§ 6. Газовые турбины

Газовая турбина, подобно паровой, приходит на смену порш­невому двигателю. Однако если паровая турбина, используя то же рабочее тело, что и паровая машина, — пар, уже заняла господствующее место в паросиловых установках, то газовая турбина во многих установках, главным образом в маломощных, еще не может успешно конкурировать с поршневыми двигате­лями внутреннего сгорания, доведенными в настоящее время до высокого уровня совершенства.

Газовая турбина соединяет в себе достоинства паровой тур­бины и двигателя внутреннего сгорания. Так же, как и паровая турбина, она имеет только вращающиеся части и поэтому мини­мальные потери при передаче механической энергии от диска турбины к месту ее использования (валу турбины). Газовая тур­бина компактна, занимает мало места и, подобно двигателю внутреннего сгорания, очень удобна для использования в соче­тании с различными транспортными рабочими машинами. Огром­ным достоинством газовых турбин по сравнению с паровыми является отсутствие парового котла, хотя и имеется возможность использования, как и в котельной установке, любого топлива: твердого, жидкого, газообразного. Газовая турбина при этом, как и паровая, может развивать огромные мощности — до нескольких десятков тысяч лошадиных сил в одном агрегате, что для техники поршневых двигателей внутреннего сгорания не­возможно.

Главный недостаток газовых турбин в настоящее время со­стоит в том, что для их экономичной работы газ, являющийся рабочим телом, должен иметь высокую температуру порядка 800—900° С. При такой температуре, как об этом было сказано выше, материал диска рабочего колеса и рабочих лопаток теряет свою прочность и детали быстро разрушаются. Недостаток и до­роговизна жаропрочных сталей не позволяют широко использо­вать газовые турбины.

Рабочий процесс и схема устройства газо­вой турбины незначительно отличаются от па­ровых турбин.

Если рабочее тело (пар) для паровой турбины получается в котельной установке и уже затем по (паропроводу подается к направляющему аппарату турбины и на ее лопатки, то в газо­вой турбине (рис. 109) рабочее тело образуется путем сжигания топлива в специальной камере сгорания 2, где осущест­вляется также предварительное перемешивание паров топлива с воздухом, образование горючей смеси и ее воспламенение элек­трической искрой. Для подачи воздуха в камеру сгорания служит компрессор 1 центробежного типа, сжимающий воздух в 4 - 6 раз. Подобно сжатию в поршневых двигателях внутрен­него сгорания, предварительное сжатие воздуха в компрессоре оказывает существенное влияние на экономичность турбины. Газ, образовавшийся в камере сгорания, направляется через сопло­вой аппарат на лопатки турбины 3, приводящей в движение компрессор.

Покидая турбину, газ обладает еще большим запасом кинети­ческий энергии, которая может быть использована.

На рисунке 109 приведен разрез автомобильной газовой тур­бины. Здесь кинетическая энергия струи газа, покинувшего ло­патки турбины 3, используется на лопатках турбины 4, которая через редуктор 5 приводит в движение автомобиль и все его вспомогательные механизмы и устройства.

Рис. 109. Автомобильная газовая турбина:

а — общий вид; б — вид сверху;

1 — компрессор; 2 — камера сгорания; 3 — турбина компрессора; 4 — диск тяговой турбины; 5 — редуктор.

Н а рисунке 110 приведены схемы самолетных газотурбинных двигателей. В турбореактивном двигателе кинетиче­ская энергия струи газов, покидающих турбину 3, используется в специальном реактивном сопле 5, образуя реактивную силу тяги. В турбовинтовом двигателе часть энергии струи газов за турбиной 3 компресса 1 используется в тур­бине 4 для привода воздуш­ного винта, а другая часть образует реактивную тягу, расширяясь в сопле 5.

Газовые турбины используются на морском транспор­те и внедряются на железно­дорожном. Принципиальная схема газотурбовоза приве­дена на рисунке 111. Осевой многоступенчатый компрес­сор 1 подает в камеру 2 сгора­ния сжатый воздух, в кото­ром форсункой 3 распыляет­ся топливо. Газы приводят в движение многоступенчатую турбину 4. Механическая энергия турбины частично (до 75%) расходуется на привод компрессора, а ча­стично — на привод через редуктор 5 главного генератора 6 тур­бовоза. Колеса тележки турбовоза приводятся во вращение от тягового электродвигателя 7, который питается энергией от гене­ратора 6.

Рис. 111. Схема устройства газотурбовоза:

1 — компрессор; 2 — камера сгорания; 3 — форсунка; 4 — турбина; 5 — редуктор; 6 — главный генератор;

7 — тяговой электродвигатель; 8 — колесная пара.

