Газовые турбины (Б. Стечкин, академик)

Одним из крупных достижений современной науки и техники является создание нового теплового двигателя - газовой турбины. Этот двигатель при дальнейшем своем развитии может совершить подлинно революционный переворот в технике некоторых отраслей народного хозяйства - в энергетике, на железнодорожном и автомобильном транспорте, в морском флоте. В директивах XX съезда КПСС по шестому пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на 1956-1960 гг. указывается на необходимость организации серийного выпуска стационарных и транспортных газотурбинных установок, а также передвижных газотурбинных электростанций.

Что же представляет собой газотурбинный двигатель? Основная его часть - газовая турбина - работает так же, как и паровая турбина, только рабочим телом для нее служит не пар, а горячие газы, нагретые до температуры 600-800°С с давлением 6-10 атмосфер. Для получения газов под давлением атмосферный воздух сжимается компрессором и затем подогревается в камере сгорания за счет сжигания в сжатом воздухе какого-либо жидкого топлива - обычно дизельного топлива или мазута. Компрессор, служащий для сжатия воздуха, приводится в движение самой же газовой турбиной, на что тратится около половины ее мощности, а иногда и больше. Оставшаяся мощность турбины используется по назначению на привод электрогенератора, автомобиля, газотурбовоза.

На рис. 58 показана схема газотурбинной установки с основными ее элементами - компрессором, камерой сгорания, турбиной и рабочим приводом. Таким образом, в ней, кроме собственно турбины, мы имеем также компрессор и камеру сгорания, которых нет в паротурбинной установке. Но зато в газотурбинной установке нет парового котла с топкой, пароперегревателя и конденсатора, занимающих во много раз больше места, чем сама турбина.

Рис. 58. Схема действия газовой турбины

Для запуска газотурбинной установки с помощью специального двигателя раскручивают компрессор и турбину, одновременно подавая топливо в камеру сгорания и зажигая его. При достижении примерно четверти рабочего числа оборотов установка начинает вращаться самостоятельно, не отдавая, однако, никакой мощности. Для получения нужной мощности необходимо добавлять топливо, увеличивая число оборотов и температуру газа до их рабочего значения.

Экономичность газотурбинной установки в основном определяется температурой газа перед турбиной (после камеры сгорания) и степенью совершенства газодинамической части установки, или, что то же самое, качеством ее проточной части, при условии, конечно, правильного выбора давления рабочего газа. С повышением температуры рабочего газа и улучшением качества проточной части экономичность турбины растет.

Стремление улучшить экономичность привело исследователей к другим, несколько более сложным схемам газотурбинных двигателей. Наиболее распространена в настоящее время схема с регенерацией тепла. Сущность ее заключается в том, что отработанный газ, выходящий с последней ступени турбины, не выбрасывается наружу, а поступает в теплообменник-регенератор, где отдает некоторую часть тепла воздуху, сжатому в компрессоре. Таким образом, для достижения в камере сгорания той же температуры, что и в схеме без регенератора, при одинаковом расходе воздуха потребуется уже меньшее количество топлива. Применение регенератора значительно усложняет газотурбинную установку и увеличивает ее вес и габариты.

В отличие от описанной нами так называемой одновальной газотурбинной установки, весьма часто встречается двухвальная. В этом случае турбина разделена на две части, из которых одна служит лишь для приведения во вращение компрессора, а другая работает на внешний привод. В установке имеются два различных вала. Такая схема особенно удобна для транспортных машин, ибо она дает возможность получить более экономичную работу на переменных режимах и хорошую характеристику крутящего момента.

Конструкции элементов газотурбинного двигателя весьма разнообразны. В настоящее время в газотурбинных установках применяются: осевые многоступенчатые компрессоры, одно- и многоступенчатые центробежные компрессоры, одно- и многоступенчатые газовые турбины, как радиальные, так и осевые.

