ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ГТД),
тепловой двигатель, в к-ром газ сжимается и нагревается, а затем энергия
сжатого и нагретого газа преобразуется в механич. работу на валу газовой
турбины. Рабочий процесс ГТД может осуществляться с непрерывным сгоранием
топлива при постоянном давлении или с прерывистым сгоранием топлива при
постоянном объёме.

В 1791 англ. изобретатель
Дж. Барбер впервые предложил идею создания ГТД с газогенератором, поршневым
компрессором,
камерой сгорания и газовой турбиной. Рус.
инж. П.
Д.
Кузьминский в 1892 разработал проект, а в 1900 построил ГТД со сгоранием
топлива при постоянном давлении, предназначенный для небольшого катера.
В этом ГТД была применена многоступенчатая газовая турбина. Испытания не
были завершены из-за смерти Кузьминского. В 19GO-04 нем. инж. Ф. Штольце
пытался создать ГТД, но неудачно. В 1906 франц. инж. Р. Ар-манго и Ш. Лемаль
построили ГТД, работавший на керосине, со сгоранием топлива при постоянном
давлении, но из-за низкого кпд он не получил пром. применения. В 1906 рус.
инж. В. В. Кара-водин спроектировал, а в 1908 построил бескомпрессорный
ГТД с 4 камерами прерывистого сгорания и газовой турбиной, к-рый при 10
000 об/мин развивал мощность 1,2 квт (1,6 л. с.).
В 1908 по проекту нем. инж. X. Хольцварта был построен ГТД прерывистого
горения. К 1933 кпд ГТД с прерывистым горением составлял 24%, однако они
не
нашли широкого пром. применения. В России в 1909 инж. Н. В. Герасимов получил
патент на ГТД, к-рый был использован им для создания реактивной тяги (турбореактивный
ГТД); в 1913 М. Н. Никольской спроектировал ГТД мощностью 120 квт
(160 л.с.) с трёхступенчатой газовой турбиной; в 1923
В. И. Базаров предложил схему ГТД, близкую к схемам совр. турбовинтовых
двигателей; в 1930 В. В. Уваров при участии Н. Р. Брилинга спроектировал,
а в 1936 построил ГТД с центробежным компрессором. В 30-е гг. большой вклад
в создание авиац. ГТД внесли сов. конструктор А. М. Люлька (ныне акад.
АН СССР), англ, изобретатель Ф. Уиттл, нем. инж. Л. Франц и др.
В 1939 в Швейцарии был построен и испытан ГТД мощностью 4000
кет
(5400
л. с.). Его создателем был словацкий учёный А. Стодола. В
1939 в Харькове, в лаборатории,< руководимой В. М. Маковским, изготовлен
ГТД мощностью 736 квт (1000 л. с.). В качестве топлива
использован газ, получаемый при подземной газификации угля. Испытания этого
ГТД в Горловке были прерваны Великой Отечественной войной. Большой вклад
в развитие и совершенствование ГТД внесли сов. учёные и конструкторы: А.
Г. Ивченко, В. Я. Климов, Н. Д. Кузнецов, И. И. Кулагин, Т. М. Мелькумов,
А. А. Мику-лин, Б. С. Стечкин, С. К. Туманский, Я. И. Шнеэ, Л. А. Шубенко-Шубин
и др. За рубежом в 40-е гг. над созданием ГТД работали фирмы "Юнкере",
"БМВ" (Германия), "Бристол Сидли", "Роллс-Ройс" (Великобритания), "Дженерал
электрик" и "Дженерал моторе" (США), "Рато" (Франция) и др.

Наибольшее пром. применение
получили ГТД с непрерывным сгоранием топлива при постоянном давлении, В
таком ГТД (рис. 1) сжатый атм. воздух
из компрессора поступает в камеру сгорания, туда же подаётся топливо, к-рое,
сгорая, нагревает воздух; затем в газовой турбине энергия газообразных
продуктов сгорания преобразуется в механич. работу, большая часть к-рой
расходуется на сжатие воздуха в компрессоре. Остальная часть работы передаётся
на приводимый агрегат. Работа, потребляемая этим агрегатом, является полезной
работой ГТД.

Полезная работа Lе, отнесённая
к 1 кг рабочего тела, равна разности между работой Lт, развиваемой
турбиной при расширении в ней газа, и работой Lкомпрессором на сжатие в нём воздуха. Графически рабочий цикл ГТД может
быть представлен в РV-диаграмме, где Р - давление, V - объём (рис. 2).
Чем выше кпд компрессора и турбины, тем меньше Lи больше
Zперед турбиной также способствует росту полезной работы L(линия 3'4' на рис. 2). Экономичность ГТД характеризуется его эффективным
кпд, к-рый представляет собой отношение полезной работы к количеству тепла,
затраченного на создание этой работы.

