ЭКСПЛУАТАЦИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В НАЗЕМНЫХ УСЛОВИЯХ

Аннотация: В данной работе рассмотрены области применения газотурбинных двигателей в наземных условиях, принципы работы и этапы запуска двигателя, а также реакции, возникающие в газотурбинном двигателе при введении в эксплуатацию.

Ключевые слова: газотурбинный двигатель, турбина, сопло, лопастной компрессор, камера сгорания.

Газотурбинные установки эффективно применяются в различных диапазонах мощностей. Возможность использования ГТУ как в стационарных, так и в перспективных режимах работы в составе тепловой электростанции было доказано их применением в качестве пиковых для обеспечения необходимого уровня энерговыработки, оперативной готовностью к быстрым пускам и приему нагрузки, а также большим рабочим ресурсом и высоким коэффициентом полезного действия.

Неотъемлемой частью  газотурбинной установки является  газотурбинный двигатель. Двигатель называется газотурбинным, если сжатый в компрессоре воздух подается в камеру сгорания, где к нему подводится теплота, а образовавшийся горячий газ, поступая в лопаточный аппарат турбины, преобразует свою потенциальную энергию в кинетическую. В свою очередь кинетическая энергия на лопатках рабочих колес превращается в механическую энергию, передавая её вращающемуся непрерывно валу, который соединен с компрессором и нагрузочным устройством[1].

Рассмотрим принцип работы ГТД. На первом этапе происходит всасывание и сжатие воздуха в лопаточном компрессоре, а также подача его в камеру сгорания. На втором этапе сжатый воздух смешивается с топливом для образования топливно-воздушной смеси (ТВС) и, как результат - сгорание этой смеси. На третьем этапе происходит расширение газов вследствие нагрева при сгорании топливно-воздушной смеси, которое приводит к формированию вектора давления газа, направленного в сторону меньшего сопротивления (в направлении лопаток турбины), передача энергии (давления) газа лопатками турбины осуществляется на диск или вал, в котором эти лопатки закреплены. На заключительном этапе осуществляется вращение диска турбины, благодаря которому происходит передача крутящего момента по валу с диска турбины на диск компрессора.

Количество топливно-воздушной смеси зависит от количества воздуха поданного в камеру сгорания. Это значит, что увеличение количества топливно-воздушной смеси приведёт к увеличению давления в камере сгорания и температуры газов на выходе из камеры сгорания, и в результате создаст большую энергию выбрасываемых газов, направленную для вращения турбины и повышения реактивной силы[3].

На рисунке 1 представлена общая схема устройства газотурбинного двигателя. Главной движущей силой в работе газотурбинного двигателя являются лопатки. Лопатки в решающей степени определяют надёжность и безотказность работы ГТД. Изначально сжатие воздуха происходит в лопастном компрессоре, затем поступает в рабочую область (на данном этапе впрыскивается топливо). Внутренняя конструкция двигателя представляет собой сложный механизм, где можно заметить два ряда лопаток, один из которых является неподвижным и закреплен на корпусе. Вторые же соединены с валом, в результате чего и происходит их вращение. Данный вид конструкции можно объяснить тем, что газу при поступлении требуется опора, которую и выполняют неподвижные лопатки.

Вал компрессора в движение приводит стартер. Газотурбинный двигатель отличается высокой пусковой способностью. Запуск газотурбинного двигателя, весьма энергоемкий процесс. Зажигание происходит всего один раз при запуске. Запуск ГТД, в зависимости от типа двигателей, может быть электрическим (при помощи стартер-генератора) или воздушным (с помощью воздушного стартера). В обоих случаях запуск может производиться от наземного источника электричества, сжатого воздуха и вспомогательной силовой установки (электрический стартер-генератор) или совокупностью вышеперечисленных методов.

Запуск газотурбинного двигателя разделяют на три основные стадии. На первой происходит раскрутка ротора двигателя стартером до определенной частоты вращения, при которой в камере сгорания может сформироваться устойчивый факел горения топлива. Вторая стадия подразумевает подачу камере сгорания порционного топлива, затем подачу электрического напряжения на свечи зажигания. При этом происходит воспламенение топлива, и в дальнейшем раскрутка производится совместно со стартером и турбиной ротора двигателя. На третьей стадии с определенной частотой вращения ротора двигателя происходит отключение стартера и дальнейшая раскрутка, до оборотов малого газа, где производится непосредственно турбиной ротора.

