигателя и удовлетворять требованиям более низкого расхода топлива.Двигатели 9X82 установлены на контейнеровозах господа NYK 14 000 TEU в качестве главного двигателя. Эти двигатели 9X82 оснащены «двойной рейтинговой системой», которая включает функции оптимизации двух диапазонов мощности для работы с высокой и низкой нагрузкой. Эта «Двойная рейтинговая система» — лучшая в мире технология, которая позволяет судам значительно снизить потребление топлива и сократить выбросы CO2 для обоих диапазонов, что значительно способствует экономии энергии при эксплуатации судна.

DU-S.E.M.T. Дизельный двигатель Pielstick

Четырехтактный среднеоборотный двигатель, используемый в качестве основного двигателя для больших паромов и патрульных катеров береговой охраны, а также в качестве генератора для наземных электростанций.

Дизельный двигатель NIIGATA «28AHX»

Дизельный двигатель — это «экологичный» среднеоборотный дизельный двигатель (от 2070 до 6660 кВт) следующего поколения, который, очевидно, соответствует требованиям IMO Tier II NOx, а также ориентирован на будущее судовых двигателей. В качестве земли, используемой для генераторов энергии (от 2000 до 6300 кВт), дизельный двигатель достигает показателя мирового класса по высокой эффективности и низкому расходу топлива, используя как DO, так и HFO.

Двухтопливный двигатель NIIGATA «28AHX-DF»

28AHX-DF — это экологически чистый двигатель, соответствующий нормам IMO Tier III по NOx в газовом режиме.В нем используется сжигание чистого газа, что позволяет соответствовать новым правилам без избирательного каталитического восстановления (SCR).

Системы выработки электроэнергии на газовых двигателях

НИИГАТА Газовый двигатель «28АГС»

Газовый двигатель вносит значительный вклад в сокращение выбросов CO2 за счет высокоэффективной работы с использованием природного и городского газа, а также низкокалорийных газов, таких как газообразные в плавильных печах.
2000–6000 кВтэ, серия AGS с зажиганием от свечи зажигания и серия AG с микропилотным зажиганием поставляются как в Японии, так и за рубежом в качестве стационарных генераторов энергии.

Силовые установки

Азимутальное подруливающее устройство NIIGATA «Z-PELLER®»

Z-PELLER® — самая популярная силовая установка на мировом рынке буксиров.Заказчики высоко оценивают этот силовой агрегат за его высокое качество и долговечность.
Наша линейка Z-PELLER® предлагает непрерывную мощность от 735 кВт (1000 л. с.) до 3310 кВт (4500 л.с.), что позволяет нам реагировать на различные потребности клиентов.

Оборудование для впрыска топлива

Оборудование для впрыска топлива

NICO производит и поставляет так называемое оборудование для впрыска топлива, клапан впрыска топлива и насос впрыска топлива для 4-тактного двигателя Deisel для производителей двигателей, таких как отечественные производители двигателей, европейцев, корейцев и китайцев, а также Niigatra Power Systems Материнская компания NICO. NICO также разрабатывает FIE с электрическим управлением (то есть CRS: Common Rail System), а также обычные механические FIE.

Ссылки

Запросы на продукцию

Прочие товары

Продукты

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *