Машина-двигатель От водяного колеса до атомного двигателя, стр. 30

загрузка...

И еще одна причина мешала развитию газотурбостроения. В камеру газовой турбины надо всё время подавать сжатый воздух. Значит, всё время надо приводить в действие от той же турбины и компрессор. И вот вначале не умели рассчитывать турбины и компрессоры так, чтобы на свои нужды в этих установках тратилось мало энергии. Получалось, что машина громоздкая, а пользы от нее мало — полезная мощность невысокая.

И пока не были преодолены эти затруднения, развитие газовых турбин шло медленно. Зигзаг еще не мог сделать своего нового поворота.

Паровая же турбина, работавшая при более низких температурах и без компрессоров, пробивала тем временем себе дорогу и, как нам известно, стала основным двигателем тепловых электростанций.

А вот газовая турбина — та только в наши дни вновь начинает свой путь.

Газовая турбина внутреннего сгорания

Вы помните, Сади Карно предлагал осуществлять работу двигателя внутреннего сгорания так: сжимать воздушным насосом воздух, пропускать его затем через закрытую камеру, где происходит непрерывное сгорание топлива, и, далее, предоставлять этому воздуху действовать в цилиндре поршневого двигателя.

Вы знаете, что техника нашла иной способ создания непрерывного рабочего цикла поршневой машины — четырехтактный и двухтактный процессы. При этом воздух сжимается в том же цилиндре, куда подается топливо и где, расширяясь, он производит работу.

Однако идея Карно всё же нашла свое воплощение в схемах, по которым работают газовые турбины внутреннего сгорания.

Познакомимся с наиболее распространенным типом такой турбины, которая отличается тем, что сгорание топлива происходит при постоянном давлении в камере.

Посмотрим на рисунок. На нем в одну линию расположены четыре машины, составляющие газотурбинную установку. Машина, где при вращении вала происходит сжатие воздуха, всасываемого так, как показано стрелками «а», называется осевым компрессором, — воздух сжимается, проходя вдоль оси машины, с помощью лопаточных колес.

Машина-двигатель<br />От водяного колеса до атомного двигателя - i_057.jpg

Схема работы газовой турбины внутреннего сгорания.

Компрессор подает сжатый воздух в специальную «печку» — камеру сгорания. Часть воздуха попадает внутрь жаровой трубы, куда бьет из форсунки струя жидкого топлива. Топливо здесь сгорает, — внутри жаровой трубы всё время горит факел.

Другая часть воздуха проходит между стенками жаровой трубы и наружного кожуха камеры сгорания. Таким способом охлаждается труба, и так как этот воздух далее смешивается с горячими газами, идущими изнутри жаровой трубы, то он несколько снижает также и температуру этих газов, — иначе в турбину их нельзя было бы пускать.

Теперь нагретые газы поступают в турбину. Там они расширяются, заставляя вращаться вал турбины. Таким образом, тепло, полученное газами при сгорании топлива, превращается прямо в механическую работу вращения. Поэтому к валу турбины можно непосредственно присоединять и вал компрессора и вал электрического генератора. Машина, обозначенная на рисунке, как «пусковое приспособление», — это пусковой электромотор, который нужен для того, чтобы раскрутить компрессор при пуске.

Итак, мощность, развиваемая турбиной, будет частично затрачиваться на вращение компрессора, но от этого еще толку мало. Ведь компрессор обслуживает самое же турбину. Вот та другая часть мощности, которую турбина отдает электрогенератору, — эта мощность будет полезной, ее можно использовать на внешние нужды.

Значит, задача инженеров состоит в том, чтобы создать установку, где как можно меньше мощности затрачивалось бы на привод компрессора и как можно больше — на привод электрогенератора.

Такая простейшая схема установки не позволяет получить коэффициент полезного действия турбины свыше 15–22 % даже при температуре газа в 500–700 °C.

Обычно нет смысла менять дизели или паровые турбины, где коэффициент полезного действия выше, на установки этого типа.

Но вот, если между компрессором и камерой сгорания поместить простой теплообменный аппарат — «регенератор», в котором всасываемый воздух подогревался бы выхлопными газами турбины, тогда будет использовано тепло и этих газов, отчего коэффициент полезного действия установки может даже превышать 30 % и приблизиться к коэффициенту полезного действия лучших паровых турбин.

Ну, а если добавить еще некоторые устройства, то коэффициент полезного действия такой газовой турбины можно довести до 35 %, то есть догнать некоторые типы поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Турбинная установка, о которой только что было рассказано, называется еще установкой открытой схемы. Так она называется потому, что рабочее тело — воздух — поступает из атмосферы (по стрелке «а»), а отработавшие газы тоже выбрасываются в атмосферу (по стрелке «б»).

Посмотрим, как работает газотурбинная установка закрытой схемы.

Газовая турбина внешнего сгорания

Такая турбина тоже имеет компрессор, который нагнетает воздух. Но нагнетание происходит не в камеру сгорания, а в змеевик воздушного котла.

Воздушный котел имеет почти такую же топку, что и паровой котел. Только здесь теплом сгорания топлива нагревается не вода, а воздух, проходящий по трубам змеевика через топку.

Таким образом, компрессор, нагнетая воздух через котел, заставляет этот воздух нагреваться, отчего увеличивается его способность производить работу. Затем воздух проходит в полость турбины, совершает работу, расширяется и дальше не выбрасывается в атмосферу, а проходит через регенератор, холодильник и обратно к компрессору.

Машина-двигатель<br />От водяного колеса до атомного двигателя - i_058.jpg

Здесь, на рисунке, показана одна из первых газотурбинных установок с регенератором, построенная нашими заводами.

Обратим внимание на два устройства: регенератор и холодильник.

Вы уже знаете, зачем нужен регенератор. Так же как отработавшие газы в турбине внутреннего сгорания, отработавший воздух здесь выходит еще с достаточно высокой температурой и своим теплом может подогреть воздух, поступающий из компрессора в котел. Этот подогрев и происходит в регенераторе.

А вот зачем холодильник?

Но мы ведь уже знаем, что для работы теплового двигателя, кроме «источника тепла», должен иметься и «источник холода». То есть тепло должно не только подводиться, но и отводиться.

Вот холодильник и отводит от рабочего тела то тепло, которое осталось неиспользованным в турбине и регенераторе. При этом воздух перед поступлением в компрессор охлаждается, и мощность, которую надо затратить на привод компрессора, снижается.

Машина-двигатель<br />От водяного колеса до атомного двигателя - i_059.jpg

Схема газотурбинной установки замкнутого цикла (внешнего сгорания).

Таким образом, рабочий воздух турбины совершает замкнутый путь: холодильник — компрессор — регенератор (подогревается) — котел (нагревается до высокой температуры) — турбина (расширяется и охлаждается, совершая внешнюю работу) — регенератор (отдает тепло воздуху, поступающему в котел) — холодильник.

А что же является «источником холода», охладителем, в разомкнутой схеме? Там ведь нет холодильника!

Так же как и для двигателей внутреннего сгорания, этим источником является здесь наружная атмосфера.

Газотурбинную установку замкнутой схемы можно назвать еще и турбоустановкой внешнего сгорания, так как топливо здесь не соединяется с рабочим воздухом и сгорает в отдельном котле.

Настоящее и будущее газовой турбины

Не правда ли, — газотурбинные установки, с которыми мы только что познакомились, существенно отличаются от дымовой вертушки? А между тем первые промышленные турбины, которые появились лишь в 1936–1937 годах, работали, почти повторяя принцип этой вертушки.

Загрузка...