.svg/1280px-Gas_turbine_applications_(numbered).svg.png)
Газовая турбина или газотурбинный двигатель — это тип двигателя внутреннего сгорания с непрерывным потоком . [1] Основные части, общие для всех газотурбинных двигателей, образуют часть, вырабатывающую энергию (известную как газогенератор или ядро), и в направлении потока:
Дополнительные компоненты должны быть добавлены к газогенератору для соответствия его применению. Общим для всех является воздухозаборник, но с различными конфигурациями для соответствия требованиям морского использования, использования на суше или полета на скоростях, варьирующихся от стационарных до сверхзвуковых. Сопло двигателя добавляется для создания тяги для полета. Дополнительная турбина добавляется для привода винта ( турбовинтовой ) или вентилятора в канале ( турбовентиляторный ) для снижения расхода топлива (за счет увеличения пропульсивной эффективности) на дозвуковых скоростях полета. Дополнительная турбина также требуется для привода ротора вертолета или трансмиссии наземного транспортного средства ( турбовальный ), морского винта или электрогенератора (силовая турбина). Большее отношение тяги к весу для полета достигается с добавлением форсажной камеры .
Основная работа газовой турбины — цикл Брайтона с воздухом в качестве рабочего тела : атмосферный воздух проходит через компрессор, который доводит его до более высокого давления; затем энергия добавляется путем распыления топлива в воздух и его воспламенения, так что сгорание генерирует высокотемпературный поток; этот высокотемпературный сжатый газ поступает в турбину, производя в процессе работу вала, используемую для привода компрессора; неиспользованная энергия выходит в выхлопных газах, которые могут быть повторно использованы для внешней работы, например, для непосредственного создания тяги в турбореактивном двигателе или вращения второй, независимой турбины (известной как силовая турбина ), которая может быть подключена к вентилятору, пропеллеру или электрогенератору. Назначение газовой турбины определяет конструкцию таким образом, чтобы было достигнуто наиболее желательное разделение энергии между тягой и работой вала. Четвертый этап цикла Брайтона (охлаждение рабочего тела) опущен, поскольку газовые турбины являются открытыми системами , которые не используют повторно один и тот же воздух.
Газовые турбины используются для питания самолетов, поездов, кораблей, электрогенераторов, насосов, газовых компрессоров и танков . [2]
В идеальной газовой турбине газы подвергаются четырем термодинамическим процессам: изоэнтропическому сжатию, изобарическому (постоянному давлению) сгоранию, изоэнтропическому расширению и изобарическому отводу тепла. Вместе они составляют цикл Брайтона , также известный как «цикл постоянного давления» . [26] Он отличается от цикла Отто тем, что все процессы (сжатие, воспламенение, сгорание, выхлоп) происходят одновременно, непрерывно. [26]
В реальной газовой турбине механическая энергия необратимо (из-за внутреннего трения и турбулентности) преобразуется в давление и тепловую энергию при сжатии газа (в центробежном или осевом компрессоре ). Тепло добавляется в камере сгорания , и удельный объем газа увеличивается, что сопровождается небольшой потерей давления. Во время расширения через каналы статора и ротора в турбине снова происходит необратимое преобразование энергии. Вместо отвода тепла забирается свежий воздух.
Воздух забирается компрессором, называемым газогенератором , с осевой или центробежной конструкцией, или комбинацией этих двух. [26] Затем этот воздух подается в секцию камеры сгорания , которая может иметь кольцевую , трубчатую или трубчато-кольцевую конструкцию. [26] В секции камеры сгорания примерно 70% воздуха из компрессора подается по каналу вокруг самой камеры сгорания для охлаждения. [26] Оставшиеся примерно 30% воздуха смешиваются с топливом и воспламеняются уже горящей воздушно-топливной смесью , которая затем расширяется, производя мощность по всей турбине . [26] Затем это расширение смеси покидает секцию камеры сгорания и увеличивает свою скорость по всей турбинной секции, чтобы ударить по лопаткам турбины, вращая диск, к которому они прикреплены, тем самым создавая полезную мощность. Из произведенной мощности 60-70% используется исключительно для питания газогенератора. [26] Оставшаяся мощность используется для питания двигателя, для которого он предназначен, как правило, в авиации, для создания тяги в турбореактивном двигателе , привода в действие вентилятора турбовентиляторного двигателя , ротора или вспомогательного оборудования турбовального двигателя , а также редуктора и воздушного винта турбовинтового двигателя . [ 27] [26]
Если двигатель имеет силовую турбину, добавленную для привода промышленного генератора или ротора вертолета, выходное давление будет максимально приближено к входному давлению, при этом останется только достаточно энергии для преодоления потерь давления в выхлопном канале и выталкивания выхлопных газов. Для турбовинтового двигателя будет существовать определенный баланс между мощностью пропеллера и реактивной тягой, что обеспечивает наиболее экономичную работу. В турбореактивном двигателе из потока извлекается только достаточное давление и энергия для привода компрессора и других компонентов. Оставшиеся газы высокого давления ускоряются через сопло, чтобы создать реактивную струю для движения самолета.