Как показывает теория, газотурбинная установка, даже простейшей схемы, может быть очень экономичной. В случае применения высоких температур рабочего газа (1200-1300°С), использования регенерации, промежуточного охлаждения воздуха при сжатии и подогреве при расширении, высокого качества проточной части турбины и компрессора и высоких степеней сжатия воздуха теоретически экономичность газотурбинной установки может быть такой же, как и у комбинированного дизеля. Тогда ее коэффициент полезного действия может оказаться равным 45-55% при несколько большей, чем для дизеля, свободе в выборе топлива. Кроме того, газотурбинная установка всегда может быть сделана во много раз легче, чем какой-либо другой двигатель.

Габариты газотурбинного двигателя также меньше, чем у двигателей внутреннего сгорания, а возможная мощность в одном агрегате намного больше. Отсутствие у газовой турбины цилиндров, поршней с кольцами и клапаном сулит большую надежность в работе. Все эти качества вместе с ожидаемой дешевизной производства, эксплуатационной надежностью, простотой в обращении и постоянной готовностью к быстрому запуску и переходу на рабочий режим открывают благоприятные и широкие перспективы внедрения газотурбинного двигателя в различные отрасли народного хозяйства, особенно если удастся применять твердое топливо для сжигания в камере сгорания. Успехи в области газодинамики и металлургии жаропрочных сталей сделали эти перспективы вполне реальными, хотя достижение их потребует еще большой научно-технической и конструкторско-производственной работы.

Особо быстрое и успешное развитие газотурбинные установки получили в авиации. Быстрый рост скоростей самолетов в послевоенный период потребовал значительного увеличения мощности силовых установок. Применение реактивного двигателя помогло решить эту сложную задачу. Не вдаваясь в подробности устройства и принципа действия хорошо известных в настоящее время реактивных двигателей, напомним, что в большинстве из них в качестве основного агрегата используется турбокомпрессор, т. е. газовая турбина. Газотурбинный двигатель стал широко применяться в авиации, почти полностью вытеснив из нее за последние 5-8 лет поршневой двигатель внутреннего сгорания и определив качественный скачок в ее развитии.

Современная авиационная газовая турбина работает при температуре рабочего газа 900°С и выше и имеет так называемый адиабатический коэффициент полезного действия свыше 90%. При этом мощность на ее валу достигает десятков тысяч лошадиных сил. Турбореактивные двигатели имеют в настоящее время тягу у земли в одном агрегате 10000 кг и более и могут увеличить ее путем форсирования на 40-50% при дожигании топлива за турбиной. При полетах со скоростью более скорости звука дожиганием топлива тяга в полете может быть увеличена в 2-2,5 раза.

Успехи применения газотурбинных двигателей в авиации создали возможность использования их в качестве стационарных и транспортных установок, которые, в отличие от авиационных, должны работать более длительное время. Правда, достижения в создании подобных газотурбинных установок еще достаточно скромны. Дело в том, что жаропрочные стали дороги и не могут быть применены для изготовления лопаток турбины, работающих при температурах выше 900°С без охлаждения. Рабочие температуры стационарных газотурбинных установок достигают пока лишь 600-700°С, а для транспортных машин - не выше 800-850°С при сроке службы до 5000 час. Регенераторы не нашли еще себе конструктивного решения. Поэтому на стационарных установках удается пока получать коэффициент полезного действия 32-35%, на мощных транспортных установках 18-25% и маломощных (меньше 500 л. с.) 10-18%. Кроме того, газотурбинная установка, работая на режимах переменной мощности, имеет характеристику расхода топлива, менее благоприятную, чем поршневой двигатель внутреннего сгорания.

Однако газовые турбины уже сейчас, когда они способны работать лишь на жидком и газообразном топливе, могут быть эффективно использованы в ряде отраслей народного хозяйства, например, на предприятиях черной металлургии, станциях подземной газификации углей, перекачивающих станциях дальних газопроводов, промышленных и коммунальных электростанциях, предприятиях нефтяной промышленности, а также на железнодорожном, морском, речном и автомобильном транспорте. Применение в этих отраслях индустрии газотурбинных установок даст значительный экономический эффект.

