Газова турбина Устройството и принципът на работа. Промишлено оборудване

“Турбокомпресор”, “турбореактивен”, “турбовитлов”, - тези термини са здраво включени в лексиката на инженерите на ХХ век, занимаващи се с проектиране и поддръжка на превозни средства и стационарни електрически инсталации. Те се използват дори в свързани области и реклама, когато искат да дадат на продукта някакъв намек за особена сила и ефективност. В авиацията, ракетите, корабите и електроцентралите най-често се използват газови турбини. Как е подредена? Работи ли се с природен газ (както подсказва името) и какъв вид газ са те? Какво прави една турбина различна от другите видове двигатели с вътрешно горене? Какви са неговите предимства и недостатъци? В тази статия се прави опит да се отговори възможно най-пълно на тези въпроси.

Руски инженер-лидер

Русия, за разлика от много други независими държави, които се сформираха след разпадането на СССР, успя да запази до голяма степен инженерната индустрия. По-специално, компанията "Сатурн" се занимава с производството на електроцентрали със специално предназначение. Газовите турбини на това дружество се използват в корабостроенето, суровините и енергията. Високотехнологичните продукти изискват специален подход при инсталиране, отстраняване на грешки и експлоатация, както и специални знания и скъпо оборудване за планирано техническо обслужване. Всички тези услуги са на разположение на клиентите на компанията "ODK - газови турбини", така че днес тя се нарича. В света няма много такива предприятия, въпреки че на пръв поглед принципът на организиране на основните продукти е прост. Натрупаният опит е от голямо значение, което позволява да се вземат предвид много технологични детайли, без които е невъзможно да се постигне дълготрайна и надеждна работа на блока. Тук са само част от продуктовата гама на UEC: газови турбини, електроцентрали, газопреносни блокове. Сред клиентите са "Росатом", "Газпром" и други "китове" на химическата промишленост и енергетиката.

Производството на такива сложни машини изисква във всеки случай индивидуален подход. Изчислението на газовата турбина в момента е напълно автоматизирано, но материалите и характеристиките на електрическите схеми във всеки отделен случай са от значение.

Всичко започна толкова просто ...

Търси и двойки

Първите експерименти за трансформиране на транслационната енергия на поток в ротационна сила бяха извършени от човечеството в древни времена, използвайки конвенционално водно колело. Всичко е много просто, течността тече отгоре надолу, ножовете са поставени в неговия поток. Колелото, оборудвано с тях по периметъра, се върти. Той също работи вятърна мелница. След това настъпи възрастта на парата и въртенето на колелото се ускори. Между другото, така нареченият "еолипил", изобретен от древната гръцка чапла около 130 години преди Христа, беше парна машина работи точно на този принцип. По същество това е първата известна на историческата наука газова турбина (в края на краищата, парата е газово агрегатно състояние на водата). Днес все още е прието да се разделят тези две понятия. Изобретяването на Херон след това в Александрия реагира без много ентусиазъм, макар и с любопитство. Промишленото оборудване тип турбина се появява едва в края на XIX век, след създаването на шведа от Густав Лавал, първия в света активен агрегат, оборудван с дюза. Приблизително в същата посока инженерът Парсънс работеше, снабдявайки колата си с няколко функционално свързани стъпала.

Раждането на газови турбини

Един век по-рано някакъв Джон Барбър дойде до някаква блестяща идея. Защо трябва първо да загреем парата, не е ли по-лесно да се използват отработените газове, генерирани по време на изгарянето на горивото, и по този начин да се елиминира ненужното посредничество в процеса на преобразуване на енергията? Така се появи първата реална газова турбина. Патентът от 1791 г. излага основната идея за използването му в превоз без кон, но неговите елементи сега се използват в модерни ракетни, самолетни резервоари и автомобилни двигатели. Началото на процеса на изграждане на реактивни двигатели е дадено през 1930 г. от Франк Уитъл. Той имаше идея да използва турбина за задвижване на самолета. По-късно е разработен в многобройни турбореактивни и турбореактивни проекти.

Газова турбина "Никола Тесла"

Известният учен-изобретател винаги е подхождал към разглежданите въпроси извън кутията. Изглеждаше очевидно за всички, че колелата с остриета или остриета „улавят“ движението на средата по-добре от плоските предмети. Тесла, по обичайния си начин, доказа, че ако роторната система е сглобена от дискове, подредени по серия последователно, то поради улавянето на граничните слоеве с газов поток, тя ще се върти не по-лошо и в някои случаи дори по-добре от мулти-лопатен витло. Вярно е, че ориентацията на мобилната среда трябва да бъде тангенциална, което не винаги е възможно или желателно в съвременните единици, но дизайнът е значително опростен - той изобщо не се нуждае от остриета. Газова турбина според схемата на Тесла все още не е построена, но може би идеята просто чака своето време.

Схематична диаграма

Сега за основното устройство на машината. Тя е комплект от въртяща се система, монтирана на оста (ротор) и неподвижна част (статор). На вала се поставя диск с работни лопатки, образуващи концентрична решетка, които се влияят от газ, доставян под налягане чрез специални дюзи. След това разширеният газ влиза в работното колело, също оборудван с остриета, наречени работници. За всмукването на въздушно-горивната смес и изпускателната тръба (отработените газове) са специални връзки. В общата схема се включва и компресор. Тя може да се извърши по различен принцип, в зависимост от необходимото работно налягане. За неговата работа от оста на енергия се взема, ще компресира въздуха. Газовата турбина работи благодарение на горивния процес на въздушно-горивната смес, придружен от значително увеличаване на обема. Валът се върти, неговата енергия може да се използва полезно. Тази схема се нарича едноконтурна, но ако се повтаря, тя се счита за многоетапна.

