Газовые турбины¶

Газовая турбина — это тепловой двигатель непрерывного действия, в котором химическая энергия топлива преобразуется в механическую работу вращения вала через энергию сжатого и нагретого газа. В состав газотурбинной установки (ГТУ) входят три основных элемента: компрессор, камера сгорания и турбина. В отличие от поршневых двигателей, рабочий процесс в газовой турбине протекает непрерывно, что обеспечивает высокую удельную мощность и компактность агрегата.

¶Принцип работы

Атмосферный воздух поступает в компрессор, где сжимается до давления 1,5–3,0 МПа. Сжатый воздух направляется в камеру сгорания, куда через форсунки подаётся топливо (природный газ, керосин, дизельное топливо или мазут). Образовавшиеся при сгорании продукты — газы с температурой 1000–1600 °C — поступают на лопатки турбины. Расширяясь, газ совершает работу вращения ротора. Часть мощности (примерно 50–60 %) расходуется на привод компрессора, остальная — является полезной работой на выходном валу. Отработавшие газы выбрасываются в атмосферу или используются в утилизационных теплообменниках.

Эффективность цикла напрямую зависит от температуры газа перед турбиной и степени сжатия. Для повышения КПД применяют регенерацию тепла, промежуточное охлаждение воздуха и промежуточный подогрев газа. Современные установки с комбинированным парогазовым циклом достигают КПД более 60 %.

¶История

Первые работоспособные образцы газовых турбин появились в начале XX века. В 1903 году норвежский инженер Эгидиус Эллинг построил установку, вырабатывавшую 11 л. с. с КПД около 3 %. Значительный вклад в теорию внёс русский учёный Борис Стечкин, опубликовавший в 1929 году работу «Теория воздушно-реактивного двигателя». Первый серийный газотурбинный двигатель создала в 1939 году швейцарская компания Brown Boveri для электростанции в Невшателе. В СССР первая промышленная ГТУ мощностью 1000 кВт была запущена в 1957 году на Ленинградском металлическом заводе. Активное развитие газотурбостроения в России связано с именами конструкторов Архипа Люльки, Павла Соловьёва и Софьи Ковнер.

¶Классификация

Газовые турбины классифицируют по нескольким признакам:

• По назначению: авиационные, судовые, промышленные (стационарные), транспортные, энергетические.
• По конструктивной схеме: одновальные и многовальные (с свободной силовой турбиной).
• По типу цикла: простого цикла, сложного цикла (с регенерацией, промежуточным подогревом), парогазовые установки.
• По температурному уровню: низкотемпературные (до 1000 °C) и высокотемпературные (свыше 1300 °C).

Отдельный класс — микротурбины мощностью от 30 до 300 кВт, применяемые в распределённой энергетике.

¶Устройство и материалы

Ключевой элемент — рабочее колесо турбины с лопатками. Лопатки первых ступеней работают в зоне максимальных температур и изготавливаются из жаропрочных никелевых сплавов с монокристаллической структурой. Для охлаждения лопаток применяют внутренние каналы с прокачкой воздуха или пара. Корпуса выполняют из жаропрочных сталей, камеры сгорания — из керамических покрытий и специальных сплавов. Компрессор состоит из ряда роторных и статорных лопаток; в высоконапорных установках применяют осевые компрессоры с 10–20 ступенями.

¶Применение

Основные области использования газовых турбин:

• Авиация: турбовентиляторные и турбореактивные двигатели — основной тип силовых установок пассажирских и военных самолётов.
• Электроэнергетика: газотурбинные электростанции (ГТЭС) для покрытия пиковых нагрузок и в составе парогазовых установок (ПГУ). В России действуют ПГУ на Северо-Западной ТЭЦ и на ТЭС «Южноуральская».
• Газоперекачка: привод центробежных нагнетателей на компрессорных станциях магистральных газопроводов («Газпром» эксплуатирует ГТУ типа ГТК-10, ГПА-16).
• Судостроение: газотурбинные установки на боевых кораблях (например, на фрегатах проекта 22350) и газотурбоходах.
• Промышленность: механический привод насосов, компрессоров, генераторов на нефтедобывающих платформах.

¶Достоинства и недостатки

К преимуществам газовых турбин относятся: высокая удельная мощность (до 6 кВт/кг у авиационных двигателей), малые габариты, быстрый запуск (от холодного состояния до полной нагрузки — 5–15 минут), низкий расход смазочных масел, возможность работы на различных видах топлива. Недостатки: относительно невысокий КПД в простом цикле (30–40 %), чувствительность к качеству топлива и запылённости воздуха, сложность изготовления лопаток, высокий уровень шума и значительные выбросы оксидов азота без систем очистки.

¶Перспективы развития

Основные направления совершенствования газовых турбин — повышение температуры газа перед турбиной (за счёт новых керамических материалов и систем охлаждения), увеличение КПД до 65 % в парогазовых циклах, переход на водородное топливо для снижения углеродного следа, а также создание гибридных установок с электромашинами. В России ведутся разработки перспективных ГТУ большой мощности (например, ГТД-110М для энергетики) на предприятиях «ОДК-Сатурн» и «Силовые машины».

¶Источники

• Иноземцев А. А., Сандрацкий В. Л. «Газотурбинные двигатели». — Пермь, 2006.
• Цанев С. В., Буров В. Д., Ремезов А. Н. «Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций». — М.: МЭИ, 2002.
• Стечкин Б. С. «Избранные труды. Теория воздушно-реактивных двигателей». — М.: Наука, 1977.
• Официальные материалы ПАО «ОДК» и ПАО «Газпром» о выпускаемых газотурбинных установках.