Большая энциклопедия техники - Коллектив авторов

В многоступенчатой турбине процесс преобразования энергии состоит из целого ряда последовательных процессов в отдельных ступенях. В межлопаточные каналы соплового аппарата подается сжатый и подогретый газ с начальной скоростью, где в процессе расширения происходит преобразование части располагаемого теплоперепада в кинетическую энергию струи вытекания. Дальнейшее расширение газа и преобразование теплоперепада в полезную работу происходят в межлопаточных каналах рабочего колеса. Газовый поток, воздействуя на рабочие лопатки, создает крутящий момент на главном валу турбины. При этом происходит уменьшение абсолютной скорости газа. Чем ниже эта скорость, тем большая часть энергии газа преобразовалась в механическую работу на валу турбины.

КПД характеризует эффективность газовых турбин, представляющую собой отношение работы, снимаемой с вала, к располагаемой энергии газа перед турбиной. Эффективный КПД современных многоступенчатых турбин довольно высок и достигает 92—94%.

Принцип работы газовой турбины состоит в следующем: газ нагнетается в камеру сгорания компрессором, перемешивается с воздухом, формирует топливную смесь и поджигается. Образовавшиеся продукты горения с высокой температурой (900—1200 °С) проходят через несколько рядов лопаток, установленных на валу турбины, и приводят к вращению турбины. Полученная механическая энергия вала передается через редуктор генератору, вырабатывающему электричество. Тепловая энергия выходящих из турбины газов попадает в теплоутилизатор. Также вместо производства электричества механическая энергия турбины может быть использована для работы различных насосов, компрессоров и т. п. Наиболее часто используемым видом топлива для газовых турбин является природный газ, хотя это не может исключить возможности использования других видов газообразного топлива. Но при этом газовые турбины очень капризны и предъявляют повышенные требования к качеству его подготовки (необходимы определенные механические включения, влажность).

Температура исходящих из турбины газов составляет 450—550 °С. Количественное соотношение тепловой энергии к электрической у газовых турбин составляет от 1,5 : 1 до 2,5 : 1, что позволяет строить когенерационные системы, различающиеся по типу теплоносителя:

  1) непосредственное (прямое) использование отходящих горячих газов;

  2) производство пара низкого или среднего давления (8—18 кг/см2) во внешнем котле;

  3) производство горячей воды (лучше, когда требуемая температура превышает 140 °С);

  4) производство пара высокого давления.

Большой вклад в развитие газовых турбин внесли советские ученые Б. С. Стечкин, Г. С. Жирицкий, Н. Р. Брилинг, В. В. Уваров, К. В. Холщевиков, И. И. Кириллов и др. Значительных успехов в создании газовых турбин для стационарных и передвижных газотурбинных установок достигли зарубежные фирмы (швейцарские «Броун-Бовери», в которой работал известный словацкий ученый А. Стодола, и «Зульцер», американская «Дженерал электрик» и др.).

В дальнейшем развитие газовых турбин зависит от возможности повышения температуры газа перед турбиной. Это связано с созданием новых жаропрочных материалов и надежных систем охлаждения рабочих лопаток при значительном усовершенствовании проточной части и др.

Благодаря повсеместному переходу в 1990-е гг. на использование природного газа в качестве основного топлива для электроэнергетики газовые турбины заняли существенный сегмент рынка. Несмотря на то что максимальная эффективность оборудования достигается на мощностях от 5 МВт и выше (до 300 МВт), некоторые производители выпускают модели в диапазоне 1—5 МВт.

Применяются газовые турбины в авиации и на электростанциях.

Газовый двигатель

Газовый двигатель – двигатель внутреннего сгорания, работа которого осуществляется на газообразном топливе (например, на природном или сжиженном газе). Существует два основных вида газовых двигателей внутреннего сгорания:

  1) газодизель;

  2) газовый двигатель, работающий при помощи искрового зажигания.

