Від повітря до енергії: розуміння газотурбінного двигуна

Принцип роботи газового турбіна

Компресор, який приводиться в рух турбіною, неперервно засмоктує повітря з атмосфери і стискає його, підвищуючи тиск. Стиснуте повітря потрапляє до камери згоряння, де мішається з паливом і згорає. Після того, як воно перетворюється на високотемпературні гази згоряння, воно потрапляє до турбіни, де розширюється і виконує роботу. Після виконання роботи, тиск газів згоряння спадає до атмосферного і викидається у атмосферу.

Отже, три головні частини газового турбіна - це компресор, камера згоряння і турбіна.

Аксіальний компресор має багато лопаток, формою схожих на лопатки віслообразних вентилей, але вони поділені на "поворотні лопатки" і "неподвижні лопатки". Поворотні лопатки обертаються, як вісля, тлумчаючи потік повітря назад під час обертання. У цей час тиск повітря зростає, а також підвищується температура.

Функція статичних лопаток полягає в тому, щоб провести обертовий потік повітря, який утворюється завдяки дії рухомих лопаток, назад до осьового напрямку і ввести його під правильним кутом до наступної групи роторів. Зазвичай одна група рухомих лопаток та одна група статичних лопаток розміщені по черзі, а одна група рухомих лопаток та одна група статичних лопаток називаються етапом.

Крім того, існує радіальний компресор. Він використовує центробіжну силу, яка виникає при обертанні імпелеру, щоб тиснути повітряні маси на зовні, згенерувавши таким чином тиск. Одноступеневий радіальний компресор може мати ступінь стиснення декількох ступенів осьового компресора, що є хорошим варіантом для менших газотурбін.

Камера згоряння перетворює хімічну енергію палива на теплову енергію, грічаючи високотисковий повітря, що стискається компресором, до високої температури, щоб його можна було розширити у турбіні для виконання роботи. Як паливо може використовуватися рідке паливо (наприклад, бензин) або газоподібне паливо (наприклад, природний газ).

Спрямована перед камерою згоряння приймає повітряний вхід, що призводить до компресора, і залишається гарячим газом, що виходить до турбіни.

Функція турбіни полягає у перетворенні енергії високотемпературного і високотискового спалювального газу на механічну енергію.

На даний час найчастіше використовуються оськові турбіни, які характеризуються великою потужністю, великим потоком і високою ефективністю. Центрувальна турбіна є радіальним потоком турбіни, яка головним чином використовується у деяких маломощних газотурбінових двигунах.

Газова турбіна — це внутрішньозапальний двигун, який використовує неперервно течучий газ як робочу речовину для приводження імпелера до обертання з високою швидкістю, перетворюючи енергію палива на корисну роботу. Це є обертальним імпелерним тепловим двигуном.

У головному процесі повітря та газу у газовій турбині існує лише газотурбінний цикл, що складається з трьох основних компонентів: компресора, камери згоряння та газової турбіни, що загалом називається простим циклом. Більшість газових турбин використовують схему простого циклу.

Комpressor вдихає повітря з зовнішнього атмосферного середовища і стискає його поступово за допомогою осевого потокового компресора для підвищення тиску, при цьому температура повітря також зростає відповідно; стиснуте повітря надсилається до камери згоряння, де мішається з паливом для згоряння з метою утворення високотемпературних і високотискових газів; потім воно входить до турбіни для розширення і виконання роботи, приводячи турбіну в дію, що приводить компресор і зовнішній навантажувальний ротор до високоскоростного обертання, реалізуючи частковий перетворення хімічної енергії газоподібного або рідинного палива в механічну роботу, і виводить електричну роботу. Відходящі гази, що викидаються з турбіни, викидаються в атмосферу для природного відведення тепла. Таким чином, газова турбіна перетворює хімічну енергію палива на теплову енергію, а потім перетворює частину теплової енергії в механічну енергію. Зазвичай в газовій турбіні компресор приводиться в дію завдяки роботі розширення газової турбіни, яка є навантаженням для турбіни. У простому циклі близько 1/2 до 2/3 механічної роботи, що виробляється турбіною, використовується для приводження компресора, і лише залишаються 1/3 механічної роботи для приводження генератора. Коли газова турбіна запускається, спочатку необхідна зовнішня сила. Зазвичай стартер приводить компресор до обертання, поки механічна робота, що виробляється газовою турбіною, не стане більшою за механічну роботу, спожиту компресором. Після цього зовнішній стартер вимикається, і газова турбіна може працювати самостійно.