Чем меньше двигатель, тем выше должна быть скорость вращения вала для достижения требуемой скорости конца лопатки. Скорость конца лопатки определяет максимальные соотношения давления, которые могут быть получены турбиной и компрессором. Это, в свою очередь, ограничивает максимальную мощность и эффективность, которые может получить двигатель. Для того чтобы скорость конца лопатки оставалась постоянной, если диаметр ротора уменьшается вдвое, скорость вращения должна удвоиться. Например, большие реактивные двигатели работают со скоростью около 10 000–25 000 об/мин, в то время как микротурбины вращаются со скоростью 500 000 об/мин. [28]
Механически газовые турбины могут быть значительно менее сложными, чем поршневые двигатели . Простые турбины могут иметь одну основную движущуюся часть, узел компрессора/вала/ротора турбины, с другими движущимися частями в топливной системе. Это, в свою очередь, может отразиться на цене. Например, при стоимости материалов в 10 000 ℛℳ , Jumo 004 оказался дешевле поршневого двигателя Junkers 213 , который стоил 35 000 ℛℳ , [29] и требовал всего 375 часов низкоквалифицированного труда для завершения (включая изготовление, сборку и доставку), по сравнению с 1400 часами для BMW 801. [30] Это, однако, также привело к низкой эффективности и надежности. Более продвинутые газовые турбины (например, те, что используются в современных реактивных двигателях или электростанциях с комбинированным циклом) могут иметь 2 или 3 вала (катушки), сотни лопаток компрессора и турбины, подвижные лопатки статора и обширные внешние трубки для топливных, масляных и воздушных систем; они используют термостойкие сплавы и изготавливаются по жестким спецификациям, требующим точного изготовления. Все это часто делает конструкцию простой газовой турбины более сложной, чем поршневого двигателя.
Более того, для достижения оптимальной производительности в современных газотурбинных электростанциях газ должен быть подготовлен в точном соответствии со спецификациями топлива. Системы кондиционирования топливного газа обрабатывают природный газ для достижения точных спецификаций топлива перед поступлением в турбину с точки зрения давления, температуры, состава газа и соответствующего индекса Воббе .
Основным преимуществом газотурбинного двигателя является его соотношение мощности и веса. [ требуется ссылка ] Поскольку относительно легкий двигатель может производить значительную полезную работу, газовые турбины идеально подходят для приведения в движение самолетов.
Упорные подшипники и подшипники скольжения являются важнейшей частью конструкции. Это гидродинамические масляные подшипники или роликовые подшипники с масляным охлаждением . Фольгированные подшипники используются в некоторых небольших машинах, таких как микротурбины [31] , а также имеют большой потенциал для использования в небольших газовых турбинах/ вспомогательных силовых установках [32]
Основной проблемой, с которой сталкивается конструкция турбины, особенно лопаток турбины , является снижение ползучести , вызванной высокими температурами и напряжениями, которые испытываются во время работы. Более высокие рабочие температуры постоянно стремятся повысить эффективность, но это достигается за счет более высоких скоростей ползучести. Поэтому было использовано несколько методов в попытке достичь оптимальной производительности при ограничении ползучести, причем наиболее успешными из них являются высокопроизводительные покрытия и монокристаллические суперсплавы . [33] Эти технологии работают, ограничивая деформацию, которая происходит с помощью механизмов, которые можно в целом классифицировать как скольжение дислокаций, подъем дислокаций и диффузионный поток.
Защитные покрытия обеспечивают теплоизоляцию лезвия и обеспечивают стойкость к окислению и коррозии . Тепловые барьерные покрытия (TBC) часто представляют собой стабилизированную керамику на основе диоксида циркония , а стойкие к окислению/коррозии покрытия (связующие покрытия) обычно состоят из алюминидов или сплавов MCrAlY (где M обычно представляет собой Fe и/или Cr). Использование TBC ограничивает температурное воздействие на подложку из суперсплава, тем самым уменьшая диффузию активных видов (обычно вакансий) внутри сплава и уменьшая ползучесть дислокаций и вакансий. Было обнаружено, что покрытие толщиной 1–200 мкм может снизить температуру лезвия до 200 °C (392 °F). [34] Связующие покрытия наносятся непосредственно на поверхность подложки с помощью пакетной цементации и выполняют двойную функцию: обеспечивают улучшенное сцепление TBC и стойкость подложки к окислению. Al из связующих покрытий образует Al 2 O 3 на границе TBC-связующего покрытия, что обеспечивает стойкость к окислению, но также приводит к образованию нежелательной зоны интердиффузии (ID) между ним и подложкой. [35] Стойкость к окислению перевешивает недостатки, связанные с зоной ID, поскольку она увеличивает срок службы лезвия и ограничивает потери эффективности, вызванные накоплением на внешней стороне лезвий. [36]
Суперсплавы на основе никеля обладают улучшенной прочностью и сопротивлением ползучести благодаря своему составу и полученной микроструктуре . Гамма (γ) ГЦК-никелевый сплав легируется алюминием и титаном для осаждения равномерной дисперсии когерентных гамма-прим (γ') фаз Ni 3 (Al,Ti) . Мелкодисперсные выделения γ' препятствуют движению дислокаций и создают пороговое напряжение, увеличивая напряжение, необходимое для начала ползучести. Кроме того, γ' является упорядоченной фазой L1 2 , которая затрудняет сдвиг дислокаций мимо нее. [37] Дополнительные тугоплавкие элементы, такие как рений и рутений, могут быть добавлены в твердый раствор для улучшения предела ползучести. Добавление этих элементов уменьшает диффузию гамма-прим фазы, тем самым сохраняя усталостную прочность, прочность и сопротивление ползучести. [38] Разработка монокристаллических суперсплавов также привела к значительному улучшению сопротивления ползучести. Из-за отсутствия границ зерен монокристаллы исключают ползучесть Кобла и, следовательно, деформируются меньшим количеством мод, что снижает скорость ползучести. [39] Хотя монокристаллы имеют более низкую ползучесть при высоких температурах, они имеют значительно более низкие пределы текучести при комнатной температуре, где прочность определяется соотношением Холла-Петча. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы оптимизировать параметры конструкции для ограничения высокотемпературной ползучести, не снижая при этом предел текучести при низкой температуре.
