Газотурбинные двигатели

Газотурбинный двигатель (ГТД) — это тепловой двигатель, в котором энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу вращения ротора турбины. ГТД относится к классу двигателей внутреннего сгорания непрерывного действия. Основными элементами любого газотурбинного двигателя являются компрессор, камера сгорания и газовая турбина. Рабочим телом в ГТД служит смесь продуктов сгорания топлива и сжатого воздуха.

Принцип работы

Работа газотурбинного двигателя основана на термодинамическом цикле Брайтона (цикле Джоуля). Процесс включает четыре последовательных этапа:

1. Сжатие воздуха. Воздух из атмосферы поступает во входное устройство, где его скорость снижается, а давление незначительно повышается. Затем воздух поступает в компрессор, где сжимается до высокого давления (в современных авиационных двигателях — до 40 и более атмосфер). При сжатии воздух нагревается.
2. Сгорание топлива. Сжатый воздух подаётся в камеру сгорания. Туда же через форсунки впрыскивается топливо (обычно керосин, природный газ или дизельное топливо). Топливовоздушная смесь воспламеняется и сгорает, выделяя большое количество тепла. Температура газов на выходе из камеры сгорания достигает 1200–1600 °C.
3. Расширение в турбине. Горячие газы под высоким давлением поступают на лопатки газовой турбины. Расширяясь, они совершают работу, вращая ротор турбины. Часть этой работы (обычно 60–70 %) затрачивается на привод компрессора, а остальная часть является полезной мощностью.
4. Выход газов. Отработавшие газы с пониженным давлением и температурой выбрасываются в атмосферу через выходное устройство (сопло). В реактивных двигателях именно истечение газов из сопла создаёт реактивную тягу.

История

Ранние разработки

Первые теоретические работы по газовым турбинам относятся к концу XIX века. В 1884 году английский инженер Чарльз Парсонс создал первую рабочую модель паровой турбины, которая оказала влияние на развитие турбостроения. В 1897 году шведский инженер Густаф де Лаваль запатентовал конструкцию активной турбины.

Первая действующая модель газотурбинного двигателя была создана в 1903 году норвежским изобретателем Эгидиусом Эллингом. Его установка мощностью 11 л. с. имела крайне низкий КПД (около 3 %) и не нашла практического применения. Значительный вклад в теорию внёс французский инженер Рене Лорен, который в 1909 году предложил схему с осевым компрессором.

Практическое применение

Первым серийным газотурбинным двигателем стал швейцарский турбокомпрессор для нагнетания воздуха в доменные печи, выпущенный компанией Brown Boveri в 1939 году. В том же году в Швейцарии была построена первая в мире газотурбинная электростанция мощностью 4 МВт.

Ключевым этапом стало создание авиационных газотурбинных двигателей. В 1930 году английский инженер Фрэнк Уиттл получил патент на конструкцию турбореактивного двигателя. В 1937 году он провёл успешные стендовые испытания. Параллельно в Германии независимо работал Ханс фон Охайн, чей двигатель HeS 3 был установлен на экспериментальный самолёт Heinkel He 178, совершивший первый полёт 27 августа 1939 года. Это был первый в мире полёт самолёта с турбореактивным двигателем.

В СССР первый турбореактивный двигатель был создан под руководством А. М. Люльки в 1940-х годах. Двигатель С-18 прошёл стендовые испытания в 1945 году, а в 1947 году на самолёт Су-11 был установлен двигатель ТР-1.

Развитие в послевоенный период

После Второй мировой войны началось бурное развитие газотурбинных двигателей. В 1950-х годах появились двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД), которые позволили значительно повысить топливную экономичность и снизить шум. В 1960-х годах началось применение газотурбинных двигателей на кораблях (в качестве главных двигателей) и на наземном транспорте (газотурбовозы). В 1970-х годах ГТД стали широко использоваться в газовой промышленности для привода компрессоров на газоперекачивающих станциях.

Классификация

Газотурбинные двигатели классифицируются по нескольким признакам.

По типу конструкции и назначению

1. Турбореактивные двигатели (ТРД). Основной тип авиационных двигателей. В них вся тяга создаётся за счёт реактивной струи, вытекающей из сопла. Подразделяются на:

• Одноконтурные ТРД. Простейшая конструкция, применялась на ранних реактивных самолётах.
• Двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД). Имеют два контура: внутренний (как в ТРД) и внешний (вентиляторный). Воздух из внешнего контура смешивается с горячими газами из внутреннего, что повышает КПД и снижает шум. Являются основой современной гражданской и военной авиации.
• Турбовентиляторные двигатели (ТВВД). Разновидность ТРДД с очень большой степенью двухконтурности (более 10:1). Внешний контур фактически представляет собой закапотированный винт. Обладают высокой топливной эффективностью.

1. Турбовинтовые двигатели (ТВД). В них основная часть энергии газов тратится на вращение воздушного винта, а реактивная тяга от выхлопа составляет незначительную часть (до 10 %). Применяются на дозвуковых пассажирских и транспортных самолётах малой и средней дальности.
2. Турбовальные двигатели. Разновидность ТВД, в которой вся мощность передаётся на вал отбора мощности. Используются на вертолётах, судах, в наземных энергетических установках.
3. Вспомогательные силовые установки (ВСУ). Небольшие газотурбинные двигатели, устанавливаемые на самолётах для выработки электроэнергии и сжатого воздуха на земле, а также для запуска основных двигателей.

