Как работает газотурбинный двигатель: Газотурбинный двигатель (ГТД) — Что такое Газотурбинный двигатель (ГТД)?

Газотурбинный двигатель (ГТД) — Что такое Газотурбинный двигатель (ГТД)?

, Обновлено 14 ноября 11:34

9502

В отличие от поршневого двигателя в ГТД процессы происходят в потоке движущегося газа

Источник: Ростех

Газотурбинный двигатель (ГТД) — тепловой двигатель, любой двигатель внутреннего сгорания (ДВС), в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины.

В отличие от поршневого двигателя в ГТД процессы происходят в потоке движущегося газа.
От ГТД можно получить полезную работу или тягу:

  • приводить в действие генератор,  насос или воздушный винт;
  • развивать тягу за счет ускорения потока выхлопных газов турбины через сопло.
     

ГТД работает следующим образом:

  1. сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, туда же подается топливо, которое, сгорая, образует большое количество продуктов сгорания под высоким давлением;
  2. в газовой турбине энергия газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счет вращения струей газа лопаток, большая часть которой расходуется на сжатие воздуха в компрессоре;
  3. остальная часть работы передается на приводимый агрегат. Работа, потребляемая этим агрегатом, является полезной работой ГТД.

Газотурбинные двигатели имеют самую большую удельную мощность среди ДВС, до 6 кВт/кг.

В качестве топлива может использоваться любое горючее, которое можно диспергировать:

  • бензин,
  • керосин,
  • дизтопливо,
  • мазут,
  • природный газ,
  • судовое топливо,
  • водяной газ,
  • спирт, 
  • измельченный уголь.

Существует 2 вида ГТД в зависимости от количества турбин:

  • одновальные — простейшие ГТД, которые имеют только 1 турбину; такие ГТД имеют ограничения в режиме работы;
  • многовальные — имеется несколько последовательно стоящих турбин, каждая из которых приводит свой вал; турбина высокого давления (первая после камеры сгорания) всегда приводит компрессор двигателя, а последующие могут приводить как внешнюю нагрузку (винты вертолета или корабля, мощные электрогенераторы и т. д.), так и дополнительные компрессоры самого двигателя, расположенные перед основным.

Наиболее важным применением газовых турбин является авиация, где они обеспечивают движущую силу для реактивных двигателей.

ГТД широко используются в газотурбинных электростанциях (ГТЭС) среднего размера с «пиковой нагрузкой» для периодической работы в течение коротких периодов высокой потребности в мощности в электрической системе.
На первых промышленных ГТУ использовались авиационные агрегаты, работающие при пониженных температурах на входе в турбину. 
Сейчас используют специальные ГТД для работы:

  • в ГТЭС, 
  • в газоперекачивающих агрегатах (ГПА) на компрессорных станциях (КС) магистральных газопроводов.

Первая успешная газовая турбина, построенная в г. Париже в 1903 г., состояла из 3-цилиндрового многоступенчатого поршневого компрессора, камеры сгорания и импульсной турбины. 
Она работал следующим образом:

  • воздух, подаваемый компрессором, сжигался в камере сгорания с жидким топливом;
  • образовавшиеся газы охлаждались за счет впрыска воды и подавались на импульсную турбину. 

Тепловой КПД составлял около 3 % .

    #Газотурбинный двигатель #ГТД

    Последние новости

    Газотурбинный двигатель принцип работы

    Газотурбинный двигатель – это то, что в последнее время используется как энергетическая установка для машины. И это связано не только с несомненными преимуществами данного агрегата. Газотурбинный двигатель способен развить мощность, которая просто необходима некоторым автомобилям.