Таким образом, во всех случаях газотурбинный двигатель состоит из двух частей: газопроизводящей и рабочей, где исполь­зуется кинетическая энергия газа.

Газопроизводящая часть двигателя — турбокомпрес­сор — обычно состоит из компрессора и приводящей его в движение турбины. Полученный в турбокомпрессоре газ обладает большим запасом кинетической энергии, которая может быть использована, как уже указывалось, либо в реактивном сопле (турбореактивный двигатель), либо на лопатках тяговых турбин (газотурбин­ный двигатель) с передачей механиче­ской энергии на приводной вал.

Рассмотрим подробнее устройство ча­стей газотурбинного двигателя: компрес­сора, камеры сгорания, турбины, редук­тора и вспомогательных устройств.

К омпрессор газотурбинного дви­гателя производит предварительное сжа­тие и подачу в камеру сгорания воздуха. Чем выше предварительное сжатие, тем экономичнее работа двигателя. Однако Степень повышения давления в компрес­соре не может расти бесконечно. При не­котором ее значении, зависящем от кон­струкции двигателя, достигается наиболь­шая величина к.п.д. двигателя. В газотур­бинных двигателях применяются центро­бежные и осевые компрессоры.

Центробежный компрессор 1 (см. рис. 109) состоит из корпуса, в котором вращается рабочее колесо компрессора (рис. 112). Воздух поступает сначала в направляющий аппарат 3, который вращается вместе с рабочим колесом, а затем вдоль рабочих лопаток по патрубку (см. рис. 117) — в камеру сгора­ния. Каналы рабочих лопаток, как это видно из рисунка, су­жаются от центра к периферии рабочего колеса компрессора, а скорость частиц воздуха увеличивается, следовательно, воздух сжимается. Степень повышения давления (δ) в одной ступени центробежного компрессора не бывает больше 3,5—4.

Для увеличения δ применяют двух- и трехступенчатое сжатие воздуха двумя или тремя последовательно расположенными сту­пенями компрессора. Однако многоступенчатый центробежный компрессор имеет низкий к. п. д. Вот почему, когда стремятся получить большие значения б, используют осевые компрессоры.

О севой компрессор (рис. 113) устроен подобно рас­смотренной нами выше многоступенчатой паровой турбине. В корпусе 2 компрессора, имеющем перегородки с вмонтирован­ными в них лопатками 4 направляющих аппаратов, вращается ротор 1 с лопатками. Каждому ряду лопаток ротора соответствует кольцо с лопатками направляющего аппарата, а вместе они образуют ступень; при вращении ротора мы получим из компрес­сора струю сжатого воз­духа. Явления, проис­ходящие в осевом ком­прессоре, обратным яв­лениям, которые нами изучены для осевой па­ровой турбины.

Действительно, если в паровой турбине ро­тор вращается потому, что в цилиндр турбины направляется поток па­ра, имеющего высокое давление и температу­ру, то в осевом ком­прессоре благодаря вращению его ротора получается поток сжа­того воздуха, имеющего определенное давление и температуру.

Давление и температура воздуха, получаемого в компрессоре, зависят от ряда факторов и в первую очередь от δ - степени повышения давления, которое представляет собой отношение давления р₁ за компрессором к давлению р₀ перед ним

Осевой компрессор, хотя и имеет больший к. п. д., чем центробежный, сложнее и поэтому применяется только тогда, когда требуется получить большие значения δ.

Как осевые, так и центробежные компрессоры приводятся во вращение от вала приводной турбины (рис. 114), которая использует до 75% энергии газо­вого потока, приобретенной им в камере сгорания.

Рис. 114. Устройство ротора центробежного турбокомпрессора с осевой турбиной:

1 — колесо компрессора; 2 — колесо турбины; 3 — вал; 4 — промежуточный подшипник.

Камера сгорания газотурбинного двигателя имеет устройство, зависящее от вида сжигаемого в ней топлива: газообразного, жидкого, твердого. В связи с возможностью сжигать в газовой турбине многие виды топлива ее называют «всеядным» двигателем.

Н а рисунке 115 показаны ос­новные части камеры сгорания. В корпусе 1 камеры сгорания рас­полагается жаровая труба 2, из­готовленная из жаропрочного ме­талла. В жаровую трубу с по­мощью форсунки 3 подается топ­ливо, а компрессор подает сжа­тый воздух.

