От воздуха к энергии: понимание газотурбинного двигателя

Принцип работы газовой турбины

Компрессор, приводимый во вращение турбиной, непрерывно забирает воздух из атмосферы, сжимает его и увеличивает давление. Сжатый воздух поступает в камеры сгорания, смешивается с подаваемым топливом и горит. После того как он становится высокотемпературным продуктом сгорания, он поступает в турбину для расширения и выполнения работы. После выполнения работы давление газа падает до атмосферного и выходит в атмосферу.

Таким образом, три основные части газовой турбины — это компрессор, камера сгорания и турбина.

Аксимальный компрессор имеет много лопастей, форма которых напоминает лопасти винта, но они разделены на "подвижные лопасти" и "неподвижные лопасти". Подвижные лопасти вращаются как винт, отталкивая воздушный поток назад во время вращения. В этот момент давление воздушного потока возрастает, а также повышается температура.

Функция стационарных лопаток заключается в том, чтобы направлять вращающийся поток воздуха, создаваемый движущимися лопатками, обратно в осевом направлении и обеспечить вход в следующую группу роторов под правильным углом. Обычно одна группа движущихся лопаток и одна группа стационарных лопаток устанавливаются чередующимися, и такая комбинация называется ступенью.

Кроме того, существует радиальный компрессор. Он использует центробежную силу, возникающую при вращении импеллера, для продвижения воздушного потока наружу, тем самым создавая сжатие. Одноступенчатый радиальный компрессор может иметь степень сжатия нескольких ступеней осевых компрессоров, что является хорошим выбором для более мелких газотурбинных двигателей.

Камера сгорания преобразует химическую энергию топлива в тепловую энергию, нагревая высокодавный воздух, сжатый компрессором, до высокой температуры, чтобы затем расширять его в турбине для выполнения работы. В качестве топлива может использоваться жидкое топливо (например, бензин) или газообразное топливо (например, природный газ).

Спереди на корпусе камеры сгорания находится воздушный вход, ведущий к компрессору, а сзади — выход горячих газов, ведущий к турбине.

Функция турбины заключается в преобразовании энергии высокотемпературных и высокодавных продуктов сгорания в механическую энергию.

На данный момент в основном используются осевые турбины, которые характеризуются высокой мощностью, большим потоком и высокой эффективностью. Центробежная турбина является радиальной турбиной и主要用于 в некоторых маломощных газовых турбинах.

Газовая турбина — это машинная установка внутреннего сгорания, которая использует непрерывно текущий газ в качестве рабочей жидкости для приведения импеллера в высокоскоростное вращение, преобразуя энергию топлива в полезную работу. Это вращающийся тепловой двигатель с импеллером.

В основном процессе движения воздуха и газа в газовой турбине присутствует только газотурбинный цикл, состоящий из трех основных компонентов: компрессора, камеры сгорания и газовой турбины, что обычно называется простым циклом. Большинство газовых турбин используют схему простого цикла.

Компрессор всасывает воздух из внешней атмосферной среды и постепенно сжимает его через осевую турбину для увеличения давления, при этом температура воздуха также возрастает соответственно; сжатый воздух направляется в камеру сгорания, где смешивается с впрыскиваемым топливом для сжигания с целью получения высокотемпературного и высокодавльного газа; затем он поступает в турбину для расширения и выполнения работы, приводя турбину в движение, которая в свою очередь приводит компрессор и внешний нагрузочный ротор в быстрое вращение, реализуя частичное преобразование химической энергии газообразного или жидкого топлива в механическую работу, а также вырабатывая электрическую мощность. Отработавшие газы, выбрасываемые турбиной, отводятся в атмосферу для естественного отвода тепла. Таким образом, газовая турбина преобразует химическую энергию топлива в тепловую энергию, а затем часть тепловой энергии в механическую энергию. Обычно в газовой турбине компрессор приводится в действие за счет расширения газовой турбины, являясь её нагрузкой. В простом цикле около 1/2 до 2/3 механической работы, производимой турбиной, используется для привода компрессора, а оставшаяся 1/3 механической работы используется для привода генератора. При запуске газовой турбины требуется внешнее питание. Как правило, стартер приводит компрессор до тех пор, пока механическая работа, производимая газовой турбиной, не станет больше потребляемой компрессором. После этого внешний стартер отключается, и газовая турбина может работать автономно.