Воздушно- реактивные двигатели — это газовые турбины, оптимизированные для создания тяги за счет выхлопных газов или за счет вентиляторов с канальным расположением крыльчатки, соединенных с газовыми турбинами. [40] Реактивные двигатели, которые создают тягу за счет прямого импульса выхлопных газов, часто называют турбореактивными . Хотя турбореактивные двигатели все еще используются во многих военных и гражданских эксплуатантах, они в основном были выведены из эксплуатации в пользу турбовентиляторных двигателей из-за низкой топливной эффективности и высокого шума турбореактивных двигателей. [26] Те, которые создают тягу с добавлением вентилятора с канальным расположением крыльчатки, называются турбовентиляторными или (реже) вентиляторными реактивными двигателями. Эти двигатели создают почти 80% своей тяги за счет вентилятора с канальным расположением крыльчатки, который можно увидеть спереди двигателя. Они бывают двух типов: турбовентиляторные с низким байпасом и турбовентиляторные с высоким байпасом , разница заключается в количестве воздуха, перемещаемого вентилятором, называемом «воздух с байпасом». Эти двигатели предлагают преимущество большей тяги без дополнительного расхода топлива. [26] [27]
Газовые турбины также используются во многих жидкотопливных ракетах , где газовые турбины используются для питания турбонасоса , что позволяет использовать легкие баки низкого давления, уменьшая тем самым массу пустой ракеты.
Турбовинтовой двигатель — это газотурбинный двигатель, который приводит в движение воздушный винт самолета с помощью редуктора для преобразования высокой рабочей скорости турбинной секции (часто в десятках тысяч) в низкие тысячи, необходимые для эффективной работы воздушного винта. Преимущество использования турбовинтового двигателя заключается в использовании преимущества высокого отношения мощности к весу газотурбинного двигателя для приведения в движение воздушного винта, что позволяет использовать более мощный, но и меньший двигатель. [27] Турбовинтовые двигатели используются на широком спектре деловых самолетов, таких как Pilatus PC-12 , местных самолетов, таких как Beechcraft 1900 , и небольших грузовых самолетов, таких как Cessna 208 Caravan или De Havilland Canada Dash 8 , и больших самолетов (обычно военных), таких как транспортный Airbus A400M , Lockheed AC-130 и 60-летний стратегический бомбардировщик Туполев Ту-95 . В то время как военные турбовинтовые двигатели могут различаться, на гражданском рынке можно найти два основных двигателя: Pratt & Whitney Canada PT6 , турбовальный двигатель со свободной турбиной , и Honeywell TPE331 , двигатель с фиксированной турбиной (ранее обозначавшийся как Garrett AiResearch 331).
Авиационные газовые турбины, как правило, базируются на существующих авиационных газотурбинных двигателях и меньше и легче промышленных газовых турбин. [41]
Аэропроизводные используются в производстве электроэнергии из-за их способности отключаться и обрабатывать изменения нагрузки быстрее, чем промышленные машины. [42] Они также используются в морской промышленности для снижения веса. Распространенные типы включают General Electric LM2500 , General Electric LM6000 и версии авиапроизводных Pratt & Whitney PW4000 , Pratt & Whitney FT4 и Rolls-Royce RB211 . [41]
Все большее количество газовых турбин используется или даже конструируется любителями.
В самой простой форме это коммерческие турбины, приобретенные за счет военных излишков или распродажи металлолома, а затем используемые для демонстрации в рамках хобби коллекционирования двигателей. [43] [44] В самой экстремальной форме любители даже перестраивали двигатели, не подлежащие профессиональному ремонту, а затем использовали их для соревнований по установлению рекорда скорости на суше.
Простейшая форма самодельной газовой турбины использует автомобильный турбокомпрессор в качестве основного компонента. Камера сгорания изготавливается и устанавливается между секциями компрессора и турбины. [45]
Также строятся более сложные турбореактивные двигатели, тяга и небольшой вес которых достаточны для питания больших моделей самолетов. [46] Конструкция Шреклинга [46] предполагает изготовление всего двигателя из исходных материалов, включая изготовление колеса центробежного компрессора из фанеры , эпоксидной смолы и обернутых прядей углеродного волокна.
Несколько небольших компаний теперь производят небольшие турбины и детали для любителей. Большинство моделей самолетов с турбореактивными двигателями теперь используют эти коммерческие и полукоммерческие микротурбины, а не самодельные модели типа Schreckling. [47]
Малые газовые турбины используются в качестве вспомогательных силовых установок (ВСУ) для подачи вспомогательной мощности на более крупные мобильные машины, такие как самолеты , и имеют турбовальную конструкцию. [26] Они обеспечивают:
Промышленные газовые турбины отличаются от авиационных конструкций тем, что рамы, подшипники и лопатки имеют более тяжелую конструкцию. Они также гораздо более тесно интегрированы с устройствами, которые они питают (часто это электрогенератор ) , и вторичным энергетическим оборудованием, которое используется для рекуперации остаточной энергии (в основном тепла).
Они варьируются по размеру от переносных мобильных установок до больших сложных систем весом более ста тонн, размещенных в специально построенных зданиях. Когда газовая турбина используется исключительно для мощности вала, ее тепловой КПД составляет около 30%. Однако может быть дешевле покупать электроэнергию, чем ее вырабатывать. Поэтому многие двигатели используются в конфигурациях ТЭЦ (комбинированное производство тепла и электроэнергии), которые могут быть достаточно маленькими для интеграции в переносные контейнерные конфигурации.