    • Конструкция
    • Материалы
    • Газотурбинный двигатель: принцип работы устройства
    • Отличительные свойства
    • Принцип работы газотурбинного двигателя
    • Сфера использования газотурбинных двигателей

    Конструкция

    Благодаря тому, что у этого агрегата отсутствуют возвратно-поступательно двигающиеся части, а также тому, что его ротор обладает высокой частотой вращений, можно существенно уменьшить габаритные размеры и удельную массу этого двигателя (если сравнивать с дизелем). А это, в свою очередь, позволяет рассмотреть его как перспективный агрегат. Итак, чтобы создать газотурбинный двигатель своими руками (данным процессом интересуются многие – это реально, однако весьма трудно), нужно иметь турбины, камеру сгорания и компрессор.

    Также в его комплектацию входят стартер, масляный насос, регулятор частоты вращений и другое оборудование. Как правило, в автомобильных двигателях газотурбинного типа применяется центробежный одноступенчатый компрессор, при помощи которого давление воздуха увеличивается в 3,5 раза. Чтобы достичь указанного давления, нужно, чтобы компрессорное колесо вращалось с как можно большей скоростью. А она составляет около 420-450 метров в секунду.

    Материалы

    Для изготовления камеры сгорания чаще всего используется листовой жаростойкий материал. Газотурбинный двигатель в своей комплектации имеет осевую и центростремительную турбины. Они же состоят из рабочего колеса и соплового аппарата. Газ в осевой турбине, проходя по каналам, которые находятся в рабочем колесе, изменяет направление своего движения. При этом оказывается давление на лопатки. Благодаря этому образуется  сила, которая приводит во вращение рабочее колесо.

    Газотурбинный двигатель: принцип работы устройства

    Компрессорный вал при помощи стартера приводится в движение. Пусковая частота вращения составляет 2530% от номинальной. Сжатый воздух подается компрессором в камеру сгорания, а в неё через форсунку нагнетается топливо с помощью шестеренчатого насоса. После этого посредством электрической свечи накаливания поджигается горючее. И как только устойчивая зона горения образована, последующее горючее воспламеняется от соприкосновения с огнем, а отработанные газы затем уходят в атмосферу через выпускную трубу.

    Отличительные свойства

    Хочется отметить, что газотурбинный двигатель обладает еще и высочайшими пусковыми качествами. Несмотря на то, что его стартер имеет достаточно небольшую производительность, он может обеспечить пуск при абсолютно любой температуре внешней среды. Это очень хорошее качество.

    И еще одно его существенное преимущество – достаточно малая токсичность газов, которые отрабатываются двигателем: она в 37 раз меньше тех, которые извергает дизель. Из этого можно сделать вывод, что такой двигатель еще и безопасен для окружающей среды.

    Принцип работы газотурбинного двигателя

    Газотурбинный двигатель (ГТД) представляет собой разновидность теплового двигателя, в конструкции которого имеются лопаточные машины. Особенностью работы является то, что превращение энергии горящего топлива в механическую работу происходит в нем непрерывно.

    В ГТД составные части рабочего цикла, включающего сжатие воздуха, отвод теплоты к рабочему телу и расширение, разобщены между собой и протекают в разных местах.

    Газотурбинный двигатель может быть использован в качестве теплового двигателя на газотурбовозах и самолетах.

    Газотурбинный двигатель может работать на любом виде и сорте топлива (жидкое, твердое и газообразное).

    На сегодняшний день известно много конструкций и схем ГТД, отличающихся друг от друга следующими параметрами:

    • условиями сжигания топлива — с внутренним и внешним сжиганием;

    • использованием рабочего тела в круговом процессе — разомкнутые и замкнутые системы;

    • количеством валов — одновальные, двух- и многовальные.

    Рис. 2. Принципиальная схема одновального газотурбинного двигателя:

    1 — корпус газовой турбины; 2 — рабочее колесо газовой турбины; 3 — топливный насос; 4 — свободный вал; 5— воздушный компрессор; 6 — воздухозаборное устройство воздушного компрессора; 7— электрическая свеча зажигания; 8— камера сгорания; 9 — направляющий аппарат; 10 — газоотвод; II — потребитель мощности; 12 — пусковой двигатель

    В установках СПГГ обычно используется низкосортное топливо. Турбина работает на газе с относительно невысокой температурой (500… 600 °С), поэтому для изготовления лопаток может быть использован менее жаропрочный материал. КПД таких установок достигает 35 %, однако они имеют увеличенную массу и габариты по сравнению с дизелями с газотурбинным наддувом.

