Газотурбинная установка

Газотурбинная установка (ГТУ) — это тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива преобразуется сначала в тепловую, а затем в механическую энергию вращения ротора за счёт расширения продуктов сгорания в газовой турбине. ГТУ относится к классу двигателей внутреннего сгорания непрерывного действия и является основным типом силовой установки в авиации, а также широко применяется в стационарной энергетике, газоперекачке и на морском транспорте. Ключевая особенность газотурбинной установки — высокая удельная мощность (отношение мощности к массе) и способность работать на различных видах газообразного и жидкого топлива.

История развития

Предпосылки и первые конструкции

Идея использования газовой турбины для получения механической работы возникла в конце XIX века. Первые патенты на газовые турбины были получены в 1791 году англичанином Джоном Барбером, однако практическая реализация стала возможной лишь после создания надёжных компрессоров и жаропрочных материалов. В 1903 году норвежский инженер Эгидиус Эллинг построил первую газотурбинную установку, которая вырабатывала полезную мощность (около 11 л.с.), но её КПД был крайне низким.

Авиационный прорыв

Решающий шаг в развитии ГТУ был сделан в 1930-х годах. В 1930 году английский инженер Фрэнк Уиттл запатентовал конструкцию турбореактивного двигателя. В 1939 году в Германии под руководством Ханса фон Охайна был создан первый в мире турбореактивный двигатель HeS 3, который поднял в воздух экспериментальный самолёт Heinkel He 178. В СССР работы по газотурбинным двигателям для авиации начались в 1930-х годах под руководством А. М. Люльки, который в 1941 году создал первый советский турбореактивный двигатель. После Второй мировой войны газотурбинные установки стали основой реактивной авиации.

Стационарное применение

Первые стационарные газотурбинные установки для выработки электроэнергии появились в 1950-х годах. В СССР в 1958 году была введена в эксплуатацию первая промышленная ГТУ мощностью 25 МВт на Ленинградской ТЭЦ. В 1960-х годах началось массовое применение газотурбинных установок на газоперекачивающих станциях (ГПС) магистральных газопроводов, что позволило отказаться от поршневых компрессоров. Современные стационарные ГТУ достигают единичной мощности до 600 МВт.

Принцип действия и устройство

Термодинамический цикл

Работа газотурбинной установки основана на термодинамическом цикле Брайтона (цикл Джоуля), который включает четыре последовательных процесса:

Адиабатное сжатие воздуха в компрессоре (давление повышается, температура растёт).
Изобарный подвод тепла в камере сгорания (сгорание топлива в сжатом воздухе, температура резко возрастает).
Адиабатное расширение продуктов сгорания в турбине (газ совершает работу, вращая ротор, давление и температура падают).
Изобарный отвод тепла в окружающую среду (выхлопные газы выбрасываются в атмосферу или направляются в теплообменник).

Основные компоненты

Газотурбинная установка в простейшем исполнении состоит из трёх основных узлов:

Компрессор — осевой или центробежный (в малых ГТУ). Сжимает атмосферный воздух до давления 10–40 атмосфер. В современных авиационных двигателях степень сжатия достигает 40–50.
Камера сгорания — устройство, в котором происходит смешивание сжатого воздуха с топливом и его сжигание. Конструкция камеры обеспечивает стабилизацию пламени и охлаждение стенок. Различают трубчатые, кольцевые и трубчато-кольцевые камеры.
Газовая турбина — лопаточная машина, в которой расширяющиеся продукты сгорания вращают ротор. Турбина состоит из соплового аппарата (направляющие лопатки) и рабочего колеса. В многоступенчатых турбинах каждая ступень отбирает часть энергии газа.

Вспомогательные системы

Для работы ГТУ необходимы:

Система топливоподачи — насосы, форсунки, регуляторы расхода.
Система смазки — масляные насосы, фильтры, радиаторы для охлаждения масла.
Система охлаждения — воздушное или жидкостное охлаждение лопаток турбины (особенно первых ступеней, где температура газа превышает 1500 °C).
Система управления — автоматический регулятор, контролирующий частоту вращения, температуру, давление и состав выхлопа.
Система запуска — стартёр (электрический, пневматический или гидравлический), раскручивающий ротор до частоты, при которой возможен устойчивый запуск камеры сгорания.

Классификация газотурбинных установок

По назначению

Авиационные — турбореактивные (ТРД), турбовентиляторные (ТРДД), турбовинтовые (ТВД) и турбовальные (ТВаД). Отличаются минимальной массой и высокими рабочими температурами.
Промышленные (стационарные) — для электростанций, газоперекачки, привода насосов и компрессоров. Имеют больший ресурс (до 100 000 часов) и работают на природном газе, попутном нефтяном газе, мазуте.
Судовые — для привода гребных винтов и электрогенераторов на кораблях и судах. Отличаются повышенной коррозионной стойкостью и возможностью реверса.
Транспортные — для локомотивов (газотурбовозы), большегрузных автомобилей и танков (например, газотурбинный двигатель танка Т-80).

По конструктивным особенностям

Одновальные — компрессор и турбина находятся на одном валу. Просты, но имеют ограниченный диапазон регулирования.
Двухвальные — компрессор высокого давления и турбина высокого давления на одном валу, а компрессор низкого давления и турбина низкого давления — на другом. Обеспечивают лучшую приёмистость и экономичность на частичных нагрузках.
Трёхвальные — применяются в авиации (например, Rolls-Royce Trent) и в мощных стационарных ГТУ (Siemens SGT-8000H).
С регенерацией — оснащены теплообменником-рекуператором, который нагревает воздух после компрессора выхлопными газами, повышая КПД на 3–5 процентных пункта.
С промежуточным охлаждением — между ступенями компрессора устанавливается охладитель, снижающий температуру воздуха и уменьшающий работу сжатия.

