Большая энциклопедия техники - Коллектив авторов

При температуре газов 1000 К и достигнутом совершенстве проточной части КПД двигателя, который работает по простейшей схеме, не превышает 25%. Чтобы повысить КПД, тепло, содержащееся в выходящем из турбины газе, используется в рабочем цикле газотурбинного двигателя для подогрева сжатого воздуха, который поступает в камеру сгорания. В регенеративных теплообменниках происходит теплообмен между отходящими газами и сжатым воздухом, поступающим в камеру сгорания. Рабочий процесс такого газотурбинного двигателя, в котором утилизируется тепло выходящих из турбины газов, называется регенеративным. Подогрев газа в процессе его расширения в турбине совместно с использованием тепла выходящих газов и охлаждение воздуха в процессе его сжатия в компрессоре также способствуют повышению КПД. При этом полезная работа возрастает благодаря увеличению работы Lm, развиваемой турбиной, и уменьшению работы Lk, потребляемой компрессором. Такая схема газотурбинного двигателя в 1930-е гг. была предложена советским ученым Г. И. Зотиковым. Турбина низкого давления и компрессор находятся на одном валу, который, в свою очередь, не связан с валом привода (например, генератора, гребного винта). Частота их вращения может изменяться и зависит от режима работы. Это существенно улучшает экономичность газотурбинных двигателей при частичных нагрузках.

Газотурбинные двигатели могут работать на различных видах топлива: на газообразном (природном газе, попутных и побочных горючих газах, газогенераторных газах, газах доменных и сажевых печей и подземной газификации); на жидком (керосине, газойле, дизельном топливе, мазуте); твердом топливе (угольной и торфяной пыли). Тяжелые жидкие и твердые топлива нашли свое применение в газотурбинных двигателях, работающих по полузамкнутому и замкнутому циклу. В газотурбинных двигателях с замкнутым циклом рабочее тело после совершения работы в турбине не выбрасывается в окружающую среду, а участвует в последующем цикле. В таких газотурбинных двигателях увеличивается единичная мощность, что дает возможность использовать в них ядерное топливо. Газотурбинные двигатели нашли широкое применение в авиации (см. «Авиационный двигатель»). Они устанавливаются в качестве основных двигателей силовых установок самолетов, вертолетов, беспилотных летательных аппаратов и т. п. Газотурбинные двигатели очень широко используют на тепловых электростанциях в качестве привода электрогенераторов. Также они используются в качестве тяговых двигателей газотурбовозов, автобусов, легковых и грузовых автомобилей, гусеничных тракторов, танков; как силовые установки кораблей, катеров, подводных лодок и для привода вспомогательных машин и механизмов (лебедок, насосов и др.); на объектах военной техники в качестве энергетических и тяговых силовых установок. Зачастую они встречаются на передвижных электростанциях (энергопоездах), для привода компрессоров (воздушных и газовых) с одновременной выработкой электрической и тепловой энергии в нефтяной, газовой, металлургической и химической промышленности. И, несмотря на столь широкое применение газотурбинного двигателя, область его применения постоянно расширяется. По статистическим данным, в 1956 г. мощность газотурбинных двигателей во всем мире составила 900 МВт, к 1958 г. она превысила 2000 МВт, а к началу 1968 г. достигла 40 000 МВт (без авиации и военной техники).

Развитие газотурбинных двигателей идет по пути совершенствования конструктивных элементов, таких как компрессор, турбина, камера сгорания, теплообменники и др. Также ведутся разработки по повышению температуры и давления газа перед турбиной, применению комбинированных силовых установок с паровыми турбинами и свободнопоршневыми генераторами газа. Данные при эксплуатации таких установок в стационарной энергетике и на транспорте показали, что при утилизации тепла отходящих газов и высоком совершенстве основных элементов их эффективный КПД (в среднем) достигает 42—45%, а иногда и выше.

Газотрубный котел

Газотрубный котел – паровой котел, в котором по стальным трубам проходят газообразные продукты сгорания топлива, а вода циркулирует в межтрубном пространстве. Газотрубный котел является одним из двух основных видов котлов, отличительной особенностью которого является то, что дымовые газы находятся внутри трубы, а вода расположена снаружи трубы.