По числу валов

• Одновальные. Компрессор и турбина жёстко соединены на одном валу. Просты, но имеют ограниченный диапазон рабочих режимов.
• Двухвальные. Компрессор низкого давления и компрессор высокого давления вращаются на разных валах, каждый со своей турбиной. Обеспечивают более высокую устойчивость работы и лучшую приёмистость.
• Трёхвальные. Имеют три независимых ротора. Позволяют достичь максимальной степени сжатия и КПД, но сложнее в производстве и обслуживании.

Устройство и основные компоненты

Компрессор

Предназначен для сжатия воздуха. Бывает двух типов:

• Осевой компрессор. Состоит из чередующихся рядов вращающихся (роторных) и неподвижных (статорных) лопаток. Воздух движется вдоль оси двигателя, последовательно сжимаясь. Обеспечивает высокую степень сжатия и КПД. Используется в большинстве современных ГТД.
• Центробежный компрессор. Воздух засасывается в центр вращающегося колеса (рабочего колеса) и под действием центробежной силы отбрасывается к периферии, где сжимается. Проще по конструкции, но имеет меньшую степень сжатия и применяется в основном в маломощных двигателях (например, ВСУ).

Камера сгорания

В ней происходит смешение топлива с воздухом и его сгорание. Конструкция должна обеспечивать устойчивое горение при любых режимах работы, минимальные потери давления и равномерное температурное поле на выходе. Различают индивидуальные (трубчатые), кольцевые и трубчато-кольцевые камеры сгорания.

Газовая турбина

Преобразует энергию газов в механическую работу. Состоит из соплового аппарата (неподвижные лопатки, направляющие поток газа) и рабочего колеса (вращающиеся лопатки). Лопатки турбины работают в условиях экстремальных температур и механических нагрузок, поэтому изготавливаются из жаропрочных сплавов и часто имеют систему охлаждения (воздушную или паровую).

Выходное устройство (сопло)

В реактивных двигателях сопло служит для ускорения потока газов до сверхзвуковой скорости, создавая реактивную тягу. В турбовальных и турбовинтовых двигателях сопло просто отводит отработавшие газы в атмосферу.

Применение

Авиация

Газотурбинные двигатели являются основным типом силовых установок для современных самолётов и вертолётов. Они обеспечивают высокую тягу при относительно небольшой массе, что позволяет самолётам развивать сверхзвуковые скорости и совершать перелёты на большие расстояния.

Энергетика

Газотурбинные установки (ГТУ) широко используются на электростанциях, особенно в качестве пиковых и аварийных источников энергии. Они отличаются быстрым запуском (от нескольких минут до получаса) и высокой манёвренностью. В комбинированном цикле (парогазовые установки, ПГУ) КПД может достигать 60 % и выше.

Газоперекачка

На магистральных газопроводах ГТД являются основным приводом для центробежных нагнетателей (компрессоров), перекачивающих природный газ. В России (ПАО «Газпром») эксплуатируется парк газотурбинных агрегатов мощностью от 2,5 до 25 МВт.

Судостроение

Газотурбинные двигатели устанавливаются на военные корабли (эсминцы, фрегаты, корветы) и быстроходные гражданские суда (суда на подводных крыльях, газотурбоходы). Они обеспечивают высокую удельную мощность и малую вибрацию.

Наземный транспорт

В середине XX века предпринимались попытки создания газотурбинных автомобилей и локомотивов (газотурбовозов). Однако из-за высокого расхода топлива и сложности регулирования они не получили широкого распространения. В настоящее время ГТД применяются в основном на тяжёлых военных машинах (например, основной боевой танк Т-80 использует газотурбинный двигатель ГТД-1000Т).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая удельная мощность (отношение мощности к массе).
• Малые габариты по сравнению с поршневыми двигателями аналогичной мощности.
• Способность работать на различных видах топлива (керосин, природный газ, дизельное топливо, синтез-газ).
• Плавный ход и низкий уровень вибраций (отсутствие возвратно-поступательных движений).
• Высокая надёжность и большой ресурс (до 100 000 часов и более для стационарных установок).
• Быстрый запуск и выход на номинальный режим.

Недостатки

• Более низкий КПД на частичных нагрузках по сравнению с поршневыми двигателями.
• Высокая стоимость изготовления из-за использования жаропрочных сплавов и прецизионной обработки.
• Высокий уровень шума (требуется шумоглушение).
• Чувствительность к качеству воздуха (требуется эффективная система очистки).
• Сложность ремонта в полевых условиях.

Перспективы развития

Современные направления развития газотурбинных двигателей включают:

• Повышение температуры газов перед турбиной (за счёт новых жаропрочных материалов и керамических покрытий).
• Увеличение степени двухконтурности в авиационных двигателях для снижения расхода топлива и шума.
• Разработка гибридных силовых установок (ГТД + электродвигатель).
• Использование водорода в качестве топлива (водородные ГТД).
• Применение аддитивных технологий (3D-печать) для изготовления сложных деталей (лопаток, форсунок).

Источники

• Теория и расчёт авиационных газотурбинных двигателей / Под ред. С. М. Шляхтенко. — М.: Машиностроение, 1987.
• Клячкин А. Л. Теория газотурбинных двигателей. — М.: Машиностроение, 1977.
• Газотурбинные двигатели: учебник для вузов / В. И. Бакулев, В. А. Голубев, В. В. Крылов и др. — М.: Издательство МАИ, 2006.
• История авиационного двигателестроения в России / Под ред. В. А. Зрелова. — М.: Авиационный мир, 2005.
• Boyce, M. P. Gas Turbine Engineering Handbook. — 4th ed. — Butterworth-Heinemann, 2012.