Использование газовой турбины для привода доменных воздуходувок позволило сэкономить несколько миллионов тонн условного топлива в год. Применив турбину на тепловых электростанциях, можно сократить расход металла на сооружение станции и ее оборудование в три - четыре раза, уменьшить кубатуру здания в два раза, сократить потребность в охлаждающей воде в четыре - пять раз. Использование газотурбинного двигателя на железнодорожном транспорте позволит создать мощный локомотив, более экономичный, чем паровоз.

Преимущества газотурбинных двигателей и достигнутые результаты привели к тому, что в большинстве стран газотурбостроению уделено большое внимание. Во многих областях применения газотурбинный двигатель вышел далеко за пределы опытного строительства. Для примера можно указать на выпускаемые в Англии турбогенераторы мощностью до 2000 ква и американские стационарные и передвижные газотурбинные установки. Малый удельный вес, хорошая характеристика крутящего момента, возможность применения низкосортных топлив в газотурбинном двигателе привлекают особое внимание военных специалистов капиталистических стран. Широко ведутся опыты применения газотурбинных двигателей в военно-морском флоте.

В 1951 г. в Англии разработан и построен газотурбинный двигатель для канонерской лодки водоизмещением 200 т. Этот двигатель имеет довольно сложную трехвальную схему с двумя турбокомпрессорами, двойным промежуточным охлаждением воздуха, регенератором и т. д. Двигатель развивает полезную мощность до 6000 л. с. и имеет коэффициент полезного действия на режиме минимального удельного расхода топлива 22%. Канонерская лодка, для которой проектировался двигатель, ранее имела паровые турбины. Сейчас на ней установлены два газотурбинных двигателя (каждый работает на отдельный винт). Такая замена двигателей позволила при увеличении мощности в полтора раза уменьшить вес машины на 50% и освободить четвертую часть площади машинного отделения. В настоящее время лодка находится в опытной эксплуатации. Строятся еще две такие же установки для эскортного корабля водоизмещением 1700 т. В Англии выпускаются и другие двигатели для военно-морского флота, в частности двигатель мощностью 4500 л. с, устанавливаемый на небольших судах и торпедных катерах.

Примером использования газотурбинных двигателей в военной технике может также служить созданный в Англии экспериментальный газотурбинный танк (без башни). Хотя сам танк особого интереса не представляет, однако некоторые данные его двигателя интересны. Двигатель этого танка мощностью 1000 л. с. выполнен по двухвальной схеме. Газогенераторная секция состоит из одной ступени центробежного компрессора и одной аксиальной ступени газовой турбины, мощностная секция - из двух ступеней аксиальной турбины. Температура рабочего газа 800°С; степень сжатия компрессора равна четырем; эффективный коэффициент полезного действия 16%. Использование на танке газовой турбины взамен поршневого двигателя позволяет сократить объем силового отделения, уменьшить число передач в силовой передаче до двух - трех, а также значительно упростить конструкцию коробки передач. Вместе с тем серьезные трудности вызывает большой расход топлива, а также необходимость иметь дешевые жаростойкие материалы, пригодные для изготовления лопаток турбины. Известные неудобства может представлять и значительный шум, возникающий при работе газовой турбины.

В стационарной и транспортной практике газотурбинный двигатель находится в периоде становления. Еще не накоплен достаточный опыт строительства такого рода двигателей. Но недалек тот день, когда газотурбинный двигатель прочно войдет в наш быт. Значит ли это, что отпадет нужда в производстве и совершенствовании других типов тепловых двигателей? Конечно, нет. Тепловые двигатели будут совершенствоваться, и газотурбинной установке предстоит еще пройти большой путь, чтобы занять достойное место в нашем народном хозяйстве.