    Экономичность работы ГГД можно улучшить за счет повышения температуры газов перед турбиной, использования многовальных систем, применения регенерации и утилизации теплоты уходящих газов (например, для отопления и кондиционирования воздуха в вагонах), применения промежуточного охлаждения воздуха при сжатии и промежуточного подвода теплоты к газу при его расширении. Обеспечение этих мероприятий требует применения жаропрочных сталей для лопаток турбины, использования металлокерамических материалов, воздушного охлаждения части турбины. При этом КГТД действующих установок повышается до 33… 40 %.

    Существуют проектные разработки и попытки создания локомотивных газотурбинных двигателей на твердом или пылевидном топливе.

    Газотурбинная установка компактна, обладает малой массой на единицу мощности, не содержит деталей с возвратно-поступательным движением, которое приводит к более быстрому износу двигателя, отличается малыми затратами на содержание оборудования. Она может работать без потребления воды, в ней легко полная автоматизация процессов, имеется реальная возможность для сжигания в камере сгорания различных видов топлива, а также имеет относительно постоянный вращающий момент на валу отбора мощности.

    Особенность ГТД, применяемых в авиации, является то, что энергия сгорания топлива преобразуется в энергию истечения газов, которые с большой скоростью через выпускную систему ГТД выбрасываются в атмосферу. Тяга при работе этих двигателей возникает за счет разности количеств движения (произведения массы на скорость), выходящего из выпускной системы газовоздушного потока и входящего в приемное устройство ГТД воздуха. Тяга направлена при этом в сторону, противоположную направлению истечения газов, т. е. является реактивной. Нетрудно представить себе, что для увеличения тяги реактивного двигателя необходимо увеличить разность количеств движения, т. е. на выходе из ГТД произведение массы на скорость должно значительно превышать такую же величину на входе. Решению этой задачи служат все элементы конструкции ГТД.

    Существуют три типа газотурбинных двигателей: турбореактивные, турбореактивные двухконтурные и турбовинтовые. Рассмотрим принцип работы каждого типа двигателя.

    Сфера использования газотурбинных двигателей

    На сегодняшний день существует несколько различных видов двигателей, которые отличаются друг от друга по принципу работы. Один из них — газотурбинный двигатель. Он создан таким образом, что, переняв все ключевые достоинства бензиновых и дизельных поршневых двигателей, получил ряд неоспоримых преимуществ.

    Газотурбинный двигатель, принцип работы которого заключается в проведении топлива через ряд турбинных лопастей, приводит их в движение с помощью расширяющегося газа. Он относится к моделям внутреннего сгорания. Газотурбинные двигатели делятся на одно- и двухвальные. Их КПД прямо пропорционален температуре сгорания топлива. Самые элементарные модели  — одновальные, имеющие единственную турбину. Двухвальные не только сложнее в устройстве, но и способны выдерживать большие нагрузки.

    Как правило, газотурбинные двигатели используются в грузовых автомобилях, кораблях и локомотивах. Производятся опыты по разработке таких механизмов для легковых автомобилей.

    В настоящее время существует большое количество моделей таких двигателей, многие из которых значительно превосходят своих предшественников большей производительностью, меньшими размерами, габаритами и весом. Также газотурбинный двигатель является более безопасным и нейтральным для окружающей среды. Он производит меньше шума и вибрации, а также расходует намного меньше топлива. Это основные преимущества, которыми обладает газотурбинный двигатель.

    Именно газотурбинные механизмы подарили человечеству множество современных возможностей. Без них не существовали бы трансконтинентальные перекачки газа и перелеты больших авиалайнеров на большие расстояния. Газотурбинный двигатель способен вырабатывать огромное количество энергии с минимальными затратами топливных ресурсов. Он представляет собой самую сложную технологическую конструкцию среди всех, что были разработаны за прошедший век.