Газовые турбины могут быть особенно эффективны, когда отходящее тепло от турбины восстанавливается парогенератором-утилизатором (HRSG) для питания обычной паровой турбины в конфигурации комбинированного цикла . [48] 605 МВт General Electric 9HA достигла показателя эффективности 62,22% при температурах до 1540 °C (2800 °F). [49] В 2018 году GE предлагает свой 826 МВт HA с эффективностью более 64% в комбинированном цикле благодаря достижениям в области аддитивного производства и прорывов в области сжигания, что выше 63,7% в заказах 2017 года и находится на пути к достижению 65% к началу 2020-х годов. [50] В марте 2018 года GE Power достигла валовой эффективности 63,08% для своей турбины 7HA. [51]
Аэропроизводные газовые турбины также могут использоваться в комбинированных циклах, что приводит к более высокой эффективности, но она не будет такой высокой, как у специально разработанной промышленной газовой турбины. Они также могут работать в конфигурации когенерации : выхлопные газы используются для отопления помещений или воды или приводят в действие абсорбционный охладитель для охлаждения входящего воздуха и увеличения выходной мощности, технология, известная как охлаждение входящего воздуха турбины .
Другим существенным преимуществом является их способность включаться и выключаться в течение нескольких минут, поставляя электроэнергию во время пикового или незапланированного спроса. Поскольку электростанции с одним циклом (только газовые турбины) менее эффективны, чем электростанции с комбинированным циклом, их обычно используют в качестве пиковых электростанций , которые работают от нескольких часов в день до нескольких десятков часов в год — в зависимости от спроса на электроэнергию и генерирующей мощности региона. В районах с дефицитом мощности базовой нагрузки и нагрузки, следующей за мощностью электростанции , или с низкими затратами на топливо, газотурбинная электростанция может регулярно работать большую часть часов дня. Большая газовая турбина с одним циклом обычно вырабатывает от 100 до 400 мегаватт электроэнергии и имеет термодинамическую эффективность 35–40% . [52]
Промышленные газовые турбины, которые используются исключительно для механического привода или совместно с парогенератором-утилизатором, отличаются от электрогенераторных установок тем, что они часто меньше и имеют двухвальную конструкцию вместо одновальной. Диапазон мощности варьируется от 1 мегаватта до 50 мегаватт. [ необходима цитата ] Эти двигатели подключаются напрямую или через редуктор к насосу или компрессорному агрегату. Большинство установок используются в нефтегазовой промышленности. Применение механического привода повышает эффективность примерно на 2%.
Нефтяным и газовым платформам эти двигатели требуются для привода компрессоров для закачки газа в скважины, чтобы вытеснять нефть через другую скважину, или для сжатия газа для транспортировки. Они также часто используются для обеспечения питания платформы. Этим платформам не нужно использовать двигатель в сотрудничестве с системой ТЭЦ из-за получения газа по чрезвычайно низкой цене (часто без сжигания газа). Те же компании используют насосные установки для перемещения жидкостей на сушу и по трубопроводам в различных интервалах.
Одна из современных разработок стремится повысить эффективность другим способом, разделяя компрессор и турбину с помощью хранилища сжатого воздуха. В обычной турбине до половины вырабатываемой мощности используется для привода компрессора. В конфигурации с хранилищем энергии сжатого воздуха мощность используется для привода компрессора, а сжатый воздух высвобождается для работы турбины, когда это необходимо.
Турбовальные двигатели используются для привода компрессоров на газоперекачивающих станциях и заводах по сжижению природного газа. Они также используются в авиации для питания всех, кроме самых маленьких современных вертолетов, и функционируют как вспомогательная силовая установка в больших коммерческих самолетах. Первичный вал несет компрессор и его турбину, которая вместе с камерой сгорания называется газогенератором . Отдельно вращающаяся силовая турбина обычно используется для привода ротора на вертолетах. Позволяя газогенератору и силовой турбине/ротору вращаться на своих собственных скоростях, обеспечивает большую гибкость в их конструкции.
Также известны как миниатюрные газовые турбины или микродвигатели.
Имея это в виду, пионер современных микрореактивных двигателей Курт Шреклинг создал одну из первых в мире микротурбин, FD3/67. [46] Этот двигатель может производить до 22 ньютонов тяги и может быть построен большинством людей с механическим складом ума с помощью основных инженерных инструментов, таких как токарный станок по металлу . [46]
Микротурбины, произошедшие от турбокомпрессоров поршневых двигателей , авиационных ВСУ или небольших реактивных двигателей , представляют собой турбины мощностью от 25 до 500 киловатт размером с холодильник . Микротурбины имеют около 15% эффективности без рекуператора , от 20 до 30% с одним, и они могут достигать 85% комбинированной тепловой и электрической эффективности в когенерации . [53]
Большинство газовых турбин являются двигателями внутреннего сгорания, но также возможно изготовление газовой турбины внешнего сгорания, которая, по сути, является турбинной версией двигателя горячего воздуха . Такие системы обычно обозначаются как EFGT (Externally Fired Gas Turbine) или IFGT (Indirectly Fired Gas Turbine).
Внешнее сгорание использовалось для использования пылевидного угля или тонкоизмельченной биомассы (например, опилок) в качестве топлива. В непрямой системе используется теплообменник , и через силовую турбину проходит только чистый воздух без продуктов сгорания. Тепловой КПД ниже в непрямом типе внешнего сгорания; однако лопатки турбины не подвергаются воздействию продуктов сгорания, и можно использовать гораздо более низкокачественное (и, следовательно, более дешевое) топливо.
При использовании внешнего сгорания можно использовать отработанный воздух из турбины в качестве первичного воздуха сгорания. Это эффективно снижает глобальные потери тепла, хотя потери тепла, связанные с отходами сгорания, остаются неизбежными.
Газовые турбины замкнутого цикла на основе гелия или сверхкритического диоксида углерода также перспективны для использования в будущих высокотемпературных солнечных и ядерных установках генерации энергии.
Газовые турбины часто используются на кораблях , локомотивах , вертолетах , танках и, в меньшей степени, на автомобилях, автобусах и мотоциклах.
