Газовая турбина— это тепловой двигатель непрерывного

Газовая турбина— это тепловой двигатель непрерывного действия, в лопаточном
аппарате которого энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу
на валу Состоит из ротора (рабочие лопатки, закреплённые на дисках) и статора
(направляющие лопатки, закреплённые в корпусе).
Газ, имеющий высокую температуру и давление, поступает через сопловой аппарат
турбины в область низкого давления за сопловой частью, попутно расширяется и
ускоряется. Далее, поток газа попадает на рабочие лопатки турбины, отдавая им часть
своей кинетической энергии и сообщая лопаткам крутящий момент. Рабочие лопатки
передают крутящий момент через диски турбины на вал. Полезные свойства газовой
турбины: газовая турбина, например, приводит во вращение находящийся с ней на одном
валу генератор, что и является полезной работой газовой турбины.
Газовые турбины используются в составе газотурбинных двигателей (применяются для
транспорта) и газотурбинных установок (применяются на ТЭЦ в составе стационарных
ГТУ, ПГУ).
История
 I в. н.э.: Паровая турбина Герона Александрийского (эолипил) — на протяжении
столетий рассматривалась как игрушка и её полный потенциал не был изучен.
 1500: В чертежах Леонардо да Винчи встречается «дымовой зонт». Горячий воздух от
огня поднимается через ряд лопастей, которые соединены между собой и вращают вертел
для жарки.
1791: Англичанин Джон Барбер получил патент на первую настоящую газовую турбину.
Его изобретение имело большинство элементов, присутствующих в современных газовых
турбинах. Турбина была разработана для приведения в действие безлошадной повозки.
Работа газовой турбины
Газовые турбины описываются термодинамическим циклом Брайтона, в котором сначала
происходит адиабатическое сжатие воздуха, затем сжигание при постоянном давлении, а
после этого осуществляется адиабатическое расширение обратно до стартового давления.
На практике, трение и турбулентность вызывают:
1. Неадиабатическое сжатие: для данного общего коэффициента давления
температура нагнетания компрессора выше идеальной.
2. Неадиабатическое расширение: хотя температура турбины падает до уровня,
необходимого для работы, на компрессор это не влияет, коэффициент давления
выше, в результате, расширения не достаточно для обеспечения полезной работы.
3. Потери давления в воздухозаборнике, камере сгорания и на выходе: в результате,
расширения не достаточно для обеспечения полезной работы.
Как и во всех циклических тепловых двигателях, чем выше температура сгорания, тем
выше КПД. Сдерживающим фактором является способность стали, никеля, керамики или
других материалов, из которых состоит двигатель, выдерживать температуру и давление.
Значительная часть инженерных разработок направлена на то, чтобы отводить тепло от
частей турбины. Большинство турбин также пытаются рекуперировать тепло выхлопных
газов, которые, в противном случае, теряется впустую. Рекуператоры — это
теплообменники, которые передают тепло выхлопных газов сжатому воздуху перед
сгоранием. При комбинированном цикле тепло передается системам паровых турбин. И
при комбинированном производстве тепла и электроэнергии (когенерация) отработанное
тепло используется для производства горячей воды. Механически газовые турбины могут
быть значительно проще, чем поршневые двигатели внутреннего сгорания. Простые
турбины могут иметь одну движущуюся часть: вал / компрессор / турбина /
альтернативный ротор в сборе (см. изображение выше), не учитывая топливную систему.
Более сложные турбины (те, которые используются в современных реактивных
двигателях), могут иметь несколько валов (катушек), сотни турбинных лопаток,
движущихся статорных лезвий, а также обширную систему сложных трубопроводов,
камер сгорания и теплообменников.
Как правило, чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала(ов),
необходимая для поддержания максимальной линейной скорости лопаток. Максимальная
скорость турбинных лопаток определяет максимальное давление, которое может быть
достигнуто, что приводит к получению максимальной мощности, независимо от размера
двигателя. Реактивный двигатель вращается с частотой около 10000 об/мин и микротурбина — с частотой около 100000 об/мин.
Упорные подшипники и радиальные подшипники являются критическими элементом
разработки. Традиционно они были гидродинамические, или охлаждаемые маслом
шарикоподшипники. Их превзошли воздушные подшипники, которые успешно
используются в микротурбинах и вспомогательных силовых установках.
Преимущества газотурбинных двигателей







Очень высокое отношение мощности к весу, по сравнению с поршневым
двигателем;
Перемещение только в одном направлении, с намного меньшей вибрацией, в
отличие от поршневого двигателя.
Меньшее количество движущихся частей, чем у поршневого двигателя.
Низкие эксплуатационные нагрузки.
Высокая скорость вращения.
Низкая стоимость и потребление смазочного масла.
Низкие требования к качеству топлива. ГТД потребляют любое горючее, которое
можно распылить: газ, нефтепродукты, органические вещества и пылеобразный
уголь.
Недостатки газотурбинных двигателей



Стоимость намного выше, чем у аналогичных по размерам поршневых двигателей,
поскольку материалы применяемые в турбине должны иметь высокую
жаростойкость и жаропрочность, а также высокую удельную прочность.
Машинные операции также более сложные;
Как правило, имеют меньший КПД, чем поршневые двигатели, особенно при
частичной нагрузке.
Задержка отклика на изменения настроек мощности.
Эти недостатки объясняют, почему дорожные транспортные средства, которые меньше,
дешевле и требуют менее регулярного обслуживания, чем танки, вертолеты и крупные
катера, не используют газотурбинные двигатели, несмотря на неоспоримые преимущества
в размере и мощности.
Типы газовых турбин
Авиационные и реактивные двигатели
Вспомогательная силовая установка
Промышленные газовые турбины для производства электричества
Турбовальные двигатели
Радиальные газовые турбины
Размерные реактивные двигатели
Микротурбины