По типу топлива

Газообразное — природный газ, пропан-бутан, синтез-газ, водород.
Жидкое — керосин, дизельное топливо, мазут, этанол.
Твёрдое — пылевидный уголь, биомасса (требует сложной системы подготовки и очистки продуктов сгорания).

Применение

Энергетика

Газотурбинные установки широко используются в тепловых электростанциях (ТЭС) и особенно в парогазовых установках (ПГУ), где ГТУ является первым контуром, а её выхлопные газы подогревают воду для паровой турбины. КПД современных ПГУ достигает 60–64% (например, ПГУ-450Т на Северо-Западной ТЭЦ в Санкт-Петербурге). ГТУ также применяются в качестве пиковых и резервных источников электроэнергии, так как они способны выходить на номинальную мощность за 5–15 минут.

Газовая промышленность

На магистральных газопроводах России газотурбинные установки используются для привода центробежных нагнетателей (компрессоров). Типичные агрегаты — ГПА-16 «Волга» (мощность 16 МВт) и ГПА-25 (25 МВт). Они работают на транспортируемом газе, отбирая его из трубопровода. Суммарная мощность газотурбинных газоперекачивающих агрегатов в России превышает 50 ГВт.

Авиация

Турбореактивные и турбовентиляторные двигатели являются основой современной гражданской и военной авиации. Примеры российских авиационных ГТУ: ПС-90А (для Ту-204, Ил-96), АИ-222-25 (для учебно-боевого Як-130), НК-32 (для стратегического бомбардировщика Ту-160). В вертолётах применяются турбовальные двигатели (например, ТВ3-117 и его модификации для Ми-8, Ми-24, Ка-52).

Морской транспорт

Газотурбинные установки устанавливаются на боевых кораблях (эсминцы, фрегаты, корветы) и на скоростных судах (суда на подводных крыльях, экранопланы). В России ГТУ используются на кораблях проекта 22350 (фрегаты типа «Адмирал Горшков») — в составе дизель-газотурбинной энергетической установки.

Прочие области

Газотурбовозы — локомотивы с ГТУ (например, ГТ1-001, испытанный на РЖД).
Танки — газотурбинный двигатель ГТД-1000Т мощностью 1000 л.с. устанавливается на основной боевой танк Т-80У.
Малые ГТУ — для автономного энергоснабжения (микротурбины мощностью 30–500 кВт), например, Capstone C30 или российские «Микротурбины» (ЗАО «НПО «Энергомаш»).

Преимущества и недостатки

Преимущества

Высокая удельная мощность — в 5–10 раз выше, чем у поршневых двигателей той же массы.
Малые габариты — компактность, особенно важная в авиации и на транспорте.
Быстрый запуск — выход на номинальный режим за 1–15 минут (в зависимости от размера).
Многотопливность — способность работать на газе, жидком топливе, а также на синтез-газе и водороде.
Низкие вибрации — отсутствие возвратно-поступательного движения, только вращение.
Высокая надёжность — наработка на отказ у современных стационарных ГТУ достигает 30 000–50 000 часов.

Недостатки

Относительно низкий КПД в простом цикле (30–40% для малых ГТУ, 38–42% для крупных), что ниже, чем у дизелей (45–50%) и паротурбинных установок (40–45%).
Высокая стоимость жаропрочных материалов (никелевые и кобальтовые сплавы, керамические покрытия).
Чувствительность к качеству топлива — жидкое топливо должно быть тщательно очищено от серы, ванадия и натрия, вызывающих коррозию лопаток.
Шум — высокочастотный шум от компрессора и турбины требует звукоизоляции.
Падение КПД на частичных нагрузках — особенно у одновальных ГТУ.
Высокая температура выхлопных газов (400–600 °C) — требует утилизации тепла для достижения приемлемого общего КПД.

Перспективы развития

Основные направления совершенствования газотурбинных установок:

Повышение температуры газа перед турбиной — за счёт применения керамических композиционных материалов (SiC/SiC) и усовершенствованных систем охлаждения. Современные двигатели работают при 1500–1700 °C, перспективные — до 2000 °C.
Увеличение КПД — внедрение регенерации, промежуточного охлаждения и многоступенчатого сгорания.
Переход на водородное топливо — разработка камер сгорания, способных работать на чистом водороде или смеси водорода с природным газом без образования NOx.
Гибридизация — создание гибридных установок (ГТУ + аккумуляторные батареи) для пиковых нагрузок и транспортных средств.
Аддитивные технологии — 3D-печать лопаток турбины и камер сгорания из жаропрочных сплавов, что снижает стоимость и массу.

Источники

Артамонов К. И., Борисов В. Г. «Газотурбинные установки: теория и конструкция». — М.: Машиностроение, 2018.
Салтыков А. В. «Газотурбинные двигатели авиационного и наземного применения». — М.: Изд-во МАИ, 2015.
ГОСТ Р 51852-2001 «Установки газотурбинные. Термины и определения».
Каталог продукции АО «ОДК-Авиадвигатель» (г. Пермь) — двигатели ПС-90А, ПД-14.
Отчёт ОАО «Газпром» «Применение газотурбинных установок на объектах транспорта газа», 2020.
Справочник «Тепловые и атомные электрические станции» / под ред. В. А. Григорьева. — М.: Энергоатомиздат, 2019.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →