Газотурбинный двигатель Д049Р: как Россия довела до ума украинские моторы. Газотурбинный двигатель да14л

как Россия довела до ума украинские моторы

Представителям николаевского завода «Зоря-Машпроект» не дает покоя успех НПО «Сатурн», специалисты которого разработали газотурбинный двигатель Д049Р, во многом превосходящий украинский аналог.

После распада Советского Союза на энергетических установках России в качестве привода турбогенератора использовались двигатели Д049, которые производились на украинском заводе «Зоря-Машпроект», однако лицензионное соглашение действовало лишь до 1997-го года. В связи с этим была разработана программа, в соответствии с которой ведущие российские производители газотурбинных установок были обязаны создать отечественный усовершенствованный аналог советской установки.

В октябре 2000-го года специалисты ОАО «Рыбинские моторы» (ныне – НПО «Сатурн») провели успешные квалификационные (согласно ГОСТ 15.001) и приемочные испытания нового привода. Через два года была готова первая партия газотурбинных установок ГТЭС-2,5, предназначенных для производства и обеспечения тепло- и электроэнергией промышленных и бытовых потребителей. Сердцем мощнейшего агрегата стал новый газотурбинный двигатель Д049Р мощностью 2,5 МВт.

Ярославские конструкторы смогли создать высокопроизводительный агрегат по одновальной схеме, наиболее полно удовлетворяющей требования к качеству вырабатываемой энергии. Д049Р оснащен встроенным соосным редуктором, а общая компоновка мотора обеспечивает, при необходимости, в эксплуатации блочную замену ГТД или редуктора, а также отдельных узлов и элементов.

Главное преимущество разработанной установки заключалось в ее универсальности и эффективности. Д049Р может работать на различных видах топлива, включая тяжелые виды (дизельное, биотопливо, нефтяное, пиролизный газ и т.д.). Кроме того, мотор демонстрирует высокий коэффициент полезного действия при эффективном использовании топлива – до 80% (что, собственно, и определяло низкую себестоимость производимой энергии, низкие издержки на техобслуживание и повышенную надежность работы).

К концу действия программы «Внедрение и строительство электростанций и энергоустановок в 2002-2005 годах и на период до 2010 года» Д049Р был обеспечен заказами на несколько лет вперед, причем предложения поступали не только от отечественных предприятий. Естественно, коммерческий успех НПО «Сатурн» не устраивал представителей николаевского завода «Зоря-Машпроект», производителя Д049.

В 2014-м году в арбитражный суд Ярославской области поступил иск от украинского предприятия по факту плагиата технологии производства газотурбинного двигателя. По мнению николаевских представителей, НПО «Сатурн» нарушил их исключительные права, однако суд, изучив технические характеристики агрегатов и выслушав специалистов, постановил, что ярославские конструкторы в ходе модернизации двигателя, по сути, создали новую уникальную установку, причем во многом превосходящую украинский аналог.

Материал подготовил Сергей Перелесов

Автор: ПолитРоссия

politros.com

газотурбинный двигатель сверхмалого размера

На вопросы «Завтра» отвечает Сергей Журавлёв, руководитель проекта создания газотурбинного двигателя сверхмалого размера.

«ЗАВТРА». Сергей, при взгляде на вашу микротурбину кажется, что это — небольшой реактивный двигатель. Который, наверное, ставят на какие-то сверхмалые самолёты, беспилотные летательные аппараты…

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Внешний вид обманчив, и, несмотря на то, что несколько человек из нашей команды имеют прямое отношение к авиации, мы вообще-то делали совсем иное. Микротурбина — сердце нашего проекта автономного дома. Мы считаем, что дом в России должен быть изначально энергоактивным, то есть производить энергии больше, чем потреблять. И за счёт этого он должен быть автономным, то есть не иметь жёсткого подключения к внешним монопольным сетям.

«ЗАВТРА». Есть западная концепция: ставим на крышу солнечные батареи, а во двор — ветряк. Но у нас, извините, в стране нет ни толкового солнца, ни ветра, поскольку мы — в середине северного континента. В чём состоит ваш подход?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Автономный дом создать сегодня несложно, технологии это позволяют. Весь вопрос состоит в стоимости, потому что, конечно, можно поставить солнечные батареи и летом накапливать энергии более чем достаточно, а потом использовать её зимой. Но стоимость аккумулирования этой энергии будет близкой к космической — даже если ставить современные аккумуляторы, перекачивать воду по системе разновысотных прудов или же запасать тепловую энергию с помощью тепловых насосов или расплавленной теплоёмкой соли.

Чтобы таким образом запасти энергии на всю зиму, надо потратить целое состояние на систему аккумулирования. Поэтому мы исходим из концепции комбинирования разных источников энергии, которые позволяют закрывать все потребности. Электроэнергию сегодня бессмысленно накапливать в аккумуляторах, первичную энергию надо накапливать в химической форме, например — в виде горючих газов.

То есть приходим к тому, что надо ускорять процессы «метаболизма здания», производя горючие газы из тех отходов и мусора, что образуются в самом автономном доме. Есть несколько принципиальных способов получения и водорода или метана, но нам важен тот факт, что горючий газ, производимый самим домохозяйством, позволяет легко закрыть им генерацию электроэнергии и тепла на протяжении всей зимы. Отсюда и возникла идея микрогазотурбинной установки. У турбин есть много преимуществ по сравнению с обычными газопоршневыми агрегатами, то есть обычными и привычными для нас двигателями внутреннего сгорания.

У небольших газотурбинных двигателей уже достигнут очень высокий КПД, их, в отличие от газопоршневых двигателей, легко звукоизолировать, они почти не шумят и занимают малый объём. Неоспоримым их преимуществом является и то, что они легко работают на плохом, некачественном газе, который может генерировать домохозяйство из своих бытовых отходов.

«ЗАВТРА». Здесь надо сказать, что мы все привыкли к чистому, почти 100% метану, который нам поставляет по газовой трубе «Газпром», тот самый монополист, от которого вы хотите уйти, — а вы предлагаете получать прямо в доме пусть и менее чистый, но уже «свой», автономный метан?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Да, сейчас в деталях проработана практика получения конечного газового продукта, смеси горючих газов из большого спектра бытовых отходов — начиная от бумаги или дерева и заканчивая, извините за подробности, помётом птиц или навозом домашних животных.

Именно поэтому микротурбины сейчас — очень актуальное направление разработок. В том числе — и на Западе, где несколько компаний активно над этим работают. Понятно, что там концепция очень похожа на нашу: микротурбина становится «энергетическим сердцем» семьи или предприятия, когда всё производство многих бытовых предметов потребления, в первую очередь — продуктов питания концентрируется в самом домохозяйстве. И это, конечно, тот самый образ совсем иного будущего, когда мы получаем целый пласт «новых производителей», эдаких «крестьян XXI века», которые уже очень мало зависят от внешнего мира, обеспечивая себя всем необходимым и даже создавая излишки продукции.

«ЗАВТРА». Да, дай Бог, чтобы мы смогли возродить наши российские просторы благодаря такой уникальной технологии. А что у вас в ближайших планах?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Да, автономный дом — это будущее. Сегодня же возможность для применения микротурбин раскрывается в уже упомянутой нами авиации. В прошлом эволюция двигателей в авиации обошла микродвигатели стороной — по той простой причине, что они подходили только для авиамоделизма, имели очень малый ресурс. Микродвигатели в авиации были «бабочками-подёнками», были короткоживущими и рассматривались только как подобия, копии настоящих, «взрослых» авиадвигателей. Но сегодня, наконец, эволюция двигателестроения в размере микротурбины привела нас к тому, что возможности технологии и запросы авиации сошлись в одну точку — и мы можем сейчас сделать хорошую микротурбину для авиации.

«ЗАВТРА». Посмотрим на этот небольшой агрегат. Выглядит как настоящий двигатель, а что эта малютка сегодня выдаёт, если перевести в сухие цифры мощности или тяги?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. На максимальных оборотах эта микротурбина выдаёт 200 ньютонов. Если же говорим о мощности — то это порядка 12 кВт. Достаточно мощный двигатель для своего скромного размера.

«ЗАВТРА». Для сравнения: насколько помню, обычная квартира даже на пике мощности потребляет сегодня 1,5-2 кВт электроэнергии, а в среднем — сотни ватт?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Да, такой малютки вполне хватит на десяток квартир в многоквартирном доме. Сейчас все параметры посчитаны на скорости микротурбины около 100 тысяч оборотов в минуту. Но при форсированном варианте турбины можно достичь и 150 тысяч оборотов в минуту, хотя это и не рационально.

«ЗАВТРА». Это ведь отнюдь не обороты двигателя внутреннего сгорания! Получается, что в турбине используются высокотехнологичная подвеска, специализированные подшипники, точный вал?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Да, в турбине стоят качественные, долговечные подшипники. В авиамоделизме для похожих турбин используют подшипники попроще, но они живут недолго, а для бытовой микротурбины самая главная проблема — создать систему смазки и балансировки двигателя, вала, которая бы позволяла ему долго послужить.

Современные флагманы отрасли уже имеют ресурс микротурбин порядка 100 тысяч часов, то есть около десяти лет, и при регулярном обслуживании турбины один раз в год. Мы не ставим такой задачи, хотя уже просчитали компоновку системы охлаждения на пять тысяч часов. А эта машина сможет работать не менее пятисот часов — это первый, но важный рубеж. Мы сейчас только переходим в стадию тестовых испытаний с промышленными образцами. Поэтому какой нам выдаст результат машина, мы пока не загадываем, но говорим: «не менее», — и это уже примерно впятеро больше, чем самый хороший авиамодельный двигатель.

«ЗАВТРА». Скажите, а как дальше интегрировать эту микротурбину? Ведь ей нужна будет система подготовки топлива, если её использовать в энергоснабжении домохозяйств — то и система получения электроэнергии. Кто этим займётся?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Пока что, на первом этапе, мы начинаем работу именно с авиацией, немного упрощая себе первый шаг на пути к конечной цели. Авиация пока что всё-таки использует качественный керосин, а не бытовой газ, который по своим параметрам даже хуже магистрального. А задача когенерирующей микротурбинной установки, как я уже сказал, — это и наша мечта, и наша стратегическая цель.

«ЗАВТРА». Когенерация — это комбинированное получение тепла и электроэнергии, то, к чему надо всегда стремиться в нашей холодной стране. А были ли какие-то аналоги такого подхода, создания таких миктротурбин в советской, в российской истории? Насколько эта вещь уникальна?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. В России не производятся двигатели такого типоразмера. Делают только двигатели для военных целей, это двигатели обычно более простые — для крылатых ракет, например. Но это подход одноразового использования, вида «выстрелил и забыл». Крылатая ракета при этом должна пролететь свой час до цели — и, соответственно, весь двигатель рассчитан на то, чтобы она этот час летела гарантированно.

Мы же говорим о совсем другом рынке, гражданского применения. Соответственно, всем способным произвести продукт на такой ёмкий рынок я желаю только успеха. Места и работы хватит всем. Поэтому мы, в общем, не опасаемся жёсткой конкуренции на рынке — в малой энергетике всё в России ещё только начинается.

«ЗАВТРА». Скажите, а какие следующие этапы вы планируете для микротурбины? Как вы её будете испытывать и совершенствовать?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. К сожалению, у нас не так много средств, чтобы построить качественный испытательный стенд. Сейчас мы занимаемся этой работой, готовимся к тестовым испытаниям опытного образца. Наша текущая задача — произвести промышленный образец, создать производственную кооперацию, отработать технологические процессы и применяемые материалы. Дальше будет стадия доводочных испытаний. Но кое-что мы делаем и заранее, не дожидаясь, когда двигатель обретёт окончательный вид, — например, мы приступили к эскизной разработке гибридной силовой установки, как для целей будущей когенерации, так и для использования в беспилотных летательных аппаратах. Гибридный двигатель — это наиболее современная схема квадрокоптеров и конвертопланов, которые используют электропривод винта, но могут питаться и от микротурбины, а не от аккумуляторов, как сегодня.

«ЗАВТРА». Да, я был в своё время поражён тем, насколько далеко ушёл прогресс за последние десять лет развития беспилотной авиации, но знаю, какая критическая масса проблем возникла с БПЛА именно из-за того, что современные аккумуляторы накладывают ограничения на дальность и скорость беспилотников.

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Беспилотные аппараты — очень сложные агрегаты, мы и не претендуем на их конструирование или производство. Наша задача — сделать качественную силовую установку, применимую в разных типах летательных аппаратов. Микротурбину можно встроить в любой авиадвигатель: турбореактивный, турбовентиляторный, турбовинтовой и уже упомянутый электрический двигатель для БПЛА. Микротурбина для них — компактный и мощный источник энергии. Выдавая реактивную струю и вращая вал, микротурбина создаёт электроэнергию, достаточную для полёта летательного аппарата.

«ЗАВТРА». Скажите, Сергей, а в какой части микротурбина собрана из российских комплектующих? С чем вы столкнулись при разработке своего аппарата, и какие задачи вы решили, а какие остались пока нерешёнными?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Не буду рассказывать обо всех тонкостях и нюансах наших операционных изысканий. В целом же скажу, что Россия за последние годы накопила очень серьёзный парк передового оборудования в так называемых аддитивных технологиях. Этот двигатель произведён на 70% в рамках аддитивных технологий, то есть запрограммированным «выращиванием» металлических конструкций. Аддитивные технологии — это использование 3D-принтера, который сразу делает готовое изделие прямо из аморфного металла.

«ЗАВТРА». То есть вся ваша микротурбина буквально «напечатана» из металла?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Да, всё напечатано — кроме болтиков и гаечек. Болтики печатать незачем, на них есть стандарт. На токарном станке тут выточены только вал и корпус вала двигателя. Ну, и немного деталей выполнено фрезеровками на пятикоординатных станках, но это тоже — самое современное оборудование.

Соответственно, утверждать, что мы сегодня «отсталая страна» — это несусветная глупость. Есть лишь ряд технологических потребностей, пока что не решённых в российской промышленности. Например, уже упомянутые «долгоиграющие» керамические подшипники нашей микротурбины. В то же время мы видим, что российская научно-производственная база готова к производству и таких изделий, здесь вопрос лишь в экономике. Чтобы построить производство керамической продукции такого уровня для нашего изделия, это производство должно выпускать несопоставимо больший объём, чтобы сделать приемлемую стоимость. Прежде всего это вопрос конкуренции, грубо говоря — китайскую, японскую или немецкую продукцию купить пока намного дешевле, чем произвести здесь; нельзя поставить суперстанок только ради того, чтобы сделать четыре подшипника на опытную турбину.

«ЗАВТРА». Ну, это проблема всех компаний-инноваторов. На западе изобретателям тоже приходится выкручиваться в такой ситуации.

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Да, надо учитывать «эффект инновации». Например, если наша оборонная промышленность заинтересована в получении профессиональных двигателей в небольшом типоразмере, причём с применением самых современных материалов, этот процесс будет ускоряться вне зависимости от того, хотим мы этого или нет. Это видно просто по тому, как за последние 3-4 года армия вдруг обогатилась современной техникой.

«ЗАВТРА». Скажите, а кто вам помогает и что вам мешает в вашей работе?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Вы знаете, мешают, скорее, производственные традиции, которые в России всё-таки достаточно косные. С одной стороны, это хорошо, потому что традиции позволяют делать меньше ошибок, но они же часто тормозят инновации.

Простой пример. Мы производим моделирование двигателей в компьютерной 3D-среде, то есть компонуем корпус двигателей со всеми деталями прямо в виртуальной 3D-модели. Эта же модель является исходным кодом для станка с ЧПУ или 3D-принтера, никаких чертежей, современное оборудование сразу «понимает» такой двоичный код. Но часть российских производств почему-то до сих пор требует перевести нашу 3D-модель в десяток ГОСТовских чертежей. А потом эти же чертежи их собственные конструкторы снова переводят уже в свою 3D-модель, чтобы «скормить» тем же станкам с ЧПУ!

Всё это тормозит и усложняет процесс и служит источником ошибок. Как говорят, «два переезда равны одному пожару», так вот — две переделки чертежей создают очень похожий эффект… И мы сегодня таких производителей переучиваем, приучаем к тому, чтобы они действовали, исходя из изменившихся реалий.

В итоге, из-за такой «притирки» смежников кооперация по производству этого двигателя заняла почти полгода. Кооперация в том смысле, что мы передавали готовое модельное решение со всеми необходимыми параметрами. И наши партнёры, надо отдать им должное и сказать огромное спасибо, брались за эти микропартии, экспериментальные, по сути, изделия, так как всё-таки в России есть удивительно нежное отношение к новому, уникальному, что мы и почувствовали, работая со своими смежниками по созданию нашей турбины. Ведь аддитивные технологии сегодня всё-таки только осваиваются российской промышленностью, и сделать просто «влёт» ту или иную деталь — это довольно сложно. Но наши партнёры активно включались и делали всё, что могли — в самых непростых условиях.

«ЗАВТРА». Есть ли интерес к вашим разработкам со стороны отечественной «оборонки», если не заходить в зону государственных секретов? Наше военное ведомство — насколько оно проявляет интерес к такого рода концепциям, как они воспринимают идею микротурбины для авиации, в том числе и для беспилотной?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Давайте я отвечу почти философски. Я туда ещё не ходил, а ко мне ещё официально не приходили. «Товарищ майор» нами ещё не интересовался, но я предполагаю, причём с высокой долей уверенности, что поиск решений в этом направлении осуществляется нашим военным ведомством уже давно и очень активно. Я ведь вижу, как довольно крупные институты работают именно над этой задачей, и рано или поздно мы с этой стороной применения нашего изделия, конечно, столкнёмся.

«ЗАВТРА». То есть либо гора придёт к Магомету, либо всё-таки Магомет придёт к горе?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Вот именно. У нас нет антагонизма по отношению к нашей оборонной промышленности, но и опыта взаимодействия с ней тоже нет. Мы вообще — частная команда. Мы даже юридическое лицо специально под этот проект пока не создавали. В общем, у нас была задача — построить двигатель. И мы её выполнили

«ЗАВТРА». А сколько человеко-часов потребовалось, чтобы сделать эту малютку?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Скажем так, от «идеи, нарисованной на салфетке» и до воплощения двигателя в опытном образце прошло два года, что вылилось в напряжённый труд двух десятков людей, хотя, конечно, и не на полном рабочем дне.

«ЗАВТРА». То есть это достаточно сжатый срок от идеи до образца.

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Я считаю, что сегодня производственные компетенции можно обретать очень быстро. Для этого достаточно доступа к источникам технологических знаний и мотивированной, слаженной команды. Сама же высокотехнологическая продукция не является сегодня каким-то табуированным знанием, к которому могут прикасаться только суперпрофессионалы, «избранные или специально обученные люди», как иногда в шутку говорят. Всё в инновациях создаётся поиском, мозговыми штурмами, оценками, перебором вариантов. Это очень непростой процесс, и тут на первый план выходит мотивация.

«ЗАВТРА». Есть мнение, что сейчас инновационное производство построить гораздо легче, чем даже 20 лет тому назад. Например, я слышал, что тот завод, который Советский Союз по АФАР-радарам для своих военных самолётов строил целое десятилетие, сегодня можно за полтора года собрать прямо в чистом поле — и это не будет каким-то стахановским подвигом. Насколько это правда?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Россия и Советский Союз всегда славились прежде всего способностью к мобилизации, к производству невероятного за очень короткие сроки. Поэтому, конечно, даже советские стройки уже были примером высочайших темпов освоения новых технологий и нового знания — и атомный, и космический проект, и менее «громкие» вещи, которые тоже всегда были на мировом уровне. С другой стороны, нынешние технологии в самом деле при желании позволяют производственнику буквально «прыгать через ступеньки», создавая в ещё более сжатые сроки совершенно новые изделия, часто основанные на новых, уникальных подходах. Нынешнее время — настоящая эпоха возможностей для думающих, активных людей. Настоящее «время мечты».

«ЗАВТРА». Касательно вашей мечты хотел задать вопрос. Мы начали наш разговор с «дома будущего». Я тоже истовый фанат будущего, поскольку прекрасно понимаю, что без движения вперёд любое общество медленно сползает назад. Ваше мнение: что общество получит от сегодняшних инноваций, таких, как ваша микротурбина или концепция автономного дома?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Если говорить о мечте или о нашей философии, то я считаю, что любой проект должен исходить из чётких философских оснований, из ясного видения будущего мира, в котором твой проект является важным, критическим элементом. Иначе будешь всю жизнь думать об «инновационной расчёске для волос». Я условно говорю, подчёркивая, что сегодня часто люди пытаются сделать бесполезные вещи, не обижая ни в коем случае разработчиков новых вариантов расчёсок. Просто мне это не интересно, новые расчёски наш мир не изменят. Например, если уж мы строим автономный энергоизбыточный дом, надо себе сказать, что он ничем не привязан к земле, кроме фундамента.

«ЗАВТРА». То есть захотели в Карелию — полетели в Карелию. Захотели на южный берег Крыма — полетели на южный берег Крыма?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Да, ровно об этом речь: дом должен в некоем идеальном образе будущего стать и вашим транспортным средством. Ничего нереального в этом нет. Но это, конечно, уже совсем другая история, которую не стоит сразу привязывать к нашей скромной микротурбине. Она может стать не более чем маленьким шажком к такому образу будущего.

«ЗАВТРА». Сергей, большое спасибо за беседу. Я надеюсь, может быть, через два года, может, уже через год увидеть энергетическую установку с вашим «сердцем» — крошечным турбореактивным двигателем, микротурбиной. Пусть даже под грифом «секретно», в виде сообщения, что где-то в России начаты испытания нового БПЛА для нужд Минобороны, с «инновационным турбореактивным двигателем». И, конечно, желаю, чтобы вы не потеряли энтузиазма на длинном пути к вашей мечте.

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Энтузиазма точно не потеряем. Надеюсь, его хватит надолго. Как всегда говорят, были бы деньги — было бы и счастье. Но, тем не менее — и находим, и делаем, и сделаем.

Материал подготовил Алексей АНПИЛОГОВ

ru-good.ru

Газотурбинный двигатель Д049Р: как Россия довела до ума украинские моторы

В октябре 2000-го года специалисты ОАО «Рыбинские моторы» (ныне — НПО «Сатурн») провели успешные квалификационные (согласно ГОСТ 15.001) и приемочные испытания нового привода. Через два года была готова первая партия газотурбинных установок ГТЭС-2,5, предназначенных для производства и обеспечения тепло- и электроэнергией промышленных и бытовых потребителей. Сердцем мощнейшего агрегата стал новый газотурбинный двигатель Д049Р мощностью 2,5 МВт.

Ярославские конструкторы смогли создать высокопроизводительный агрегат по одновальной схеме, наиболее полно удовлетворяющей требованиям к качеству вырабатываемой энергии. Д049Р оснащен встроенным соосным редуктором, а общая компоновка мотора обеспечивает, при необходимости, в эксплуатации блочную замену ГТД или редуктора, а также отдельных узлов и элементов. Двигатель Д049Р спроектирован изначально по стойкости к сернистой коррозии и морскому климату. Это обеспечивается применением лопаток из сплава с повышенным содержанием хрома и использованием антикоррозионных покрытий.

Главное преимущество разработанной установки заключалось в ее универсальности и эффективности. Д049Р может работать на различных видах топлива, включая тяжелые виды топлива (дизельное, биотопливо, нефтяное, пиролизный газ и т. д.). Кроме того, мотор демонстрировал высокий коэффициент полезного действия при эффективном использовании топлива — до 80% (что, собственно, и определяло низкую себестоимость производимой энергии, низкие издержки на техобслуживание и повышенную надежность работы).

Материал подготовил Сергей Перелесовhttp://finobzor.ru

comments powered by HyperComments

www.nasha-strana.info

Газотурбинный двигатель — ВиКи

Одну из простейших конструкций газотурбинного двигателя, для понятия его работы, можно представить как вал, на котором находится два диска с лопатками, первый диск — компрессора, второй — турбины, в промежутке между ними установлена камера сгорания.

Простейшая схема газотурбинного двигателя Схема турбореактивного двигателя

Принцип работы газотурбинного двигателя:

всасывание и сжатие воздуха в лопаточном компрессоре, подача его в камеру сгорания;
смешение сжатого воздуха с топливом для образования топливо-воздушной смеси (ТВС) и сгорание этой смеси;
расширение газов из-за её нагрева при сгорании топливо-воздушной смеси, что формирует вектор давления газа, направленный в сторону меньшего сопротивления (в направлении лопаток турбины), передача энергии (давления) газа лопатками турбины на диск или вал, в котором эти лопатки закреплены;
привод во вращение диска турбины и, вследствие этого, передача крутящего момента по валу с диска турбины на диск компрессора.[1]

Увеличение количества подаваемого топлива (добавление «газа») вызывает генерирование большего количества газов высокого давления, что, в свою очередь, ведёт к увеличению числа оборотов турбины и диска(ов) компрессора и, вследствие этого, увеличению количества нагнетаемого воздуха и его давления, что позволяет подать в камеру сгорания и сжечь больше топлива. Количество топливо-воздушной смеси зависит напрямую от количества воздуха, поданного в камеру сгорания. Увеличение количества ТВС (топливо-воздушной смеси) приведёт к увеличению давления в камере сгорания и температуры газов на выходе из камеры сгорания и, вследствие этого, позволяет создать бо́льшую энергию выбрасываемых газов, направленную для вращения турбины и повышения реактивной силы.

Как и во всех циклических тепловых двигателях, чем выше температура сгорания, тем выше топливный коэффициент полезного действия (если точнее, чем выше разница между «нагревателем» и «охладителем»). Сдерживающим фактором является способность стали, никеля, керамики или других материалов, из которых состоит двигатель, выдерживать температуру и давление. Значительная часть инженерных разработок направлена на то, чтобы отводить тепло от частей турбины. Большинство турбин также пытается рекуперировать тепло выхлопных газов, которое, в противном случае, теряется впустую. Рекуператоры — это теплообменники, которые передают тепло выхлопных газов сжатому воздуху перед сгоранием. При комбинированном цикле тепло передается системам паровых турбин. И при комбинированном производстве тепла и электроэнергии (когенерация) отработанное тепло используется для производства горячей воды.

Чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала(ов), необходимая для поддержания максимальной линейной скорости лопаток, так как длина окружности (путь, проходимый лопатками за один оборот), прямо зависит от радиуса ротора. Максимальная скорость турбинных лопаток определяет максимальное давление, которое может быть достигнуто, что приводит к получению максимальной мощности, независимо от размера двигателя. Реактивный двигатель вращается с частотой около 10000 об/мин и микротурбина — с частотой около 100000 об/мин.[2][3]

Для дальнейшего развития авиационных и газотурбинных двигателей рационально применять новые разработки в области высокопрочных и жаропрочных материалов для возможности повышения температуры и давления. Применения новых типов камер сгорания, систем охлаждения, уменьшения числа и массы деталей и двигателя в целом возможно в прогрессе применение альтернативных видов топлива, изменение самого представления конструкции двигателя.

Газотурбинная установка (ГТУ) с замкнутым циклом

В ГТУ с замкнутым циклом рабочий газ циркулирует без контакта с окружающей средой. Нагрев (перед турбиной) и охлаждение (перед компрессором) газа производится в теплообменниках. Такая система позволяет использовать любой источник тепла (например, газоохлаждаемый ядерный реактор). Если в качестве источника тепла используется сгорание топлива, то такое устройство называют двигателем внешнего сгорания. На практике ГТУ с замкнутым циклом используются редко.

Газотурбинная установка (ГТУ) с внешним сгоранием

Большинство ГТУ представляют собой двигатели внутреннего сгорания, но также возможно построить ГТУ внешнего сгорания, которая, фактически, является газотурбинной версией теплового двигателя.[источник не указан 2549 дней]

При внешнем сгорании в качестве топлива используется пылевидный уголь или мелкоистолчённая биомасса (например, опилки). Внешнее сжигание газа используется как непосредственно, так и косвенно. В прямой системе сквозь турбину проходят продукты сгорания. В косвенной системе используется теплообменник, и через турбину проходит чистый воздух. Тепловой КПД ниже в системе внешнего сгорания косвенного типа, однако лопасти не подвергаются воздействию продуктов сгорания.

Одновальные и многовальные газотурбинные двигатели

Простейший газотурбинный двигатель имеет только один вал, куда устанавливается турбина, которая приводит во вращение компрессор и одновременно является источником полезной мощности. Это накладывает ограничение на режимы работы двигателя.

Иногда двигатель выполняется многовальным. В этом случае имеется несколько последовательно стоящих турбин, каждая из которых приводит свой вал. Турбина высокого давления (первая после камеры сгорания) всегда приводит в движение компрессор двигателя, а последующие могут приводить как внешнюю нагрузку (винты вертолёта[4] или корабля, мощные электрогенераторы и так далее), так и дополнительные каскады компрессора самого двигателя, расположенные перед основным. Разбиение компрессора на каскады (каскад низкого давления, каскад высокого давления — КНД и КВД соответственно[5], иногда между ними помещается каскад среднего давления, КСД, как, например, в двигателе НК-32 самолёта Ту-160) позволяет избежать помпажа на частичных режимах.

Также преимущество многовального двигателя в том, что каждая турбина работает при оптимальной скорости вращения и нагрузке. При нагрузке, приводимой от вала одновального двигателя, была бы очень плохая приёмистость двигателя, то есть способность к быстрой раскрутке, так как турбине требуется поставлять мощность и для обеспечения двигателя большим количеством воздуха (мощность ограничивается количеством воздуха), и для разгона нагрузки. При двухвальной схеме лёгкий ротор высокого давления быстро выходит на режим, обеспечивая двигатель воздухом, а турбину низкого давления - большим количеством газов для разгона. Также есть возможность использовать менее мощный стартёр для разгона при пуске только ротора высокого давления.

Система запуска

Для запуска ГТД нужно раскрутить его ротор до определённых оборотов, чтобы компрессор начал подавать достаточное количество воздуха (в отличие от объёмных компрессоров, подача инерционных (динамических) компрессоров квадратично зависит от частоты вращения и поэтому на малых оборотах практически отсутствует), и поджечь подаваемое в камеру сгорания топливо. Со второй задачей справляются свечи зажигания, зачастую установленные на специальных пусковых форсунках, а раскрутка выполняется стартером той или иной конструкции:

электростартер, зачастую являющийся стартёр-генератором, то есть после запуска переключающимся в режим генератора постоянного тока 27 вольт. Таковы, например, ГС-24 вспомогательного двигателя ТА-6Б или СТГ-18 турбовинтового двигателя АИ-24 самолёта Ан-24;
воздушный турбостартер (ВТС) — небольшая воздушная турбина, получающая воздух от системы отбора (от ВСУ или соседнего работающего двигателя) или наземной установки воздушного запуска (УВЗ). Такие стартёры стоят на двигателях Д-30КП самолёта Ил-76, ТВ3-117 вертолётов Ми-8 и Ми-24 и многих других;
турбостартер (ТС) — небольшой турбовальный двигатель, рассчитанный только на раскрутку ротора основного двигателя, на котором он и установлен. Такие стартёры стоят, например, на двигателе АИ-25ТЛ учебно-тренировочного самолёта L-39 и НК-12МВ дальнего бомбардировщика Ту-95. Сам ТС имеет электрозапуск.[6]

Турбореактивный двигатель

Схема турбореактивного двигателя: 1 — входное устройство; 2 — осевой компрессор; 3 — камера сгорания; 4 — рабочие лопатки турбины; 5 — сопло

В полёте поток воздуха тормозится во входном устройстве перед компрессором, в результате чего его температура и давление повышается. На земле во входном устройстве воздух ускоряется, его температура и давление снижаются.

Проходя через компрессор, воздух сжимается, его давление повышается в 10—45 раз, возрастает его температура. Компрессоры газотурбинных двигателей делятся на осевые и центробежные. В наши дни в двигателях наиболее распространены многоступенчатые осевые компрессоры. Центробежные компрессоры, как правило, применяются в малогабаритных силовых установках.

Далее сжатый воздух попадает в камеру сгорания, в так называемые жаровые трубы, либо в кольцевую камеру сгорания, которая не состоит из отдельных труб, а является цельным кольцевым элементом. В наши дни кольцевые камеры сгорания являются наиболее распространёнными. Трубчатые камеры сгорания используются гораздо реже, в основном на военных самолётах. Воздух на входе в камеру сгорания разделяется на первичный, вторичный и третичный. Первичный воздух поступает в камеру сгорания через специальное окно в передней части, по центру которого расположен фланец крепления форсунки, и участвует непосредственно в окислении (сгорании) топлива (формировании топливо-воздушной смеси). Вторичный воздух поступает в камеру сгорания сквозь отверстия в стенках жаровой трубы, охлаждая, придавая форму факелу и не участвуя в горении. Третичный воздух подаётся в камеру сгорания уже на выходе из неё, для выравнивания поля температур. При работе двигателя в передней части жаровой трубы всегда вращается вихрь раскалённого газа (что обусловлено специальной формой передней части жаровой трубы), постоянно поджигающего формируемую топливовоздушную смесь, происходит сгорание топлива (керосина, газа), поступающего через форсунки в парообразном состоянии.

Газовоздушная смесь расширяется и часть её энергии преобразуется в турбине через рабочие лопатки в механическую энергию вращения основного вала. Эта энергия расходуется, в первую очередь, на работу компрессора, а также используется для привода агрегатов двигателя (топливных подкачивающих насосов, масляных насосов и т. п.) и привода электрогенераторов, обеспечивающих энергией различные бортовые системы.

Основная часть энергии расширяющейся газовоздушной смеси идёт на ускорение газового потока в сопле и создание реактивной тяги.

Чем выше температура сгорания, тем выше КПД двигателя. Для предупреждения разрушения деталей двигателя для их изготовления используют жаропрочные сплавы и термобарьерные покрытия. А также применяется система охлаждения воздухом, отбираемым от средних ступеней компрессора.

Турбореактивный двигатель с форсажной камерой

Турбореактивный двигатель с форсажной камерой (ТРДФ) — модификация ТРД, применяемая в основном на сверхзвуковых самолётах. Между турбиной и соплом устанавливается дополнительная форсажная камера, в которой сжигается дополнительное горючее. В результате происходит увеличение тяги (форсаж) до 50 %, но расход топлива резко возрастает. Двигатели с форсажной камерой, как правило, не используются в коммерческой авиации по причине их низкой экономичности.

Основные параметры турбореактивных двигателей различных поколений Поколение/ период Температура газа перед турбиной, °C Степень сжатия газа, πк* Характерные представители Где установлены

1 поколение1943-1949 гг.	730-780	3-6	BMW 003, Jumo 004	Me 262, Ar 234, He-162
2 поколение1950-1960 гг.	880-980	7-13	J 79, Р11-300	F-104, F4, МиГ-21
3 поколение1960-1970 гг.	1030-1180	16-20	TF 30, J 58, АЛ-21Ф-3	F-111, SR 71,МиГ-23Б, Су-24
4 поколение1970-1980 гг.	1200-1400	21-25	F 100, F 110, F404,РД-33, АЛ-31Ф	F-15, F-16, МиГ-29, Су-27
5 поколение2000-2020 гг.	1500-1650	25-30	F119-PW-100, EJ200, F414, АЛ-41Ф1	F-22, F-35, ПАК ФА,Су-35С

Начиная с 4-го поколения рабочие лопатки турбины выполняются из монокристаллических сплавов, охлаждаемые.

Двухконтурный турбореактивный двигатель

Схема турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) со смешением потоков: 1 — компрессор низкого давления; 2 — внутренний контур; 3 — выходной поток внутреннего контура; 4 — выходной поток внешнего контура.

В турбореактивном двухконтурном двигателе (ТРДД) воздушный поток попадает в компрессор низкого давления, после чего часть потока проходит по обычной схеме через турбокомпрессор, а остальная часть (холодная) проходит через внешний контур и выбрасывается без сгорания, создавая дополнительную тягу. В результате снижается температура выходного газа, снижается расход топлива и уменьшается шум двигателя. Отношение количества воздуха, прошедшего через внешний контур, к количеству прошедшего через внутренний контур воздуха называется степенью двухконтурности (m). При степени двухконтурности <4 потоки контуров на выходе, как правило, смешиваются и выбрасываются через общее сопло, если m>4 — потоки выбрасываются раздельно, так как из-за значительной разности давлений и скоростей смешение затруднительно. Применение второго контура в двигателях для военной авиации позволяет охлаждать горячие части двигателя, это позволяет увеличивать температуру газов перед турбиной, что способствует дополнительному повышению тяги.

Двигатели с малой степенью двухконтурности (m<2) применяются для сверхзвуковых самолётов, двигатели с m>2 для дозвуковых пассажирских и транспортных самолётов.

Турбовентиляторный двигатель

Схема турбореактивного двухконтурного двигателя без смешения потоков (Турбовентиляторного двигателя): 1 — вентилятор; 2 — защитный обтекатель; 3 — турбокомпрессор; 4 — выходной поток внутреннего контура; 5 — выходной поток внешнего контура.

Турбовентиляторный реактивный двигатель (ТВРД) — это ТРДД со степенью двухконтурности m=2—10. Здесь компрессор низкого давления преобразуется в вентилятор, отличающийся от компрессора меньшим числом ступеней и большим диаметром, и горячая струя практически не смешивается с холодной. Применяется в гражданской авиации, двигатель имеет большой назначенный ресурс и малый удельный расход топлива на дозвуковых скоростях.

Турбовинтовентиляторный двигатель

Дальнейшим развитием ТВРД с увеличением степени двухконтурности m=20—90 является турбовинтовентиляторный двигатель (ТВВД). В отличие от турбовинтового двигателя, лопасти двигателя ТВВД имеют саблевидную форму, что позволяет перенаправить часть воздушного потока в компрессор и повысить давление на входе компрессора. Такой двигатель получил название винтовентилятор и может быть как открытым, так и закапотированным кольцевым обтекателем. Второе отличие — винтовентилятор приводится от турбины не напрямую, а, как винт, через редуктор. Двигатель наиболее экономичен, но при этом крейсерская скорость полёта ЛА, с такими типами двигателей, обычно не превышает 550 км/ч, имеются более сильные вибрации и "шумовое загрязнение".

Пример ТВВД — Д-27 грузового самолёта Ан-70.

Турбовинтовой двигатель

Схема турбовинтового двигателя: 1 — воздушный винт; 2 — редуктор; 3 — турбокомпрессор

В турбовинтовом двигателе (ТВД) основное тяговое усилие обеспечивает воздушный винт, соединённый через редуктор с валом турбокомпрессора.[7] Для этого используется турбина с увеличенным числом ступеней, так что расширение газа в турбине происходит почти полностью и только 10—15 % тяги обеспечивается за счёт газовой струи.

Турбовинтовые двигатели гораздо более экономичны на малых скоростях полёта и широко используются для самолётов, имеющих большую грузоподъёмность и дальность полёта — например, Ан-12, Ан-22, C-130. Крейсерская скорость самолётов, оснащённых ТВД, 500—700 км/ч.

Вспомогательная силовая установка (ВСУ)

ВСУ — небольшой газотурбинный двигатель, являющийся автономным источником энергии на борту. Простейшие ВСУ могут выдавать только сжатый воздух, отбираемый от компрессора турбины, который используется для запуска маршевых (основных) двигателей, либо для работы системы кондиционирования на земле (пример, ВСУ типа АИ-9, применяемая на вертолётах и самолёте Як-40). Более сложные ВСУ, помимо источника сжатого воздуха, выдают электрический ток в бортовую сеть, то есть являются полноценным автономным энергоузлом, обеспечивающем нормальное функционирование всех бортовых систем самолёта без запуска основных двигателей, а также при отсутствии наземных аэродромных источников энергии. Такова, например, ВСУ ТА-12 самолётов Ан-124[8], Ту-95МС, Ту-204, Ан-74 и других.

Турбовальный двигатель

Такой двигатель чаще всего имеет свободную турбину. Вся турбина поделена на две части, между собой механически несвязанные. Связь между ними только газодинамическая. Газовый поток, вращая первую турбину, отдает часть своей мощности для вращения компрессора и далее, вращая вторую, тем самым через вал этой (второй) турбины приводит в действие полезные агрегаты. Реактивное сопло на турбовальном двигателе отсутствует. Выходное устройство для отработанных газов соплом не является и тяги не создаёт.

Выходной вал ТВаД, с которого снимается вся полезная мощность, может быть направлен как назад, через канал выходного устройства, так и вперед, либо через полый вал турбокомпрессора, либо через редуктор вне корпуса двигателя.

Редуктор — непременная принадлежность турбовального двигателя. Скорость вращения как ротора турбокомпрессора, так и ротора свободной турбины велика настолько, что это вращение не может быть напрямую передано на приводимые агрегаты. Они просто не смогут выполнять свои функции и даже могут разрушиться. Поэтому между свободной турбиной и полезным агрегатом обязательно ставится редуктор для снижения частоты вращения приводного вала.

Компрессор у ТВаД может быть осевым (если двигатель мощный) либо центробежным. Часто компрессор бывает и смешанным по конструкции, в нём есть как осевые, так и центробежные ступени. В остальном принцип работы этого двигателя такой же, как и у ТРД.

Основное применение турбовальный двигатель находит в авиации, по большей части, на вертолётах. Полезная нагрузка в этом случае — несущий винт вертолёта. Известным примером могут служить широко распространённые вертолёты Ми-8 и Ми-24 с двигателями ТВ2-117 и ТВ3-117.

Турбостартёр

ТС — агрегат, устанавливаемый на газотурбинном двигателе и предназначенный для его раскрутки при запуске.

Такие устройства представляют собой миниатюрный, простой по конструкции турбовальный двигатель, свободная турбина которого раскручивает ротор основного двигателя при его запуске. В качестве примера: турбостартёр ТС-21, используемый на двигателе АЛ-21Ф-3, который устанавливается на самолёты типа Су-24[9], или ТС-12, устанавливаемый на авиационные двигатели НК-12 самолётов Ту-95 и Ту-142. ТС-12 имеет одноступенчатый центробежный компрессор, двухступенчатую осевую турбину привода компрессора и двухступенчатую свободную турбину. Номинальные обороты ротора компрессора в начале запуска двигателя — 27 тысяч мин–1, по мере раскрутки ротора НК-12 за счёт роста оборотов свободной турбины ТС-12 противодавление за турбиной компрессора падает и обороты возрастают до 30 тысяч мин–1.

Турбостартёр ГТДЭ-117 двигателя АЛ-31Ф также выполнен со свободной турбиной, а стартёр С-300М двигателя АМ-3, стоявшего на самолётах Ту-16, Ту-104 и М-4 — одновальный и раскручивает ротор двигателя через гидромуфту.[10]

Судовые установки

Используются в судовой промышленности для снижения веса. General Electric LM2500 и LM6000 — характерные модели этого типа машин.

Суда, использующие турбовальные газотурбинные двигатели называют газотурбоходами. Они являются разновидностью теплохода. Это чаще всего суда на подводных крыльях, у которых гребной винт приводит в движение турбовальный двигатель механически через редуктор или электрически через генератор, который он вращает. Либо это суда на воздушной подушке, которая создаётся при помощи ГТД.

Например, газотурбоход «Циклон-М» с 2 газотурбинными двигателями ДО37. Пассажирских газотурбоходов за российскую историю было всего два. Последнее очень перспективное судно «Циклон-М» появилось в 1986 году. Более таких судов не строили. В военной сфере в этом плане дела обстоят несколько лучше. Примером является десантный корабль «Зубр», самое большое в мире судно на воздушной подушке.

Железнодорожные установки

Локомотивы, на которых стоят турбовальные газотурбинные двигатели, называются газотурбовозами (разновидность тепловоза). На них используется электрическая передача. ГТД вращает электрогенератор, а вырабатываемый им ток, в свою очередь, питает электродвигатели, приводящие локомотив в движение. В 1960-е годы в СССР проходили довольно успешную опытную эксплуатацию три газотурбовоза. Два пассажирских и один грузовой. Однако они не выдержали соревнования с электровозами и в начале 1970-х годов проект был свёрнут. Но в 2007 году по инициативе ОАО «РЖД» был изготовлен опытный образец грузового газотурбовоза, работающий на сжиженном природном газе. ГТ1 успешно прошёл испытания, позднее был построен второй газотурбовоз, с той же силовой установкой, но на другой ходовой части, машины эксплуатируются.

Перекачка природного газа

Газотурбинный двигатель НК-12СТ, используется на магистральных газопроводах ООО «Газпром трансгаз Москва» с 1981 года. По состоянию на 2018 год, в ООО «Газпром Трансгаз Москва» эксплуатируется тридцать таких двигателей.

Принцип работы газоперекачивающей установки практически не отличается от турбовинтовых двигателей, ТВаД используются здесь в качестве привода мощных насосов, а в качестве топлива используется тот же самый газ, который они перекачивают. В отечественной промышленности для этих целей широко применяются двигатели, созданные на базе авиационных — НК-12 (НК-12СТ)[11], НК-32 (НК-36СТ), так как на них можно использовать детали авиадвигателей, выработавшие свой лётный ресурс.

Электростанции

Турбовальный газотурбинный двигатель может использоваться для привода электрогенератора на электростанциях, основу которой составляют один или несколько таких двигателей. Такая электростанция может иметь электрическую мощность от двадцати киловатт до сотен мегаватт.

Однако, газотурбинный двигатель, помимо вращения, также производит большое количество тепла, которое также может быть использовано для производства электроэнергии или теплоснабжения, поэтому наиболее эффективно его применение совместно с котлом-утилизатором. Полученный в котле-утилизаторе пар подаётся подаётся в паротурбинную установку, в таком случае вся установка в целом называется парогазовой, либо подаётся в сетевой подогреватель для использования в теплофикации, в таком случае установка называется газотурбинной ТЭЦ.

Парогазовая установка является одним из самых распространённых и эффективных источников электроэнергии, её КПД выше, чем у отдельных паросиловых и газотурбинных установок.

Танкостроение

Первые исследования в области применения газовой турбины в танковых двигателях проводились в Германии Управлением вооружённых сухопутных сил начиная с середины 1944 года. Первым массовым танком с газотурбинным двигателем стал С-танк.

Установка блочного силового агрегата (двигатель - трансмиссия) в танк M1A1

Турбовальные двигатели (ТВаД) установлены на советском танке Т-80 (двигатель ГТД-1000Т) и американском М1 Абрамс. Газотурбинные двигатели, устанавливаемые на танках, имеют при схожих с дизельными размерах гораздо бо́льшую мощность, меньший вес и меньшую шумность, меньшую дымность выхлопа. Также ТВаД лучше удовлетворяет требованиям многотопливности, гораздо легче запускается, — оперативная готовность танка с ГТД, то есть запуск двигателя и последующий вход в рабочий режим всех его систем, занимает несколько минут, что для танка с дизельным двигателем в принципе невозможно, а в зимних условиях при низких температурах дизелю требуется достаточно длительный предпусковой прогрев, который не требуется ТВаД. Из-за отсутствия жёсткой механической связи турбины и трансмиссии на застрявшем или просто упёршемся в препятствие танке двигатель не глохнет. В случае попадания воды в двигатель (утоплении танка) достаточно выполнить так называемую холодную прокрутку ГТД для удаления воды из газовоздушного тракта и после этого двигатель можно запускать — на танке с дизельным двигателем в аналогичной ситуации происходит гидроудар, ломающий детали цилиндро-поршневой группы и непременно требующий замены двигателя.

Однако из-за низкого КПД газотурбинных двигателей, установленных на тихоходных (в отличие от самолётов) транспортных средствах, требуется гораздо большее количество возимого топлива для сравнимого с дизельным двигателем километрового запаса хода. Именно из-за расхода топлива, невзирая на все достоинства, танки типа Т-80 поэтапно выводятся из эксплуатации. Неоднозначным оказался опыт эксплуатации танковых ТВаД М1 Абрамс в условиях высокой запылённости (например в песчаных пустынях). В отличие от него, Т-80 благополучно может эксплуатироваться в условиях высокой запылённости, — конструктивно хорошо продуманная система очистки поступающего в двигатель воздуха на Т-80 надёжно защищает ГТД от песка и пыли. «Абрамсы», напротив, «задохнулись» — во время двух кампаний против Ирака при прохождении пустынь довольно много «Абрамсов» встали, так как их двигатели забились песком[источник не указан 252 дня].

Автостроение

STP Oil Treatment Special на выставке в зале славы музея трассы Indianapolis Motor Speedway показана вместе с газотурбинным двигателем Pratt & Whitney. A 1968 Howmet TX — единственный в истории газотурбинный двигатель, принёсший победу в автомобильной гонке.

Множество экспериментов проводилось с автомобилями, оснащёнными газовыми турбинами.

В 1950 году дизайнер Ф. Р. Белл и главный инженер Морис Вилкс в британской компании Rover Company анонсировали первый автомобиль с приводом от газотурбинного двигателя. Двухместный JET1 имел двигатель, расположенный позади сидений, решётки воздухозаборника по обеим сторонам машины, и выхлопные отверстия на верхней части хвоста. В ходе испытаний автомобиль достиг максимальной скорости 140 км/ч, на скорости турбины 50000 об/мин. Автомобиль работал на бензине, парафиновом или дизельном маслах, но проблемы с потреблением топлива оказались непреодолимыми для производства автомобилей. В настоящее время он выставлен в лондонском Музее науки.

Команды Rover и British Racing Motors (Формула-1) объединили усилия для создания Rover-BRM, автомобиля с приводом от газовых турбин, который принял участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1963 года, управляемого Грэмом Хиллом и Гитнером Ричи. Этот автомобиль показал среднюю скорость 173 км/ч, максимальную — 229 км/ч.

Американские компании Ray Heppenstall, Howmet Corporation и McKee Engineering объединились для совместной разработки собственных газотурбинных спортивных автомобилей в 1968 году, Howmet TX приняла участие в нескольких американских и европейских гонках, в том числе завоевав две победы, а также принимала участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1968 года. Автомобили использовали газовые турбины Continental Motors Company, благодаря которым, в конечном итоге, ФИА было установлено шесть посадочных скоростей для машин с приводом от турбин.

На гонках автомобилей с открытыми колёсами, революционное полноприводное авто 1967 года STP Oil Treatment Special с приводом от турбины, специально подобранной легендой гонок Эндрю Гранателли и управляемое Парнелли Джонсом, почти выиграло в гонке «Инди-500»; авто с турбиной STP компании Pratt & Whitney обгоняло почти на круг авто, шедшее вторым, когда у него неожиданно отказала коробка передач за три круга до финишной черты. В 1971 году глава компании Lotus Колин Чепмен представил авто Lotus 56B F1, с приводом от газовой турбины Pratt & Whitney. У Чепмена была репутация создателя машин-победителей, но он вынужден был отказаться от этого проекта из-за многочисленных проблем с инерционностью турбин (турболагом).

Оригинальная серия концептуальных авто General Motors Firebird была разработана для автовыставки Моторама 1953, 1956, 1959 годов, с приводом от газовых турбин.

Единственная серийная модель «семейного» газотурбинного автомобиля для использования на дорогах общего пользования была выпущена Chrysler в 1963-1964 года. Компания передала пятьдесят собранных вручную машин в кузовах итальянского ателье Ghia добровольцам, которые испытывали новинку в обычных дорожных условиях до января 1966 года. Эксперимент прошёл удачно, но компания, не располагавшая средствами для постройки нового моторного производства, отказалась от массового выпуска автомобиля с ГТД. После ужесточения экологических стандартов и взрывного роста цен на нефть компания, с трудом пережившая финансовый кризис, отказалась от продолжения разработок[12].[13]

xn--b1aeclack5b4j.xn--j1aef.xn--p1ai

газотурбинный двигатель - патент РФ 2374467

Газотурбинный двигатель содержит входное устройство, компрессор, камеру сгорания, турбину и сопло. Газотурбинный двигатель также содержит независимо вращающиеся в противоположные стороны диски компрессора и турбины, имеющие на ступицах венцы зубчатых колес с внутренним зацеплением, параллельно расположенные валы с шестернями, расположенными между компрессором и турбиной. Изобретение направлено на создание двигателя с высокими удельными характеристиками и, прежде всего, с низким удельным весом. 3 ил.

Рисунки к патенту РФ 2374467

Предлагаемая заявка на изобретение относится к машиностроению и может быть использована как авиационный газотурбинный двигатель и как газотурбинная наземная установка.

Известен безредукторный ТВВД, в котором два соосных винтовентилятора противоположного вращения приводятся непосредственно тихоходной биротативной свободной турбиной, состоящей из двух барабанов с лопаточными венцами, вращающимися в противоположные стороны, причем каждый венец, вращающийся в одну сторону, является сопловым аппаратом для последующего венца, вращающегося в противоположном направлении (см. Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей. С.М.Шляхтенко - Москва: Машиностроение, 1987 г., стр.353, Рис.11.2).

К достоинству двигателя следует отнести наличие биротативной турбины, которая позволяет уменьшить размеры турбины по длине из-за отсутствия сопловых аппаратов, снизить вдвое частоту вращения валов, что позволяет избавиться от редуктора. К недостаткам этого двигателя следует отнести ту же биротативную турбину. Барабан, на котором закреплены сопловые аппараты, воспринимает нагрузки от крутящего момента и центробежных сил, что приводит к значительному увеличению диаметра барабана, веса турбины и поэтому такие двигатели не используют. Биротативную турбину невозможно применить для вращения осевого компрессора, так как обороты у биротативной турбины вдвое ниже необходимых для вращения классического осевого компрессора.

Наиболее близким к предлагаемому двигателю является трехвальный ТРДД (см. Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей. С.М.Шляхтенко - Москва: Машиностроение, 1987 г., стр.516, Рис.18.1 (в)), основными узлами которого являются:

1. Входное устройство.

2. Двухкаскадный компрессор.

3. Вентилятор.

4. Камера сгорания.

5. Двухкаскадная турбина.

6. Свободная турбина вентилятора.

7. Выхлопное (реактивное) сопло.

Наряду с очевидными достоинствами этой схемы двигателя: легкий запуск, экономичный газогенератор имеется «благоприятное изменение скольжения роторов, которое происходит автоматически» (см. Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей. С.М.Шляхтенко - Москва: Машиностроение, 1987 г., стр.116, 12 15 строки снизу), двигатель имеет и недостатки.

Недостатком этого двигателя является наличие третьего вала, проходящего сквозь весь двигатель, что значительно усложняет его конструкцию: увеличивает размеры ступиц дисков компрессора и турбины, усложняет конструкцию опор. Наружный диаметр вала при этом ограничен конструктивно, что приводит к высоким оборотам для передачи необходимой мощности, при сохранении допустимых напряжений у вала. Длинные валы нежесткие, поэтому их практически невозможно точно отбалансировать. Поэтому очень трудно избавиться от вибраций и дефекта (касания валов) при эволюциях самолета (удар при приземлении, например). К недостаткам данной схемы двигателя следует отнести большую длину и большой вес двигателя.

Задачей предлагаемого изобретения является возможность создания двигателя с высокими удельными характеристиками, прежде всего с низким удельным весом двигателя.

Задача достигается тем, что двигатель содержит независимо вращающиеся в противоположные стороны диски компрессора и турбины, имеющие на ступицах венцы зубчатых колес с внутренним зацеплением и параллельно расположенные валы с шестернями,

На Фиг.1, Фиг.2, Фиг.3 схематично изображен газотурбинный двигатель: первое фронтальное сечение, поперечное сечение, второе фронтальное сечение, развернутое относительно первого на 90 градусов. Двигатель содержит входное устройство 1, компрессор 2 с вращающимися в противоположные стороны дисками 6, камеру сгорания 3, турбину 4 с вращающимися в противоположные стороны дисками 7, валами 8, с шестернями 9, 10, стяжными шпильками 11, 12, 13 и соплом 5.

При работе двигателя воздух поступает во входное устройство, затем поступает в компрессор 2, где с помощью дисков 6, состоящих из диска с лопатками, сжимается воздух, который затем поступает в камеру сгорания 3, где превращается в газ с высокой температурой. Из камеры сгорания 3 газ поступает в турбину 4 и в сопло 5, где газ разгоняется и создает реактивную тягу. Турбина 4 с помощью дисков 7, состоящих из дисков с лопатками, вращающихся в противоположные стороны, передает крутящие моменты с помощью венцов зубчатых колес, расположенных на ступицах дисков, шестерням 9, валам 8 и шестерням 10. Шестерни 10 вращают в противоположные стороны с оптимальной частотой диски компрессора 6. Крутящий момент от шестерен 10 передается дискам 6 через венцы зубчатых колес, расположенных на ступицах дисков. Оптимальная частота вращения достигается за счет изменения передаточного отношения зубчатых колес.

Достоинства предложенной схемы газотурбинного двигателя.

В связи с тем, что турбина двигателя фактически работает как биротативная турбина, обороты дисков турбины в два раза ниже аналогичной по мощности турбины с сопловыми аппаратами (см. Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей. С.М.Шляхтенко - Москва: Машиностроение, 1987 г., стр.353, 13 строка снизу).

Снижение оборотов дисков турбины в два раза приводит к снижению центробежных сил в четыре раза.

где Pц - центробежная сила, m - масса, v - окружная скорость, R - радиус вращения центра тяжести массы.

Снижение центробежных сил в четыре раза позволяет, как минимум вдвое, снизить ширину диска, что в свою очередь снизит вес турбины вдвое. Отсутствие сопловых аппаратов тоже позволит снизить вес турбины и уменьшить вдвое длину. Аналогично и диски компрессора вращаются с частотой, вдвое меньшей, чем у прототипа (так как диски вращаются в противоположные стороны), что позволяет также снизить вес дисков как минимум вдвое. В связи с тем, что диски компрессора вращаются в противоположные стороны, отпадает необходимость применения направляющих аппаратов, что позволит еще снизить вес компрессора. Отсутствие направляющих аппаратов уменьшает длину компрессора вдвое. Так как длина компрессора и турбины уменьшились в два раза, то длина всего двигателя уменьшилась примерно на треть. Аналогично вес двигателя также уменьшился как минимум на треть. Частота вращения валов, передающих крутящий момент, наоборот увеличилась, так как количество зубьев у венцов зубчатых колес ступицы турбины значительно больше количества зубьев шестерен валов. Увеличение частоты вращения валов позволяет передавать мощность с меньшим моментом, что позволяет уменьшить диаметр валов, что важно, так как валы проходят параллельно друг другу, что требует увеличения отверстия ступицы дисков компрессора и турбины.

, где М - крутящий момент (кгс×м), N - мощность в (л.с.), n - число оборотов (об/мин) (см. Справочник авиационного техника. Шевелько П.С. - Москва: Военное издательство Министерства обороны СССР, 1974, Стр.87, (2.71)).

В связи с тем, что длина двигателя уменьшилась, уменьшилась и длина валов, передающих крутящие моменты от турбины компрессору, что значительно увеличивает жесткость вала. Жесткость вала зависит от длины в кубической зависимости (см. Авиационные газотурбинные двигатели. Г.С.Скубачевский - Москва: Машиностроение, 1981 г., Стр.315).

В связи с тем, что диски компрессора индивидуально приводятся во вращение с помощью шестерен валов, можно обеспечить оптимальную частоту вращения каждого диска компрессора за счет изменения соотношения числа зубьев шестерни валов и зубьев у венцов зубчатых колес, расположенных на ступицах дисков компрессора. Оптимальная частота вращения диска компрессора позволит повысить кпд компрессора, а значит, и кпд всего двигателя. Отсутствие направляющих аппаратов в компрессоре и сопловых аппаратов в турбине значительно снижает потери от трения воздуха и газа в двигателе, что тоже способствует повышению кпд двигателя.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Газотурбинный двигатель, содержащий входное устройство, компрессор, камеру сгорания, турбину и сопло, отличающийся тем, что содержит независимо вращающиеся в противоположные стороны диски компрессора и турбины, имеющие на ступицах венцы зубчатых колес с внутренним зацеплением, параллельно расположенные валы с шестернями, расположенными между компрессором и турбиной.

www.freepatent.ru

М75РУ – первый корабельный газотурбинный двигатель России

После госпереворота в Украине оснащением российского флота силовыми установками занялось НПО «Сатурн», сотрудники которого разработали первый газотурбинный двигатель в России.

В 2003-м году компания «Сатурн» провела испытания своей первой морской силовой установки. Разработка двигателя была по большей части экспериментальной, поэтому представители государственной комиссии не возлагали особых надежд на представленный М75РУ. Однако к всеобщему изумлению «малыш» оказался достаточно мощным (при удельном расходе топлива 0,19 кг/л.с.ч. он давал 7000 лошадиных сил). В 2006-м году двигатель получил государственную сертификацию и даже вошел в долгосрочную программу кораблестроения, но только как перспективная разработка. Вполне возможно, что М75РУ так и остался бы проектом «Сатурна», не вышедшим в серийное производство, если бы в конце 2013-го года в Украине не разразился политический кризис.

После распада СССР украинские заводы (например, ГП НПКГ «Зоря-Машпроект») поставляли силовые установки, разработанные еще в советское время, для российских кораблей. С учетом изменившегося курса государства, российскому руководству требовалось в срочном порядке найти замену устаревшим двигателям. В рамках программы импортозамещения были созданы три двигателя как база морского газотурбостроения: М90ФР (27000 л.с.), М70ФРУ (14000 л.с.) и М75РУ (7000 л.с.). Последний подвергся некоторым модификациям по сравнению с первоначальной версией 2003-го.

«Программу импортозамещения по морской “тематике” мы реализуем на НПО “Сатурн” в Рыбинске. Она включает в себя три ключевых направления: проведение ряда опытно-конструкторских работ по созданию морских газотурбинных агрегатов (ГТА) с нашими двигателями; техперевооружение производственных мощностей, потому что в таких объемах мы раньше морские двигатели не выпускали, а также строительство сборочно-испытательного комплекса для газотурбинных двигателей (ГТД) и газотурбинных агрегатов (ГТА). То есть на «Сатурне» будет осуществляться весь комплекс работ: и производство, и испытания, и ремонт. В отличие от вопроса с импортозамещением авиационных двигателей, здесь мы обладаем полным комплектом технической документации на разработанные двигатели», – заявил генеральный директор ОДК Владислав Масалов в 2015-м году.

В этом году предприятие должно закончить освоение полного цикла производства всех трех двигателей программы. Помимо этого, НПО «Сатурн» обладает базой для испытаний перспективного направления деятельности в области газотурбостроения для военно-морского флота.

Материал подготовил Сергей Перелесов

Автор: ПолитРоссия

politros.com

definition of Газотурбинный двигатель and synonyms of Газотурбинный двигатель (Russian)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Газотурбинный двигатель (ГТД, ТРД) — тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины.В отличие от поршневого двигателя, в ГТД процессы происходят в потоке движущегося газа.

Схема газотурбинного двигателя.

Сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, туда же подаётся топливо, которое, сгорая, образует большое количество продуктов сгорания под высоким давлением. Затем в газовой турбине энергия газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счёт вращения струёй газа лопаток, часть которой расходуется на сжатие воздуха в компрессоре. Остальная часть работы передаётся на приводимый агрегат. Работа, потребляемая этим агрегатом, является полезной работой ГТД. Газотурбинные двигатели имеют самую большую удельную мощность среди ДВС, до 6 кВт/кг.

В качестве топлива могут использоваться любое горючее, которое можно диспергировать бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, газ, судовое топливо, водяной газ, спирт и даже измельченный уголь.

Одновальные и многовальные двигатели

Простейший газотурбинный двигатель имеет только одну турбину, которая приводит компрессор и одновременно является источником полезной мощности. Это накладывает ограничение на режимы работы двигателя.

Преимущество многовального двигателя в том, что каждая турбина работает при оптимальном числе оборотов и нагрузке. При нагрузке, приводимой от вала одновального двигателя, была бы очень плоха приемистость двигателя, то есть способность к быстрой раскрутке, так как турбине требуется поставлять мощность и для обеспечения двигателя большим количеством воздуха (мощность ограничивается количеством воздуха), и для разгона нагрузки. При двухвальной схеме легкий ротор высокого давления быстро выходит на режим, обеспечивая двигатель воздухом, а турбину низкого давления большим количеством газов для разгона. Также есть возможность использовать менее мощный стартер для разгона при пуске только ротора высокого давления.

Турбореактивный двигатель

Схема турбореактивного двигателя

входное устройство;
осевой компрессор;
камера сгорания;
рабочие лопатки турбины;
сопло.

В полете поток воздуха тормозится во входном устройстве перед компрессором, в результате чего его температура и давление повышается. На земле во входном устройстве воздух ускоряется, его температура и давление снижаются.

Проходя через компрессор, воздух сжимается, его давление повышается в 10—40 раз, возрастает его температура.Компрессоры газотурбинных двигателей делятся на осевые и центробежные. В наши дни в двигателях наиболее распространены многоступенчатые осевые компрессоры. Центробежные компрессоры, как правило, применяются в малогабаритных силовых установках.

Далее сжатый воздух попадает в камеру сгорания, в так называемые жаровые трубы (имеется более прогрессивная конструкция - кольцевая камера сгорания, не состоящая из отдельных труб, а выполненная цельным кольцевым элементом). В наши дни кольцевые камеры сгорания являются наиболее распространенными. Трубчатые камеры сгорания используются гораздо реже, в основном на военных самолетах. Воздух на входе в камеру сгорания разделяется на первичный, вторичный и третичный. Первичный воздух поступает в камеру сгорания через специальное окно в передней части, по центру которого расположен фланец крепления форсунки и участвует непосредственно в окислении (сгорании) топлива (формировании топливо-воздушной смеси). Вторичный воздух поступает в камеру сгорания сквозь отверстия в стенках жаровой трубы, охлаждая, придавая форму факелу и не участвуя в горении. Третичный воздух подается в камеру сгорания уже на выходе из нее, для выравнивания поля температур. При работе двигателя в передней части жаровой трубы всегда вращается вихрь раскалённого газа (что обусловлено специальной формой передней части жаровой трубы), постоянно поджигающего формируемую топливовоздушную смесь, происходит сгорание топлива (керосина, газа), поступающего через форсунки в парообразном состоянии.

Чем выше температура сгорания, тем выше КПД двигателя. Для предупреждения разрушения деталей двигателя используют жаропрочные сплавы, оснащенные системами охлаждения, и термобарьерные покрытия.

Турбореактивный двигатель с форсажной камерой

Турбовинтовой двигатель

Схема турбовинтового двигателя

— воздушный винт;
— редуктор;
— турбокомпрессор.

В турбовинтовом двигателе (ТВД) основное тяговое усилие обеспечивает воздушный винт, соединённый через редуктор с валом турбокомпрессора. Для этого используется турбина с увеличенным числом ступеней, так что расширение газа в турбине происходит почти полностью и только 10—15 % тяги обеспечивается за счёт газовой струи.

Турбовинтовые двигатели гораздо более экономичны на малых скоростях полёта и широко используются для самолётов, имеющих большую грузоподъёмность и дальность полёта. Крейсерская скорость самолётов, оснащённых ТВД, 600—800 км/ч.

Турбовальный двигатель

Турбовальный двигатель (ТВаД) — модификация ТВД с перпендикулярным расположением ведущего вала. Применяется в вертолётах.

Двухконтурные двигатели

Дальнейшее повышение эффективности двигателей связано с появлением так называемого внешнего контура.Часть избыточной мощности турбины передаётся компрессору низкого давления на входе двигателя.

Двухконтурный турбореактивный двигатель

Схема турбореактивного двухконтурного двигателя

— компрессор низкого давления;
— внутренний контур;
— выходной поток внутреннего контура;
— выходной поток внешнего контура.

Турбореактивный двухконтурный двигатель (ТРДД) или Двухконтурный турбореактивный двигатель (ДТРД).

Воздушный поток попадает в компрессор низкого давления, после чего часть потока проходит по обычной схеме через турбокомпрессор, а остальная часть (холодная) проходит через внешний контур и выбрасывается без сгорания, создавая дополнительную тягу. В результате снижается температура выходного газа, снижается расход топлива и уменьшается шум двигателя. Отношение количества воздуха, прошедшего через внешний контур, к количеству прошедшего через внутренний контур воздуха называется степенью двухконтурности (m). При степени двухконтурности меньше 4 потоки контуров на выходе, как правило, смешиваются и выбрасываются через общее сопло, если m>4 - потоки выбрасываются раздельно, так как из-за значительной разности давлений и скоростей смешение затруднительно.

Турбовентиляторный двигатель

Схема турбовентиляторного двигателя

— вентилятор;
— защитный обтекатель;
— турбокомпрессор;
— выходной поток внутреннего контура;
— выходной поток внешнего контура.

Турбовентиляторный реактивный двигатель (ТВРД) - это ТРДД со степенью двухконтурности m=2—10. Здесь компрессор низкого давления преобразуется в вентилятор, отличающийся от компрессора меньшим числом ступеней и большим диаметром, и горячая струя практически не смешивается с холодной.

Винтовентиляторный двигатель

Дальнейшим развитием ТВРД с увеличением степени двухконтурности m=20 — 90 является турбовинтовентиляторный двигатель (ТВВД). В отличие от турбовинтового двигателя, лопасти движителя ТВВД имеют саблевидную форму, что позволяет перенаправить часть воздушного потока в компрессор и повысить давление на входе компрессора. Такой двигатель получил название винтовентилятор и может быть как открытым, так и закапотированным кольцевым обтекателем. Второе отличие - винтовентилятор приводится от турбины не напрямую, как вентилятор, а через редуктор.

Наземные двигательные установки

Другие модификации газотурбинных двигателей используются в качестве силовых установок на судах (газотурбоходы), железнодорожном (газотурбовозы) и другом наземном транспорте, а также на электростанциях, в том числе, передвижных, и для перекачки природного газа. Принцип работы практически не отличается от турбовинтовых двигателей.

Газовая турбина с замкнутым циклом

В газовой турбине с замкнутым циклом рабочий газ циркулирует без контакта с окружающей средой. Нагрев (перед турбиной) и охлаждение (перед компрессором) газа производится в теплообменниках. Такая система позволяет использовать любой источник тепла (например, газоохлаждаемый ядерный реактор). Если в качестве источника тепла используется сгорание топлива, то такое устройство называют турбиной внешнего сгорания. На практике газовые турбины с замкнутым циклом используются редко.

Конструкторы газотурбинных двигателей

См. также

Ссылки

dictionary.sensagent.com