Ключевое преимущество реактивных и турбовинтовых двигателей для движения самолетов – их превосходные характеристики на большой высоте по сравнению с поршневыми двигателями, особенно безнаддувными – не имеет значения в большинстве автомобильных приложений. Их преимущество мощности на единицу веса, хотя и менее критично, чем для самолетов, все же важно.
Газовые турбины предлагают мощный двигатель в очень маленьком и легком корпусе. Однако они не так отзывчивы и эффективны, как небольшие поршневые двигатели в широком диапазоне оборотов и мощностей, необходимых в транспортных средствах. В последовательных гибридных транспортных средствах, поскольку приводные электродвигатели механически отделены от двигателя, вырабатывающего электроэнергию, проблемы отзывчивости, низкой производительности на низкой скорости и низкой эффективности при низкой выходной мощности гораздо менее важны. Турбина может работать на оптимальной скорости для ее выходной мощности, а батареи и ультраконденсаторы могут поставлять энергию по мере необходимости, при этом двигатель будет включаться и выключаться, чтобы работать только с высокой эффективностью. Появление бесступенчатой трансмиссии также может облегчить проблему отзывчивости.
Турбины исторически были более дорогими в производстве, чем поршневые двигатели, хотя это отчасти объясняется тем, что поршневые двигатели производились массово в огромных количествах на протяжении десятилетий, в то время как небольшие газотурбинные двигатели являются редкостью; однако турбины производятся массово в тесно связанной форме турбокомпрессора .
Турбокомпрессор в основном представляет собой компактную и простую радиальную газовую турбину со свободным валом, которая приводится в действие выхлопными газами поршневого двигателя . Центростремительное колесо турбины приводит в движение колесо центробежного компрессора через общий вращающийся вал. Это колесо нагнетает воздухозаборник двигателя до степени, которую можно контролировать с помощью перепускного клапана или путем динамического изменения геометрии корпуса турбины (как в турбокомпрессоре с изменяемой геометрией ). В основном он служит в качестве устройства рекуперации мощности, которое преобразует большую часть иначе теряемой тепловой и кинетической энергии в наддув двигателя.
Турбокомпаундные двигатели (фактически используемые на некоторых полуприцепах ) оснащены турбинами с продувкой, которые по конструкции и внешнему виду похожи на турбокомпрессор, за исключением того, что вал турбины механически или гидравлически соединен с коленчатым валом двигателя, а не с центробежным компрессором, что обеспечивает дополнительную мощность вместо наддува. В то время как турбокомпрессор является турбиной давления, турбина рекуперации мощности является турбиной скорости. [ требуется цитата ]
Было проведено несколько экспериментов с автомобилями , работающими на газовых турбинах , крупнейший из которых провела компания Chrysler . [54] [55] В последнее время появился определенный интерес к использованию турбинных двигателей для гибридных электромобилей. Например, консорциум во главе с компанией Bladon Jets, занимающейся микрогазовыми турбинами , получил инвестиции от Совета по технологической стратегии для разработки сверхлегкого расширителя запаса хода (ULRE) для электромобилей следующего поколения. Целью консорциума, в который входят производитель автомобилей класса люкс Jaguar Land Rover и ведущая компания по производству электромашин SR Drives, является производство первого в мире коммерчески жизнеспособного и экологически чистого газотурбинного генератора, разработанного специально для автомобильных применений. [56]
Обычный турбокомпрессор для бензиновых или дизельных двигателей также является производным от турбины.
Первое серьезное исследование использования газовой турбины в автомобилях было в 1946 году, когда два инженера, Роберт Кафка и Роберт Энгерштейн из Carney Associates, нью-йоркской инженерной фирмы, придумали концепцию, в которой уникальная конструкция компактного турбинного двигателя обеспечивала бы мощность для автомобиля с задним приводом. После того, как статья появилась в Popular Science , дальнейшей работы не последовало, за исключением стадии статьи. [57]
В 1950 году конструктор Ф. Р. Белл и главный инженер Морис Уилкс из британской автомобильной компании Rover представили первый автомобиль, работающий на газотурбинном двигателе. Двухместный JET1 имел двигатель, расположенный за сиденьями, воздухозаборные решетки по обеим сторонам автомобиля и выхлопные отверстия в верхней части хвоста. Во время испытаний автомобиль достиг максимальной скорости 140 км/ч (87 миль/ч) при скорости вращения турбины 50 000 об/мин. После показа в Великобритании и Соединенных Штатах в 1950 году JET1 был доработан и прошел скоростные испытания на шоссе Яббеке в Бельгии в июне 1952 года, где он превысил 240 км/ч (150 миль/ч). [58] Автомобиль работал на бензине , парафине (керосине) или дизельном масле, но проблемы с расходом топлива оказались непреодолимыми для серийного автомобиля. JET1 экспонируется в Лондонском музее науки .