В зависимости от характера движения воды существуют:

  1) газотрубные котлы с естественной циркуляцией;

  2) газотрубные котлы с принудительной прямоточной циркуляцией;

  3) газотрубные котлы с принудительной многократной циркуляцией.

Одним из изобретателей котлов считается французский физик Дени Папен. Первые котлы имели вид цилиндра диаметром порядка 75—120 см, принцип их действия основывался на том, что при прохождении продуктов сгорания топлива через трубы, омываемые водой, образовывался пар, энергия которого впоследствии преобразовывалась в механическую энергию. После того как начался массовый промышленный выпуск котлов в целях судостроения, была произведена модификация вышеописанной конструкции и создан горизонтальный газотрубный котел, представлявший собой топку, образование пара в которой осуществлялось путем охлаждения ее водой, причем диаметр топки был почти в 2 раза меньше диаметра котла. Отцом-создателем данной конструкции явился Оливер Эванс. Нужно сказать, что изобретение Эванса изначально имело репутацию не самой надежной конструкции. Причиной этого является то, что во время одного из испытаний котла Эванса судно, на котором был установлен данный котел, затонуло. Это происшествие обошлось без жертв, более того, позже было установлено, что крушение судна никоим образом не связано с изобретением Эванса, котел работал исправно. Причиной же кораблекрушения явилась пробоина, в результате чего вода стала поступать в трюм. Но, несмотря на представленные доказательства, репутация Оливера Эванса и его изобретения сильно пострадала. Ровно через 5 лет после изобретения Оливера Эванса, в 1791 г., Натан Рид сконструировал газотрубный котел, который и по сей день является стандартом. Принципиальной особенностью новой конструкции стало то, что не менее половины от объема котла отводилось под пространство для образующегося пара, это значительно снижало риск перегрузки котла.

Гелиоконцентратор

Гелиоконцентратор (гелио от греч. helios – «солнце» и лат. con – «с, вместе, в», centrum – «центр», «средоточие») – устройство для повышения в сотни раз плотности энергии солнечной радиации. Самая основная конструкторская часть гелиоконцентратора – одно или несколько зеркал или линз, которые собирают (фокусируют) солнечные лучи. Подобные устройства для концентрации солнечных лучей известны давно (например, зажигательные устройства древнегреческого математика и механика Архимеда, французских ученых Т. П. Бюффона, А. Л. Лавуазье). В своем научном труде «Об оптике» М. В. Ломоносов описывает разработанную им оригинальную оптическую систему, составленную из плоских зеркал и собирательных линз. Первым исследователем, осуществившим превращение энергии солнечного излучения в механическую энергию, был Огюст Мушу. В 1861 г. исследователь получил патент на создание двигателя, функционирующего благодаря энергии солнечного излучения. Запуск первого такого двигателя пришелся на 1865 г. Работу по созданию аппарата, работающего на солнечной энергии, вели и другие испытатели. Стоит упомянуть конструкции Джона Эрикссона, Шарля Тейе, Вильяма Адамса. В СССР первый крупный гелиоконцентратор был выполнен в 1946 г. (в Ташкенте) в виде параболоида диаметром 10 м. В дальнейшем подобные параболоидные гелиоконцентраторы были сооружены в других странах: Франции, США и Японии. Так, во Франции в 1968 г. начала действовать наиболее крупная солнечная печь с параболоидным гелиоконцентратором диаметром 54 м. Самый крупный гелиоконцентратор составного типа с площадью зеркала 20 000 м2 был спроектирован в СССР для солнечной теплосиловой станции СТС. Основные элементы гелиоконцентратора: жесткая несущая конструкция и зеркальная или линзовая часть. С 1960-х гг. развивается новое направление по изготовлению полужестких и надувных гелиоконцентраторов из различных полимерных, прозрачных и металлизированных тонких пленок. Геометрическая форма отражательной поверхности и схема гелиоконцентратора могут быть самыми различными:

  1) параболоидная (параболоцилиндрическая, цилиндрическая);

  2) коническая;

  3) тороидальная;

  4) составленная из отдельных плоских зеркал;

  5) зеркально-линзовая;

  6) в виде плоских зеркал, которые следят за солнцем, и неподвижного параболоидного концентратора (подвижные плоские зеркала обычно называют гелиостатами, или ориентаторами, они предназначены для направления солнечных лучей на неподвижный гелиоконцентратор).