Принцип работы газовой турбины

Насколько эффективна газовая турбина

КПД тепловой машины тем выше, чем выше температура нагревателя. В газовой турбине нагреватель — это газ при температуре около 800 градусов Цельсия. Много ли это? Обычный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) может иметь пиковую температуру внутри цилиндра в полторы тысячи градусов. Но горение в типовом четырехтактном двигателе занимает один такт — не более четверти времени работы, то есть средняя температура нагревателя меньше пиковой. В газовой турбине горение идет непрерывно, за счет чего ее КПД «догоняет» двигатель внутреннего сгорания и достигает 35–40%.

Из-за непрерывного горения топлива, а также более высокого давления в газотурбинной установке, ее лопатки и камеру сгорания нужно изготавливать из более жаропрочных материалов по сравнению с ДВС. Однако такие материалы и служат дольше.

Ротор газовой турбины вращается со скоростью до 200 оборотов в секунду. Для сравнения, обычный напольный вентилятор за это же время делает не более двадцати оборотов. Высокая скорость позволяет турбине генерировать много энергии при скромных размерах: из топлива извлекается две пятых его энергии. Но что происходит с остальными «возможностями» углеводородов? За счет чего газотурбинная установка так сильно востребована в энергетике, если по КПД газовая турбина сравнима с дизельным двигателем?

Температуры газов, выходящих из газовой турбины, достаточно, чтобы вращать турбину другого типа — паровую. КПД установки с двумя турбинами может быть выше 60%

ГТУ и их отличия от паровых турбин и ДВС

Газовые турбины отличаются от ДВС более простой конструкцией и легкостью ремонта. Важно и то, что в них не предусмотрен кривошипно-шатунный механизм, который делает ДВС громоздким и тяжелым. Турбина легче и меньше двигателя аналогичной мощности приблизительно в два раза. Кроме того, она может работать на топливе низкого сорта.

От паровых газовые турбины отличаются небольшими габаритами и простым запуском. Обслуживать их легче, чем установки, работающие на пару.

Имеют турбины и недостатки: они не настолько экономичны по сравнению с ДВС, сильнее шумят, быстрее приходят в негодность. Впрочем, это не мешает использовать ГТУ в транспорте, промышленности и даже быту. Турбины устанавливают на морских и речных судах, используют в электростанциях, насосном оборудовании и многих других сферах. Они удобны и мобильны, поэтому применяются достаточно часто.

Технические характеристики газовой турбины

Газовой турбиной принято называть своеобразный тепловой двигатель, его рабочим частям предопределено только одно задание – вращаться вследствие воздействия струи газа.

Устроена она таким образом, что главная часть турбины представлена колесом, на которое прикреплены наборы лопаток. Газ, воздействуя на лопатки газовой турбины, заставляет их двигаться и вращать колесо. Колесо в свою очередь жёстко скреплено с валом. Этот тандем имеет специальное название – ротор турбины. Вследствие этого движения, происходящего внутри двигателя газовой турбины, достигается получение механической энергии, которая передаётся на электрогенератор, на гребной винт корабля, на воздушный винт самолёта и другие рабочие механизмы аналогичного принципа действия.

Технические характеристики газовой турбины

Типы газовых турбин по конструкции и назначению

Самый основной тип газовой турбины — создающий тягу реактивной струей, он же самый простой по конструкции.
Этот двигатель подходит для самолетов, летающих на высокой скорости, и используется в сверхзвуковых самолетах и реактивных истребителях.

У этого типа есть отдельная турбина за турбореактивным двигателем, которая вращает большой вентилятор впереди. Этот вентилятор увеличивает поток воздуха и тягу.
Этот тип малошумен и экономичен на дозвуковых скоростях, поэтому газовые турбины именно этого типа используются для двигателей пассажирских самолётов.

Эта газовая турбина выдает мощность как крутящий момент, причем у турбины и компрессора общий вал. Часть полезной мощности турбины идет на вращение вала компрессора, а остальная энергия передается на рабочий вал.
Этот тип используют, когда нужна постоянная скорость вращения, например — как привод генератора.

В этом типе вторая турбина размещается после турбины с газогенератором, и вращательное усилие передается на нее реактивной струей. Эту заднюю турбину называют силовой. Поскольку валы силовой турбины и компрессора не связаны механически, скорость вращения рабочего вала свободно регулируется. Подходит как механический привод с широким диапазоном скоростей вращения.
Этот тип широко используется в винтовых самолетах и вертолетах, а также в таких установках, как приводы насоса/компрессора, главные судовые двигатели, приводы генератора и т.п.

Козырь газотурбинной установки

На выходе из турбины раскаленные газы имеют температуру 550 градусов Цельсия — этого недостаточно, чтобы быстро крутить ротор, но вполне хватает, чтобы «накормить» другие преобразователи энергии. На электростанциях извлечь из топлива максимум энергии газовым турбинам помогают паросиловые установки.

Разогретые до полутысячи градусов газы после турбины греют воду в котле. Вода закипает, и пар крутит другую, паровую, турбину. По своему устройству она напоминает газовую, но вращается медленнее (25–50 оборотов в секунду). Длина лопаток на паротурбинах может быть больше метра, а у типичной газовой турбины — десятки сантиметров. Паросиловая установка на ТЭС сама по себе редко имеет КПД выше 30%. Но если сложить этот коэффициент с более высоким у газовой турбины, КПД может превысить 60%.