Французский газотурбинный автомобиль SOCEMA-Grégoire был представлен на Парижском автосалоне в октябре 1952 года . Он был разработан французским инженером Жаном-Альбером Грегуаром . [59]
Первым автомобилем с турбинным двигателем, построенным в США, был GM Firebird I , оценки которого начались в 1953 году. Хотя фотографии Firebird I могут предполагать, что тяга реактивной турбины приводила автомобиль в движение как самолет, на самом деле турбина приводила в движение задние колеса. Firebird I никогда не задумывался как коммерческий легковой автомобиль и был построен исключительно для тестирования и оценки, а также в целях связей с общественностью. [60] Дополнительные концепт-кары Firebird, каждый из которых приводился в действие газовыми турбинами, были разработаны для автосалонов Motorama 1953, 1956 и 1959 годов . Газотурбинный двигатель GM Research также устанавливался на ряд транзитных автобусов , начиная с Turbo-Cruiser I 1953 года. [61]
Начиная с 1954 года с модифицированного Plymouth , [62] американский производитель автомобилей Chrysler продемонстрировал несколько прототипов автомобилей с газовыми турбинами с начала 1950-х до начала 1980-х годов. Chrysler построил пятьдесят автомобилей Chrysler Turbine в 1963 году и провел единственное потребительское испытание автомобилей с газовыми турбинами. [63] Каждая из их турбин использовала уникальный вращающийся рекуператор , называемый регенератором, который повышал эффективность. [62]
В 1954 году Fiat представил концепт-кар с турбинным двигателем, названный Fiat Turbina . Это транспортное средство, похожее на самолет с колесами, использовало уникальную комбинацию реактивной тяги и двигателя, приводящего колеса в движение. Были заявлены скорости 282 км/ч (175 миль/ч). [64]
В 1960-х годах Ford и GM также разрабатывали газотурбинные полуприцепы. Ford представил Big Red на Всемирной выставке 1964 года . [65] Вместе с прицепом он был длиной 29 м (96 футов), высотой 4,0 м (13 футов) и окрашен в малиново-красный цвет. В нем находился разработанный Ford газотурбинный двигатель с выходной мощностью и крутящим моментом 450 кВт (600 л. с.) и 1160 Н·м (855 фунт·фут). В кабине имелась карта автомагистралей континентальной части США, мини-кухня, ванная комната и телевизор для второго водителя. Судьба грузовика была неизвестна в течение нескольких десятилетий, но в начале 2021 года он был вновь обнаружен в частных руках, восстановленным до рабочего состояния. [66] [67] Подразделение Chevrolet корпорации GM построило серию концептуальных грузовиков Turbo Titan с газотурбинными двигателями в качестве аналогов концептов Firebird, включая Turbo Titan I ( ок. 1959 , имеет тот же двигатель GT-304, что и Firebird II), Turbo Titan II ( ок. 1962 , имеет тот же двигатель GT-305, что и Firebird III) и Turbo Titan III (1965, двигатель GT-309); кроме того, на Всемирной выставке 1964 года был показан газотурбинный грузовик GM Bison. [68]
В результате поправок к Закону США о чистом воздухе 1970 года были профинансированы исследования по разработке автомобильной газотурбинной технологии. [69] Концепции дизайна и транспортные средства были разработаны Chrysler , General Motors , Ford (в сотрудничестве с AiResearch ) и American Motors (совместно с Williams Research ). [70] Были проведены долгосрочные испытания для оценки сопоставимой экономической эффективности. [71] Несколько AMC Hornet были оснащены небольшой регенеративной газовой турбиной Williams весом 250 фунтов (113 кг) и мощностью 80 л. с. (60 кВт; 81 л. с.) при 4450 об./мин. [72] [73] [74]
В 1982 году General Motors использовала Oldsmobile Delta 88, работающий на газовой турбине, использующей угольную пыль. Это рассматривалось для Соединенных Штатов и западного мира, чтобы уменьшить зависимость от ближневосточной нефти в то время [75] [76] [77]
Toyota продемонстрировала несколько концепт-каров с газовыми турбинами, например, Century gas turbo hybrid в 1975 году, Sports 800 Gas Turbine Hybrid в 1979 году и GTV в 1985 году. Серийных автомобилей не производилось. Двигатель GT24 был представлен в 1977 году без транспортного средства.
В начале 1990-х годов Volvo представила Volvo ECC — гибридный электромобиль с газовой турбиной . [78]
В 1993 году General Motors разработала гибридную версию EV1 с газовой турбиной — как прототип General Motors EV1 . Турбина Williams International мощностью 40 кВт приводила в действие генератор переменного тока, который питал аккумуляторно-электрическую трансмиссию . Конструкция турбины включала рекуператор. В 2006 году GM совместно с Джеем Лено занялась проектом концепт-кара EcoJet .
На Парижском автосалоне 2010 года Jaguar продемонстрировал свой концепт-кар Jaguar C-X75 . Этот электрический суперкар развивает максимальную скорость 204 мили в час (328 км/ч) и может разогнаться от 0 до 62 миль в час (от 0 до 100 км/ч) за 3,4 секунды. Он использует литий-ионные батареи для питания четырех электродвигателей, которые в совокупности производят 780 л. с. Он может проехать 68 миль (109 км) на одном заряде батарей и использует пару газовых турбин Bladon Micro Gas для подзарядки батарей, увеличивая запас хода до 560 миль (900 км). [79]
Первый гоночный автомобиль (только в концепции), оснащенный турбиной, был создан в 1955 году группой ВВС США в качестве хобби-проекта с турбиной, предоставленной им взаймы компанией Boeing, и гоночным автомобилем, принадлежащим компании Firestone Tire & Rubber. [80] Первый гоночный автомобиль, оснащенный турбиной для реальных гонок, был создан Rover, и команда BRM Formula One объединила усилия для создания Rover-BRM , купе с газовой турбиной, которое участвовало в гонке 24 часа Ле-Мана 1963 года под управлением Грэма Хилла и Ричи Джинтера . Он развивал среднюю скорость 107,8 миль в час (173,5 км/ч) и имел максимальную скорость 142 мили в час (229 км/ч). Американец Рэй Хеппенстолл объединился с Howmet Corporation и McKee Engineering, чтобы разработать свой собственный спортивный автомобиль с газовой турбиной в 1968 году, Howmet TX , который участвовал в нескольких американских и европейских гонках, включая две победы, а также участвовал в 24 часах Ле-Мана 1968 года . Автомобили использовали газовые турбины Continental , которые в конечном итоге установили шесть рекордов скорости на суше FIA для автомобилей с турбинным двигателем. [81]
Для гонок с открытыми колесами революционный STP-Paxton Turbocar 1967 года, представленный легендой гонок и предпринимателей Энди Гранателли и управляемый Парнелли Джонсом , едва не выиграл Indianapolis 500 ; автомобиль с турбиной Pratt & Whitney ST6B-62 был почти на круг впереди автомобиля, занявшего второе место, когда подшипник коробки передач вышел из строя всего за три круга до финиша. В следующем году автомобиль с турбиной STP Lotus 56 выиграл поул-позицию Indianapolis 500, несмотря на то, что новые правила резко ограничили забор воздуха. В 1971 году руководитель Team Lotus Колин Чепмен представил автомобиль Lotus 56B F1, оснащенный газовой турбиной Pratt & Whitney STN 6/76 . Чепмен имел репутацию создателя радикальных автомобилей, выигрывавших чемпионаты, но ему пришлось отказаться от проекта, потому что было слишком много проблем с турбозадержкой .