Предимства на авиационните турбини

Около средата на петдесетте години се появи ново поколение самолети, включително пътнически (в СССР това е IL-18, Ан-24, Ан-10, Ту-104, Ту-114, Ту-124 и т.н.), при проектирането на които самолетните бутални двигатели са окончателно и необратимо заменени от турбинни двигатели. Това показва по-голяма ефективност на този вид електроцентрала. Характеристиките на газовата турбина превишават параметрите на карбураторните двигатели в много отношения, по-специално по отношение на мощност / тегло, което е от първостепенно значение за авиацията, както и не по-малко важни показатели за надеждност. По-нисък разход на гориво, по-малко движещи се части, по-добри параметри на околната среда, намален шум и вибрации. Турбините са по-малко критични за качеството на горивата (което не е случаят с горивните системи), те са по-лесни за поддръжка, не изискват много смазочно масло. Като цяло, на пръв поглед изглежда, че те се състоят не от метал, а от твърди добродетели. Уви, не е така.

Има газотурбинни двигатели и недостатъци

По време на работа газовата турбина се загрява и пренася топлината към околните строителни елементи. Това е особено критично, отново при авиацията, когато се използва преначертано оформление, включващо струйното измиване на долната част на опашката. Да, и самият корпус на двигателя изисква специална изолация и използването на специални огнеупорни материали, които могат да издържат на високи температури.

Охлаждането на газовите турбини е трудно техническо предизвикателство. Това не е шега, те работят в режим на почти постоянна експлозия в корпуса. Ефективността в някои режими е по-ниска от тази на карбураторните двигатели, но когато се използва схема с двойна верига, този недостатък се елиминира, въпреки че проектът е сложен, както в случая на включване на "усилващи" компресори във веригата. Турбинното ускорение и работният режим отнемат известно време. Колкото по-често устройството започва и спира, толкова по-бързо се износва.

Правилно прилагане

Е, нито една система не е с недостатъци. Важно е да се намери такова заявление за всяка от тях, в което неговите заслуги ще се проявят по-ясно. Например, резервоари, като например американските "Abrams", на базата на електроцентрала, която - газова турбина. Тя може да се зарежда с всичко, което гори, от високооктанов бензин до уиски и доставя повече енергия. Примерът може да не е много успешен, тъй като опитът в Ирак и Афганистан показва уязвимостта на компресорните остриета да пясък. Ремонтът на газови турбини трябва да се извършва в САЩ, в завода. Вземете резервоара там, после обратно, а цената на самата услуга, плюс компонентите ...

Хеликоптери, руски, американски и други страни, както и мощни моторни лодки, са по-малко засегнати от саботи. В течни ракети не може да направи без тях.

Съвременните военни кораби и цивилните кораби също имат газотурбинни двигатели. И енергия.

Тригенераторни електроцентрали

Проблемите, с които се сблъскват производителите на въздухоплавателни средства, не се притесняват толкова за тези, които произвеждат промишлено оборудване за производство на електроенергия. Теглото в този случай не е толкова важно и можете да се съсредоточите върху параметри като ефективност и цялостна ефективност. Генераторните газотурбинни агрегати имат масивна рамка, надеждна рамка и по-дебели остриета. Напълно възможно е да се изхвърли произведената топлина, като се използва за различни нужди - от вторично рециклиране в самата система, до отопление на жилищни помещения и топлинно захранване на абсорбционни хладилни агрегати. Този подход се нарича тригенератор, а ефективността в този режим достига 90%.

Атомни електроцентрали

За газовата турбина не е от основно значение какво източникът на нагрятата среда дава своята енергия на остриетата си. Това може да бъде изгоряла въздушно-горивна смес или просто прегрята пара (не е задължително вода), стига да осигурява непрекъсната енергия. В основата си централите на всички атомни електроцентрали, подводници, самолетоносачи, ледоразбивачи и някои военни надводни кораби (например ракетният крайцер Петър Велики) се основават на газова турбина (GTU), която се върти с пара. Проблемите на безопасността и околната среда диктуват затворения контур на първичната верига. Това означава, че първичният термичен агент (в първите проби, оловото играе тази роля, сега е заменен с парафин), не напуска почти реакторната зона, протичаща около горивните елементи в кръг. Работното вещество се нагрява в следващите вериги и се изпарява въглероден диоксид хелий или азот върти турбинното колело.

Широко разпространена употреба

Комплексните и големите инсталации са почти винаги уникални, производството им се извършва на малки партиди или се правят единични проби. Най-често единиците, произведени в големи количества, се използват в мирни сектори на икономиката, например за изпомпване на въглеводороди през тръбопроводи. Това са тези, произведени от ОДК под марката "Сатурн". Газови турбини помпени станции Напълно съответства на предвиденото име. Те наистина изпомпват природен газ, използвайки собствената си енергия за работата си.