    Итак, газотурбинный двигатель являет собой одно из самых грандиозных открытий двадцатого века, благодаря которому человечество получило колоссальные возможности для совершенствования технологий. Особенно ценным вкладом данной разработки становится то, что она позволяет экономить топливные ресурсы и практически не несет вреда окружающей среде, что крайне важно в наше время глобальных экологических кризисов.

    Понравилась статья? Расскажите друзьям:

    Оцените статью, для нас это очень важно:

    Проголосовавших: 2 чел.
    Средний рейтинг: 5 из 5.


    Инженерная школа Массачусетского технологического института | » Как работает реактивный двигатель?

    Как работает реактивный двигатель?

    Гораздо эффективнее, чем раньше. Читайте дальше…

    Джейсон М. Рубин

    Реактивные двигатели создают тягу вперед, всасывая большое количество воздуха и выпуская его в виде высокоскоростной струи газа. Их конструкция позволяет самолетам летать быстрее и дальше по сравнению с винтовыми самолетами. Их разработка и усовершенствование за последние 65 лет сделали коммерческие авиаперевозки более практичными и прибыльными, открыв мир для деловых путешественников и туристов.

    «Обычный реактивный двигатель — это газовая турбина, — говорит Джефф Дефо, научный сотрудник Лаборатории газовых турбин Массачусетского технологического института. «В простейшем случае он состоит из компрессора с лопастями, похожими на крылья, которые вращаются очень быстро. Это втягивает воздух и сжимает его, превращая его в газ под высоким давлением. Затем топливо впрыскивается в газ и воспламеняется. Это делает газ одновременно и высокого давления, и высокой температуры».

    Этот горящий поток газа под высоким давлением и высокой температурой теперь проходит через турбину — по сути, еще один набор лопастей, — который извлекает энергию из газа, снижая давление и температуру. «Турбина всасывает газ через двигатель и выходит через сопло, которое заметно увеличивает скорость за счет давления — давление уменьшается, а скорость увеличивается», — говорит Дефо. «Именно сила выброса газа обеспечивает тягу для движения самолета вперед».

    Помимо аспектов сжатия/воспламенения топлива/турбинной мощности реактивного двигателя, оболочка вокруг него также делает его более эффективным, чем открытый пропеллерный двигатель. «Вне оболочки пропеллер «видит» приближающийся к нему воздух с любой скоростью, с которой движется самолет», — говорит Дефо. «Это ограничивает скорость вращения винта до того, как величина результирующей тяги уменьшится, ограничивая скорость полета самолета. Поскольку оболочка реактивного двигателя поддерживает движение воздуха, поступающего в двигатель, с почти одинаковой скоростью независимо от скорости полета, самолет может летать быстрее».

    В наши дни реактивные двигатели даже более совершенны, чем базовая конструкция турбины, описанная выше. Теперь у них огромные вентиляторы спереди, и вместо того, чтобы выбрасывать газ прямо сзади, он проходит через вторую турбину, которая питает вентилятор спереди. В то время как старые реактивные двигатели потребляли меньшее количество воздуха и значительно ускоряли его, новые реактивные двигатели поглощали больше воздуха и немного ускоряли его. В результате двигатель потребляет гораздо меньше энергии. «До 1970-х годов транстихоокеанские рейсы требовали остановок для дозаправки», — отмечает Дефо.

    В Лаборатории газовых турбин Дефо и его коллеги работают над тем, чтобы сделать реактивные двигатели более тихими и еще более эффективными, изучая конструктивные изменения, такие как снятие двигателей с крыльев и размещение их рядом с фюзеляжем, где молекулы воздуха замедляются. вниз от трения. Самые большие реактивные двигатели могут иметь вентиляторы диаметром более десяти футов, но они также могут быть достаточно маленькими, чтобы поместиться на ладони. Полезно отметить, что массивные газовые турбины, построенные по тому же принципу, что и двигатели реактивных самолетов, также используются для выработки электроэнергии на электростанциях, работающих на природном газе.