General Motors устанавливала газовые турбины серии GT-30x (под маркой «Whirlfire») на несколько прототипов автобусов в 1950-х и 1960-х годах, включая Turbo-Cruiser I (1953, GT-300); Turbo-Cruiser II (1964, GT-309); Turbo-Cruiser III (1968, GT-309); RTX (1968, GT-309); и RTS 3T (1972). [82]
Появление Capstone Turbine привело к появлению нескольких гибридных автобусных конструкций, начиная с HEV-1 от AVS из Чаттануги, штат Теннесси, в 1999 году, и вскоре за ним последовали Ebus и ISE Research в Калифорнии, а также DesignLine Corporation в Новой Зеландии (и позже в Соединенных Штатах). Турбинные гибриды AVS страдали от проблем с надежностью и контролем качества, что привело к ликвидации AVS в 2003 году. Самая успешная конструкция Designline в настоящее время эксплуатируется в 5 городах в 6 странах, более 30 автобусов эксплуатируются по всему миру, и заказ на несколько сотен поставляется в Балтимор и Нью-Йорк.
В итальянской Брешии на маршрутах по историческим районам города используются серийные гибридные автобусы, работающие на микротурбинах. [83]
MTT Turbine Superbike появился в 2000 году (отсюда и обозначение Y2K Superbike от MTT) и является первым серийным мотоциклом с турбинным двигателем, а именно турбовальным двигателем Rolls-Royce Allison модели 250, выдающим около 283 кВт (380 л. с.). Испытанный на скорость до 365 км/ч или 227 миль/ч (по некоторым данным, во время теста команда испытателей выехала с дороги), он удерживает мировой рекорд Гиннесса как самый мощный серийный мотоцикл и самый дорогой серийный мотоцикл с ценой 185 000 долларов США.
Несколько классов локомотивов оснащаются газовыми турбинами, последним из которых является JetTrain компании Bombardier .
Отдел разработок Третьего Рейха Вермахта Heer , Heereswaffenamt (Управление вооружения армии), изучал ряд конструкций газотурбинных двигателей для использования в танках, начиная с середины 1944 года. Первая конструкция газотурбинного двигателя, предназначенная для использования в силовых установках бронированных боевых машин, GT 101 на базе BMW 003 , предназначалась для установки в танк Panther . [84] К концу войны Jagdtiger был оснащен одной из вышеупомянутых газовых турбин. [85]
Второе использование газовой турбины в бронированной боевой машине произошло в 1954 году, когда блок PU2979, специально разработанный для танков CA Parsons and Company , был установлен и испытан на британском танке Conqueror . [86] Stridsvagn 103 был разработан в 1950-х годах и стал первым серийным основным боевым танком, использовавшим газотурбинный двигатель, Boeing T50 . С тех пор газотурбинные двигатели использовались в качестве вспомогательных силовых установок в некоторых танках и в качестве основных силовых установок в советских/российских танках T-80 и американских танках M1 Abrams , среди прочих. Они легче и меньше дизельных двигателей при той же постоянной выходной мощности, но модели, установленные на сегодняшний день, менее экономичны, чем эквивалентный дизель, особенно на холостом ходу, требуя больше топлива для достижения того же боевого диапазона. Последующие модели M1 решили эту проблему с помощью аккумуляторных батарей или вторичных генераторов для питания систем танка во время стоянки, что экономило топливо за счет снижения необходимости работы основной турбины вхолостую. На танках Т-80 можно установить три больших внешних топливных бака, чтобы увеличить дальность полета. Россия прекратила производство Т-80 в пользу дизельного Т-90 (на базе Т-72 ), в то время как Украина разработала дизельные Т-80УД и Т-84 с мощностью, почти равной мощности газотурбинного танка. Дизельная силовая установка французского танка Leclerc оснащена гибридной системой наддува «Hyperbar», в которой турбокомпрессор двигателя полностью заменен небольшой газовой турбиной, которая также работает как вспомогательный турбокомпрессор дизельного выхлопа, что позволяет контролировать уровень наддува независимо от оборотов двигателя и достигать более высокого пикового давления наддува (чем с обычными турбокомпрессорами). Эта система позволяет использовать в качестве силовой установки танка двигатель с меньшим рабочим объемом и более легким весом и эффективно устраняет турболаг . Эта специальная газовая турбина/турбокомпрессор также может работать независимо от основного двигателя как обычная ВСУ.
Турбина теоретически более надежна и проста в обслуживании, чем поршневой двигатель, поскольку имеет более простую конструкцию с меньшим количеством движущихся частей, но на практике детали турбины подвергаются более высокому износу из-за более высоких рабочих скоростей. Лопасти турбины очень чувствительны к пыли и мелкому песку, поэтому при работе в пустыне воздушные фильтры приходится устанавливать и менять несколько раз в день. Неправильно установленный фильтр или осколок пули или снаряда, пробивающий фильтр, могут повредить двигатель. Поршневые двигатели (особенно с турбонаддувом) также нуждаются в хорошо обслуживаемых фильтрах, но они более устойчивы, если фильтр выходит из строя.
