Что такое газовая турбина?
Газовая турбина представляет собой тепловой двигатель, который непрерывно преобразует энергию сжатого и нагретого газа (чаще всего продуктов сгорания топлива) во вращательное движение вала. Она является ключевым компонентом газотурбинного двигателя.
Конструкция и основные элементы
Обычно нагрев сжатого газа происходит в специальной камере сгорания, хотя возможны и другие источники, например, ядерный реактор. Первые газовые турбины, появившиеся в конце XIX века, были конструктивно схожи с паровыми. Современная газовая турбина состоит из ряда неподвижных (сопловых аппаратов) и вращающихся (рабочих колес) лопаточных венцов, формирующих её проточную часть.
Основной строительной единицей является ступень, которая объединяет сопловой аппарат и рабочее колесо. Конструктивно ступень делится на две части: статор (корпус, неподвижные лопатки, бандажные кольца) и ротор (вращающиеся элементы: рабочие лопатки, диски, вал).
Классификация газовых турбин
Турбины классифицируют по нескольким конструктивным признакам:
- По направлению потока газа: осевые (наиболее распространенные), радиальные (центростремительные и центробежные), диагональные и тангенциальные (безлопаточные, для малых расходов).
- По количеству ступеней: одно-, двух- и многоступенчатые. Выбор зависит от мощности, назначения и требуемого перепада давления.
- По способу использования теплоперепада: активные (давление падает только в соплах) и реактивные (давление снижается и в соплах, и на рабочих лопатках).
- По подводу газа: с полным или парциальным (частичным) подводом по окружности.
Принцип работы и преобразование энергии
В многоступенчатой турбине процесс преобразования энергии происходит последовательно в каждой ступени. Сжатый и нагретый газ поступает в сопловой аппарат, где расширяется, и часть его тепловой энергии превращается в кинетическую энергию высокоскоростной струи. Затем эта струя попадает на лопатки рабочего колеса, заставляя его вращаться. При этом скорость и давление газа снижаются, а их энергия преобразуется в механическую работу на валу. Чем больше снижается скорость газа, тем выше эффективность преобразования.
Эффективность работы оценивается коэффициентом полезного действия (КПД) — отношением полезной работы на валу к начальной энергии газа. КПД современных многоступенчатых турбин достигает впечатляющих 92–94%.
Рабочий цикл и применение энергии
Принцип действия начинается с нагнетания воздуха компрессором в камеру сгорания, где он смешивается с топливом (чаще всего природным газом) и воспламеняется. Раскаленные газы (900–1200 °C) устремляются через лопатки турбины, приводя её в движение. Полученная механическая энергия через редуктор может передаваться генератору для выработки электроэнергии или использоваться напрямую для привода насосов, компрессоров и другого оборудования.
Тепло отработавших газов (450–550 °C) не теряется и может утилизироваться, что делает газотурбинные установки основой для когенерационных систем. Соотношение вырабатываемой тепловой и электрической энергии обычно составляет от 1,5:1 до 2,5:1. Теплоноситель может быть разным: горячие газы, пар различного давления или горячая вода.
История развития и современное значение
Значительный вклад в развитие технологии внесли советские ученые (Б.С. Стечкин, Г.С. Жирицкий и др.) и зарубежные компании (Brown Boveri, Sulzer, General Electric). Дальнейший прогресс связан с повышением температуры газа на входе в турбину, что требует создания новых жаропрочных материалов и эффективных систем охлаждения.
Широкое использование природного газа в энергетике с 1990-х годов обеспечило газовым турбинам существенную долю рынка. Они выпускаются в широком диапазоне мощностей — от 1 МВт до 300 МВт, хотя максимальная эффективность достигается на установках от 5 МВт. Основные области применения — авиация и электроэнергетика.