В рабочем цикле газового двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием различают:

  1) процесс впуска; при перемещении поршня из крайнего верхнего положения в крайнее нижнее положение происходит поступление газообразного топлива в цилиндр, где топливо смешивается с газом, оставшимся после предыдущего рабочего цикла;

  2) процесс сжатия; происходит при закрытых впускном и выпускном клапанах и движении поршня; при поступлении газообразного топлива в цилиндр температура топлива ниже, чем температура стенок цилиндра, поэтому передача тепловой энергии происходит от стенок цилиндра к топливу; в дальнейшем по мере сжатия температура газа повышается и становится больше, чем температура стенок цилиндра, процесс теплообмена идет в обратном направлении;

  3) процесс сгорания; воспламенение топлива происходит в цилиндре при участии электрической искры;

  4) процесс расширения; так же, как при сжатии, идет теплообмен между газами рабочей смеси и стенками цилиндра, перенос тепловой энергии осуществляется от топливных газов к стенкам цилиндра;

  5) процесс выпуска; имеет место освобождение цилиндра от отработавших газов топливной смеси.

В конце XVIII в. был открыт светильный газ. В 1801 г. Лебоном был получен патент на моделирование и конструкцию газового двигателя на основе светильного газа. Принцип работы этого двигателя основывался на способности смеси из светильного газа и воздуха взрываться при воспламенении с выделением большого количества тепловой энергии. По замыслам Лебона, полезная работа могла осуществляться не только за счет тепловой энергии, но и благодаря энергии расширяющихся газов в процессе их горения.

По своей сути двигатель Лебона являлся прототипом двигателя внутреннего сгорания, но преждевременная кончина испытателя не позволила ему довести свои замыслы до конца. Лишь в 1860 г. Жан Этьен Ленуар, инженер из Бельгии, сконструировал аппарат, основанный на принципе воспламенения топливной смеси при помощи электрической искры. Идея Ленуара была превосходной, промышленность давно нуждалась в двигателе, работающем на подобном принципе. Но исполнение, как говорится, оставляло желать лучшего. Если во время испытаний двигатель работал безотказно, то, как только он стал изготавливаться в промышленных масштабах, стали видны все изъяны. Не стоит забывать, что продолжительность испытаний двигателя намного меньше, чем то время, которое двигатель находится в действии во время его промышленного использования, т. е. испытания двигателя Ленуара прошли превосходно, но при его включении в промышленную установку происходили быстрый перегрев частей и выход двигателя из строя. Усовершенствование данной конструкции путем включения в ее состав системы охлаждения и смазочной системы сделало двигатель внутреннего сгорания Ленуара конкурентоспособным.

Газогенератор

Газогенератор – устройство, предназначенное для температурной переработки жидкого и твердого топлива в газообразное горючее топливо с температурой от 500 до 1200 К. В структуре газогенератора различают загрузочный бункер, камеру возгорания и камеру газообразования.

Как правило, термическая переработка осуществляется в присутствии воздуха, свободного или связанного кислорода (водяных паров). Получаемые в газогенераторе газы называются генераторными.

В отличие от топок горение твердого топлива в газогенераторе осуществляется в большом слое и характеризуется количественным поступлением воздуха, недостаточного для полного сжигания топлива. Процесс, происходящий в газогенераторе, называется газификацией топлива.

Образующиеся в газогенераторе газы содержат продукты полного горения топлива (углекислый газ, вода) и продукты их восстановления, неполного горения и пирогенетические разложения топлива на составляющие (угарный газ, водород, метан, углерод). Также в генераторные газы переходит азот воздуха.

Идея газогенератора была выдвинута в конце 1830-х гг. в Германии (Бищофом в 1839 г. и Эбельманом в 1840 г.), но их промышленное применение началось только после того, как Ф. Сименсом (1861 г.) был предложен регенеративный принцип отопления заводских печей, позволивший очень эффективно применять генераторный газ. По праву изобретателями первого промышленного газогенератора были братья Ф. и В. Сименс. Конструкция газогенератора получила повсеместное распространение и просуществовала в течение длительного периода (40—50 лет). В начале ХХ в. появились новые, более совершенные конструкции.

Часто газогенератор представляет собой шахту, внутренние стенки которой выложены огнеупорным материалом. Основными составляющими элементами газогенератора являются:

  1) корпус, который изготовлен в виде цилиндра из листовой стали, сваренной в местах стыка. В нижней части к корпусу приварено днище, в верхней находится соединительный фланец;