Повышению коэффициента полезного действия способствуют подогрев газа в процессе его расширения в турбине и охлаждение воздуха в процессе его сжатия в компрессоре.

В сложных циклах ГТД можно получить более высокий КПД и большую полезную работу, предусматривая промежуточное охлаждение воздуха (между компрессорами или их ступенями), учитывая вторичный подогрев газов, а также рассматривая регенерацию (использование теплоты выходящих из турбин газов для предварительного подогрева сжатого воздуха). Современные газотурбинные двигатели в составе ГТУ имеют КПД 40-45% [4].

ГТД широко применяются в авиационной технике: самолеты, вертолеты, ракеты, беспилотные летательные  аппараты.  Наземной  технике:  привод  транспортных  средств.  Боевой  техники:  танки, бронемашины. Энергетический привод, механический привод промышленного оборудования (компрессоры, насосы). Морской технике: механический и энергетический привод в морских условиях (на морских платформах добычи нефти и газа), привод движителей морских судов. В современной гражданской и военной авиации ГТД заняли доминирующее положение.

С развитием авиационных ГТД началось применение ГТД в промышленности и транспорте. Для преобразования базового авиационного двигателя в наземный заменяются материалы некоторых деталей холодной и горячей частей, наиболее подверженных коррозии. Так, например, магниевые сплавы заменяются на алюминиевые или стальные, в горячей части применяются жаростойкие сплавы с повышенным содержанием хрома. Камера сгорания и система питания топливом модифицируются для работы на газообразном топливе или под многотопливный вариант. Дорабатываются узлы, системы двигателя (запуска, автоматического управления, противопожарная, маслосистема) и обвязка для обеспечения работы в наземных условиях. При необходимости усиливаются некоторые статорные и роторные детали. Ускоренному процессу данного преобразования послужили: быстрый прогресс в авиадвигателестроении по параметрам цикла и повышению надежности, высокое качество изготовления авиационных ГТД и возможность организации их централизованного ремонта, возможность использования авиадвигателей, с необходимым ремонтом для эксплуатации на земле[5].

Преимуществами ГТД являются низкая токсичность отработавших газов, устойчивая работа при равномерном вращении вала, способность работать на разных сортах топлива, плавное изменение крутящего момента и отсутствие необходимости в частом техническом обслуживании. Большое преимущество турбины состоит в том, что она может работать на заменителях нефтяного топлива, таких как метан, пропан, бутан, эфиры[2].К основным недостаткам ГТД следует отнести высокую стоимость изготовления, неудовлетворительную работу на неустановившихся режимах, высокий расход топлива.

Газотурбинные двигатели по праву можно считать классическим примером сложного устройства, детали которого работают длительное время в условиях предельно высоких температур и повышенных нагрузок. Данные двигатели являются образцом высочайшей надежности, которая обеспечивается эффективными конструкторскими решениями, сложными газодинамическими, тепловыми и прочностными расчетами.

Список литературы

1.    Лоскутников А. А.,  Усов Д.  В., Ялчибаева Л. Н.,  Копиртех А.  В. Применение газотурбинных двигателей малой мощности // Молодой ученый. — 2011. — №10. Т.1. — С. 40-42.

2. Транспортная энергетика: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений/ Ю.Г.Котиков, В.Н.Ложкин; под ред.Ю.Г.Котикова.-М.:Издательский центр «Академия», 2006.-272с.

3.          Масленников      М.М.,       Шальман      Ю.Н.      Авиационные      газотурбинные      двигатели.      М.,«Машиностроение»,1975,576.

4.    Конструктивные особенности ГТУ и ее элементов [Электронный ресурс]. -          Режим  доступа:http://eurotransgaz.hu/ru/konstruktivnye_osobenosti_gtu.html    (дата обращения 17.06.2017).

5.       Развитие  теплоэнергетики  и  гидроэнергетики  [Электронный  ресурс].  -  Режим   доступа:http://energetika.in.ua/ru/books/book-3/part-1/section-3/3-6 (дата обращения 19.06.2017).