    Спасибо 21-летнему Кумару Вишалу из Патны, Индия, за этот вопрос.

    Опубликовано: 14 февраля 2012 г.

    Работа газовой турбины и типы

    Работа газовой турбины и типы

    Работа газовой турбины и типы двигатель внутреннего сгорания, преобразующий химическую энергию в механическую. Основными элементами типичной газовой турбины являются: 1. Газовый компрессор 2. Камера сгорания 3. Турбина. Компрессор, камера сгорания и турбина называются ядром двигателя. Обычно они монтируются как единое целое и работают как полный первичный двигатель в так называемом открытом цикле, когда воздух всасывается из атмосферы, а продукты сгорания, наконец, снова выбрасываются в атмосферу.

    Работа газовой турбины

    Термодинамический процесс, используемый в газовой турбине, представляет собой цикл Брайтона (за исключением четвертого этапа). Воздух и топливо являются двумя основными компонентами, необходимыми для работы газовой турбины. Топливом обычно является природный газ, но также используются и другие жидкие виды топлива. Сначала воздух всасывается с одного конца турбины и проходит через секцию компрессора.

    Работа газовой турбины и типы

    При сжатии температура воздуха повышается, а давление также увеличивается. Далее топливо впрыскивается в турбину. Здесь он смешивается со сжатым воздухом и начинает гореть. Это химическая энергия. Соотношение воздуха и газа зависит от различных факторов, таких как удельная теплотворная способность газа, содержание влаги и качество воздуха. Горячий газ, образующийся при воспламенении смеси, контактирует с лопастями турбины, заставляя ее вращаться с очень высокой скоростью (около 3200 об/мин). Таким образом, химическая энергия была преобразована в механическую энергию. Обычно это происходит в реактивном двигателе.

    Газовые турбины также широко используются для производства электроэнергии. Они являются неотъемлемой частью электростанции с комбинированным циклом, в которой химическая энергия преобразуется в механическую энергию, а затем эта механическая энергия преобразуется в электрическую энергию. Как объяснялось ранее, горячий газ под давлением заставляет лопасти вращаться с высокой скоростью. Это приводит к вращению приводного вала. Затем эта энергия вращения передается на вал генератора (электрической машины) через редуктор.

    Генератор имеет большой магнит, окруженный катушками из медной проволоки. Когда этот магнит начинает вращаться с большой скоростью, создается мощное магнитное поле, которое, в свою очередь, вызывает движение электронов и, таким образом, вырабатывается электричество. Избыточная энергия, вырабатываемая в турбине, может быть использована для производства пара, который, в свою очередь, может быть использован для работы паровой турбины. Таким образом, совместное использование паровой и газовой турбин поможет повысить эффективность производства электроэнергии.

    Типы газовых турбин

    • Турбореактивный двигатель
    • Турбовинтовой двигатель
    • Турбореактивный двигатель
    • Турбореактивный двигатель с форсажной камерой

    Турбореактивный двигатель:

    Турбореактивный двигатель является самым простым из всех газотурбинных двигателей. Турбореактивный двигатель был впервые разработан в Германии и Англии до Второй мировой войны. Эти двигатели имеют ограниченный диапазон и выносливость, а также имеют высокий расход топлива. В этом типе двигателя воздух с высокой скоростью подается в камеру сгорания, где расположены впускное отверстие для топлива и воспламенители. Турбина, приводимая в движение расширяющимся воздухом, создает тягу за счет ускоренных выхлопных газов.

    Турбовинтовой:

    Турбовинтовые турбины являются наиболее часто используемыми двигателями в небольших самолетах, грузовых самолетах и ​​сельскохозяйственных целях, отчасти из-за их превосходной топливной экономичности.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *