stringtranslate.com

Газовая турбина Хольцварта

Газовая турбина Хольцварта — это форма взрывной или газовой турбины постоянного объема , в которой сгорание происходит циклически в камере сгорания, закрытой клапанами. Газовая турбина Хольцварта названа в честь ее разработчика доктора Ганса Хольцварта (1877-1953), который спроектировал несколько прототипов двигателей, использовавшихся для испытаний и экспериментальной эксплуатации в Германии и Швейцарии между 1908 и 1943 годами. [1] [2] [3]

Проектирование и разработка

В начале 20-го века конструкторы по всей Европе работали над разработкой газовой турбины с постоянным расходом. Самой большой проблемой для этих ранних первопроходцев была конструкция компрессора. Низкая эффективность турбокомпрессоров, доступных в то время, означала, что компрессор потреблял всю энергию, вырабатываемую турбиной. Конструкция Хольцварта избежала этой проблемы, заставив сгорание происходить циклически в камерах сгорания, закрытых клапанами. Поскольку повышение давления происходило в герметичной камере сгорания, не было необходимости в компрессоре. [4]

Хольцварт разработал теоретическую концепцию своей газовой турбины в 1905 году, когда он был сотрудником Hooven-Owens-Rentschler в США. Хольцварт вернулся в Германию в 1908 году, где он спроектировал и построил машину мощностью 25 л. с. (19 кВт), работая на Thyssen & Co. Эта первая машина была изготовлена ​​и испытана в мастерской Кёртинга в Ганновере и сейчас экспонируется в Немецком музее в Мюнхене . [1]

С 1909 года Хольцварт работал с Brown, Boveri & Cie над созданием готовой к выходу на рынок газовой турбины мощностью 1000 л. с. (746 кВт), однако ее производительность и эффективность оказались ниже ожидаемых, и в 1912 году Brown Boveri вышла из проекта. [1] [4]

Хольцварт продолжал работать над своей конструкцией, пока работал главным инженером по газовым турбинам в компании Thyssen. В 1923 году прототип машины был доставлен на Прусскую государственную железную дорогу , где он использовался для привода генератора мощностью 350 кВт (469 л. с.) в течение нескольких лет. В этот период проводились испытания с использованием пылеугольного топлива, которое, как было обнаружено, приемлемо горело в камере сгорания, но производило выхлопные частицы, которые повреждали лопатки турбины. В 1927 году Ганс Хольцварт покинул компанию Thyssen & Co и основал собственную компанию Holzwarth Gasturbinen GmbH. [1] [2]

В 1927 году Аурел Стодола испытал газовую турбину Хольцварта мощностью 500 кВт (671 л. с.), работающую на мазуте, и обнаружил, что только 8% энергии топлива преобразуется в механическую энергию . [1] Наблюдения за потерей отработанного тепла в охлаждающей водяной рубашке привели к разработке Брауном Бовери коммерчески успешных котлов Velox , которые, в свою очередь, привели к разработке первых современных промышленных газовых турбин. [4]

В 1928 году Хольцварт снова сотрудничал с Брауном Бовери, чтобы построить версию своей газовой турбины с двумя наборами камер сгорания, соединенных последовательно. Эти двухступенчатые машины использовали компрессор, приводимый в действие паровой турбиной, которая питалась от испарения воды из рубашки охлаждающей воды. В 1933 году двухступенчатая машина, приводящая в действие генератор мощностью 2000 кВт (2682 л. с.), была установлена ​​на сталелитейном заводе Тиссена в Хамборне , где она первоначально работала на мазуте , а затем на доменном газе . [4]

Последняя газовая турбина Holzwarth была экспериментальной машиной мощностью 5000 кВт (6705 л. с.), построенной на заводе Brown Boveri в Мангейме в 1938 году для сталелитейного завода Hamborn. Топливом для сгорания служил доменный газ, сжатый примерно до 6 бар (87 фунтов на кв. дюйм). Газовая турбина имела гидравлические клапаны, работающие со скоростью 60-100 циклов в минуту. Установка запускалась редко и не входила в штатное оборудование сталелитейного завода. В 1943 году газовая турбина была повреждена во время бомбардировки союзников , после чего дальнейшие испытательные запуски не проводились. После окончания Второй мировой войны интерес к конструкции Holzwarth снизился, и больше не было построено никаких установок. [2]

Операция

Схематический разрез одной из камер сгорания газовой турбины Хольцварта

Взрывная камера (A) периодически заполняется богатой смесью, подаваемой газовой камерой (C) и воздушной камерой (B). Смесь воспламеняется искрой, после чего взрыв смеси вызывает повышение давления, открывая клапан сопла (F), позволяя сжатым газам течь через сопло (G) к колесу турбины (H), на котором должна быть выполнена работа. Проходя через сопло, газы расширяются до давления выхлопа (J). Клапан сопла (F) поддерживается открытым свежим воздухом на протяжении всего расширения и последующей продувки и охлаждения. [5] [6]

Когда расширение завершено, воздух вдувается или втягивается под небольшим давлением через клапан (D). Этот продувочный воздух выбрасывает все остаточные газы, оставшиеся в камере сгорания, через сопло в выхлопную трубу, после чего сопловой клапан и воздушный клапан (D) положительно закрываются. В этот момент камера сгорания (A) заполняется чистым, относительно холодным воздухом, в который через клапан (E) вдувается чистое топливо (газ или распыленное масло), образуя таким образом взрывоопасную смесь, которая воспламеняется искрой. Для того чтобы сделать импульсы, сообщаемые турбинному колесу, более равномерными, несколько камер сгорания, работающих попеременно, расположены по кругу вокруг турбинного колеса (H). [5] [6]

В ранних машинах Holzwarth газ и воздух подавались при относительно низком давлении около 0,1–1 бар (1–15 фунтов на кв. дюйм) [5], в более поздних моделях газовый компрессор использовался для подачи топлива при давлении до 6 бар (87 фунтов на кв. дюйм). Газовый компрессор приводился в действие паровой турбиной, питаемой испарением воды из рубашки охлаждения газовой турбины, что требовало добавления пакета поверхностного конденсатора . [3]

Две газовые турбины Хольцварта, построенные Брауном Бовери после 1928 года, использовали две ступени камер сгорания и «двухтактную» версию цикла, где впуск и выпуск газа происходили одновременно. [3] Первая ступень включала окончательную загрузку камеры сгорания, взрыв, подачу тепла и энергии в парогенератор и газовую турбину. Вторая ступень включала продувку и предварительную загрузку. Остаточные выхлопные газы выходили через экономайзер в атмосферу. [4]

Сохранившийся пример

Этот первый прототип газовой турбины Хольцварта экспонируется в Немецком музее в Мюнхене . [1]

Ссылки

  1. ^ abcdef Экардт, Дитрих (2014). «3.3 - Газовая турбина Хольцварта». Газотурбинная электростанция . Ольденбург Верлаг Мюнхен. стр. 72–76. ISBN 9783486735710.
  2. ^ abc Кей, Энтони Л. (2002). «Хольцварт Гастурбинен ГмбХ». Разработка немецких реактивных двигателей и газовых турбин, 1930-1945 гг . Airlife Publishing Ltd., стр. 193–194. ISBN 9781840372946.
  3. ^ abc Мейер, Адольф (1939). «Турбина внутреннего сгорания, ее история, развитие и перспективы». The Brown Boveri Review . 26. Баден, Швейцария: Brown Boveri and Company.
  4. ^ abcde Noack, Walter G (1941). "Наддув, котел Velox и газовая турбина, обзор их происхождения и развития Brown Boveri" (PDF) . Обзор Brown Boveri . 28 . Баден, Швейцария: Brown Boveri and Company.
  5. ^ abc "Что делают изобретатели". Scientific American . 106 (24): 543–544. 15 июня 1912 г.
  6. ^ ab Holzwarth, Hans (1912). "1 - Общее описание процесса газовой турбины". Газовая турбина . Лондон, Великобритания: Charles Griffin and Company. стр. 1–2.