Процесс горения в камере сго­рания газовой турбины непреры­вен во все время ее работы. Толь­ко при пуске двигателя используется ^{специальный запал в виде свечи зажигания,} который вмон­тирован в камеру сгорания.

Турбина газотурбинного двигателя бывает одно- и много­ступенчатой и при этом осевой или центростремительной.

Направляющий аппарат и колесо осевой турбины (рис. 116) почти ничем не отличаются от паровой турбины: ни устройством, ни принципом действия, т. е. они могут служить для работы по активному, реактивному или смешанному принципу. Рабочий процесс многоступенчатой газовой турбины, как и паровой, может осуществляться по циклу со ступенями скорости, ступенями дав­ления или по смешанному циклу.

Рис. 116. Части осевой турбины:

а — направляющий аппарат; б — рабочее колесо.

Часто многоступенчатые осевые турбины средней мощности с отдачей энергии на вал двигателя строятся без механической связи между ступенью турбокомпрессора и рабочей ступенью (см. рис. 109, 110). Это дает возможность более гибко управ­лять машиной, работающей от газотурбинного двигателя.

Осевые турбины обычно используются в установках большой и средней мощности. В маломощных газотурбинных установках (меньше 150 л. с.) применяют центростреми­тельные турбины (рис. 117).

Рис. 117. Устройство газотурбинного двигателя малой мощности с центростремительной турбиной:

1 — колесо компрессора; 2 — колесо турбины; 3 — диафрагма; 4 — кольцевая камера сгорания; 5 — сопло; 6 — форсунка; 7 — запальное устройство; 8 — корпус; 9 — вал; 10 — редуктор.

Р абочее колесо центростремительной турбины по свое­му внешнему виду напоминает колесо центробежного компрес­сора. На рисунке 118 изображен ротор газотурбинного двига­теля в сборе. На валу 3 закреплены крыльчатка 2 центробеж­ного компрессора и рабочее колесо 1 центростремительной турбины. На рисунке 117 стрелками показано, что воздух в крыльчатке и газы в турбине движутся в противоположных направлениях: воздух — от центра, газы — к центру.

Ротор газовой турбины делает большое число оборотов в ми­нуту (24 000—45 000 об/мин). Это необходимо для эффективной работы компрессора и экономичной работы турбины в целом.

Такое большое число оборотов часто не может быть исполь­зовано для привода вала рабочей машины, поэтому в газотур­бинных двигателях, где энергия снимается с вала, имеются редукторы (многоступенчатые или планетарные), которые сни­жают число оборотов до 3000—5000 в минуту. При таких обо­ротах связь с рабочей машиной может быть успешно осущест­влена. На рисунках 109, 111 и 117 видно расположение и прин­ципиальное устройство редукторов.

К числу других устройств двигателя отно­сятся приборы систем его питания и смазки. Топливо в камеру сгорания газовой турбины подается из бака топливным насосом через форсунку. Топливные насосы бывают различными по устройству: шестеренчатые, коловратные, плунжёрные — и развивают давление до 80 кГ/см².

Многообразны и конструкции форсунок — от открытых испа­рительных форсунок, из которых топливо свободно вытекает и испаряется, до более сложных по устройству, закрытых впры­скивающих и центробежных, из которых топливо подается под достаточно высоким давлением и хорошо распыляется по всей камере сгорания.

Система смазки газовых турбин очень проста по устройству, а требовательность к смазке у газовых турбин значительно меньшая, чем у двигателей внутреннего сгорания. Масляный насос шестеренчатого типа подает смазку к подшип­никам вала турбины и редуктора, к его зубчатым колесам и дру­гим трущимся деталям. В системе смазки часто имеется мас­ляный фильтр щелевого типа.

Запуск газовой турбины осуществляется путем раскрутки при помощи постороннего двигателя (электродвигателя — стартера) ротора турбины до 10000 - 12000 об/мин, когда компрессор начинает давать ощутимое сжатие воздуха. По мере воспламенения смеси в камерах сгорания двигатель начинает набирать обороты, а стартер отклю­чается или переходит на рабо­ту в режиме генератора, заря­жая аккумуляторные батареи машины.

Газовая турбина с точки зрения легкости ее пуска при любых метеорологических условиях и способности сразу же после пуска принимать нагрузку намного превосходит поршневые двигатели внутреннего сгорания и в этом смысле также очень прогрессивна. Единственным факто­ром, сдерживающим широкое внедрение малых газовых турбин на транспорте, является их низкая экономичность: расход топ­лива 0,5 кГ/э.л.с.ч., в то время как поршневой двигатель расходует 0,180—0,220 кГ/э.л.с.ч.