В совр. ГТД кпд компрессоров
и турбин соответственно составляет 0,88-0,9 и 0,9-0,92. Темп-pa газа перед
турбиной в транспортных и стационарных ГТД составляет 1100-1200 К, а в
авиационных достигает 1600 К. Достижение таких темп-р стало возможным благодаря
изготовлению деталей ГТД из жаропрочных материалов и применению охлаждения
его элементов. При достигнутом совершенстве проточной части и темп-ре
газов 1000 К кпд двигателя, работающего по простейшей схеме, не превышает
25%. Для повышения кпд тепло, содержащееся в выходящем из турбины газе,
используется в рабочем цикле ГТД для подогрева сжатого воздуха, поступающего
в камеру сгорания. Теплообмен между отходящими газами и сжатым воздухом,
поступающим в камеру сгорания, происходит в регенеративных теплообменниках,
а рабочий процесс ГТД, в к-ром утилизируется тепло выходящих из турбины
газов, наз. регенеративным. Повышению кпд способствуют также подогрев газа
в процессе его расширения в турбине,
совместно с использованием тепла выходящих газов, и охлаждение воздуха
в процессе его сжатия в компрессоре (рис. 3). При этом полезная
работа возрастает благодаря увеличению работы Lm, развиваемой турбиной,
и уменьшению работы Lk, потребляемой компрессором. Схема такого
ГТД в 30-е гг. была предложена сов. учёным Г. И. Зотиковым. Компрессор
и турбина низкого давления находятся на одном валу, который не связан с
валом привода, напр., генератора, гребного винта. Их частота вращения может
изменяться в зависимости от режима работы, что существенно улучшает экономичность
ГТД при частичных нагрузках.

Рис. 3. Схема газотурбинного
двигателя с регенерацией тепла, охлаждением воздуха в процессе сжатия и
подогревом газа в процессе расширения: 1 - пусковой двигатель: 2,
3, 4 - компрессоры низкого, среднего и высокого давления; 5- камера сгорания;
б, 7- турбины высокого и низкого давления; 8- регенератор; 9- охладитель
воздуха.

ГТД могут работать на газообразном
топливе (природном газе, попутных и побочных горючих газах, газогенераторных
газах, газах доменных и сажевых печей и подземной газификации);
на жидком топливе (керосине, газойле, дизельном топливе, мазуте); твёрдом
топливе (угольной и торфяной пыли). Тяжёлые жидкие и твёрдые топлива находят
применение в ГТД, работающих по полузамкнутому и замкнутому циклу (рис.
4). В ГТД замкнутого цикла рабочее тело после совершения работы в турбине
не выбрасывается, а участвует в следующем цикле. Такие ГТД позволяют увеличивать
единичную мощность и использовать в них ядерное топливо. ГТД нашли широкое
применение в авиации (см. Авиационный двигатель) в качестве осн.
двигателей силовых установок самолётов, вертолётов, беспилотных летательных
аппаратов и т. п. ГТД используют на тепловых электростанциях для привода
электрогенераторов; на передвижных электростанциях, напр. в энергопоездах;
для привода компрессоров (воздушных и газовых) с одновременной выработкой
электрич. и тепловой энергии в нефтяной, газовой, металлургич. и химич.
промышленности; в качестве тяговых двигателей газотурбовозов, автобусов,
легковых и грузовых автомобилей, гусеничных
тракторов, танков; как силовые установки кораблей, катеров, подводных лодок
и для привода вспомогат. машин и механизмов (лебёдок, насосов и др.); на
объектах военной техники в качестве энергетич. и тяговых силовых установок.
Область применения ГТД расширяется. В 1956 мощность ГТД во всём
мире составила 900 Мвт, к 1958 она превысила 2000 Мвт, а
к нач. 1968 достигла 40 000 Мвт (без авиации и военной техники).
Наибольшая единичная мощность выпускаемых в СССР ГТД составляет
100 Мвт (1969). Достигнутый эффективный кпд двигателей -
35%.

Рис. 4. Схема газотурбинного
двигателя, работающего по замкнутому циклу: 1 - поверхностный нагреватель;
2 - турбина; 3 - компрессор; 4- охладитель; 5 - регенератор;
6- аккумулятор воздуха; 7- вспомогательный компрессор.

Развитие ГТД идёт по пути
совершенствования его элементов (компрессора, турбины, камеры сгорания,
теплообменников и др.), повышения темп-ры и давления газа перед
турбиной, а также применения комбинированных силовых установок с паровыми
турбинами и свободнопорш-невыми генераторами газа. Эксплуатация таких установок
в стационарной энергетике и на транспорте показала, что при утилизации
тепла отходящих газов и высоком совершенстве основных элементов их эффективный
кпд достигает 42-45% .

Лит.: Бикчентай Р.
Н., Лопоян Г. С., Поршаков Б. П., Применение газотурбинных установок в
промышленности, М., 1959; Уваров В. В. и Чернобровкин А. П., Газовые турбины,
М., 1960; Шнеэ Я. И., Газовые турбины, М., 1960; Основы проектирования
и характеристики газотурбинных двигателей, [пер. с англ.], М., 1964; Газотурбинные
установки. Атлас конструкций и схем, М., 1967; Simmons С. R., Gas turbine
manual, L., 1968.

См. также лит. при
ст. Авиационная газовая турбина. С. 3. Копелев.