Как и большинство современных дизельных двигателей, используемых в танках, газовые турбины обычно являются многотопливными двигателями.
Газовые турбины используются на многих военных судах , где они ценятся за высокую удельную мощность и обусловленное ими ускорение кораблей и способность быстро трогаться с места.
Первым военно-морским судном с газотурбинным двигателем был моторный канонерский катер Королевского флота MGB 2009 (ранее MGB 509 ), переоборудованный в 1947 году. Metropolitan-Vickers оснастила свой реактивный двигатель F2/3 силовой турбиной. Паровой канонерский катер Grey Goose был переоборудован под газовые турбины Rolls-Royce в 1952 году и эксплуатировался в таком качестве с 1953 года. [87] Скоростные патрульные катера класса Bold Bold Pioneer и Bold Pathfinder, построенные в 1953 году, были первыми судами, созданными специально для газотурбинного двигателя. [88]
Первыми крупномасштабными частично газотурбинными кораблями были фрегаты Королевского флота Type 81 (класс Tribal) с комбинированными паровыми и газовыми силовыми установками. Первый, HMS Ashanti, был введен в эксплуатацию в 1961 году.
В 1961 году ВМС Германии спустили на воду первый фрегат класса «Кёльн» , оснащенный двумя газовыми турбинами Brown, Boveri & Cie в первой в мире комбинированной дизель-газовой двигательной установке.
Советский флот ввел в эксплуатацию в 1962 году первый из 25 эсминцев класса «Кашин» с 4 газовыми турбинами в комбинированной газово-газовой двигательной установке. Эти корабли использовали 4 газовые турбины М8Э, которые вырабатывали 54 000–72 000 кВт (72 000–96 000 л. с.). Эти корабли были первыми крупными судами в мире, которые приводились в движение исключительно газовыми турбинами.
В составе ВМС Дании с 1965 по 1990 год на вооружении находилось 6 торпедных катеров класса Søløven (экспортная версия британского быстроходного патрульного катера класса Brave ), оснащенных тремя морскими газовыми турбинами Bristol Proteus (позднее RR Proteus) общей мощностью 9510 кВт (12 750 л. с.), а также двумя дизельными двигателями General Motors общей мощностью 340 кВт (460 л. с.) для лучшей экономии топлива на малых скоростях. [89] Они также построили 10 торпедных катеров/ракетных катеров класса Willemoes (находившихся на вооружении с 1974 по 2000 год), которые имели 3 газовые турбины Rolls-Royce Marine Proteus, также мощностью 9510 кВт (12 750 л. с.), такие же, как у катеров класса Søløven, и 2 дизельных двигателя General Motors мощностью 600 кВт (800 л. с.), также для улучшения топливной экономичности на малых скоростях. [90]
В период с 1966 по 1967 год ВМС Швеции построили 6 торпедных катеров класса Spica, оснащенных 3 турбинами Bristol Siddeley Proteus 1282 , каждая из которых выдавала 3210 кВт (4300 л. с.). Позже к ним присоединились 12 модернизированных кораблей класса Norrköping, все еще с теми же двигателями. С заменой кормовых торпедных аппаратов на противокорабельные ракеты они служили ракетными катерами, пока последний не был списан в 2005 году. [91]
В 1968 году ВМС Финляндии ввели в эксплуатацию два корвета класса Turunmaa , Turunmaa и Karjala . Они были оснащены одной газовой турбиной Rolls-Royce Olympus TM1 мощностью 16 410 кВт (22 000 л. с.) и тремя морскими дизелями Wärtsilä для более медленных скоростей. Это были самые быстрые суда в ВМС Финляндии; они регулярно достигали скорости 35 узлов и 37,3 узла во время морских испытаний. Turunmaa были выведены из эксплуатации в 2002 году. Karjala сегодня является кораблем-музеем в Турку , а Turunmaa служит плавучей механической мастерской и учебным судном для Политехнического колледжа Сатакунта.
Следующей серией крупных военно-морских судов стали четыре канадских вертолетоносца класса «Ирокез», впервые введенные в эксплуатацию в 1972 году. Они использовали главные двигатели 2 фута 4 дюйма, 2 маршевых двигателя фута 12 дюймов и 3 генератора Solar Saturn мощностью 750 кВт.
_Gas_Turbine.jpg/1280px-USS_Ford_(FFG-54)_Gas_Turbine.jpg)
Первым американским судном с газотурбинным двигателем был Point Thatcher Береговой охраны США , катер, введенный в эксплуатацию в 1961 году, который был оснащен двумя турбинами мощностью 750 кВт (1000 л. с.), использующими винты с регулируемым шагом. [92] Более крупные катера High Endurance класса Hamilton были первым классом крупных катеров, использующих газовые турбины, первый из которых ( USCGC Hamilton ) был введен в эксплуатацию в 1967 году. С тех пор они приводили в действие фрегаты класса Oliver Hazard Perry ВМС США , эсминцы классов Spruance и Arleigh Burke и ракетные крейсеры класса Ticonderoga . USS Makin Island , модифицированный десантный корабль класса Wasp , должен стать первым десантным кораблем ВМС, работающим на газовых турбинах. Морская газовая турбина работает в более агрессивной атмосфере из-за наличия морской соли в воздухе и топливе, а также использования более дешевого топлива.
До конца 1940-х годов большая часть прогресса в области морских газовых турбин во всем мире происходила в конструкторских бюро и мастерских производителей двигателей, а опытно-конструкторские работы велись британским Королевским флотом и другими флотами. В то время как интерес к газовым турбинам для морских целей, как военно-морских, так и коммерческих, продолжал расти, отсутствие результатов опыта эксплуатации ранних проектов газовых турбин ограничивало количество новых начинаний на морских коммерческих судах.
В 1951 году дизель-электрический нефтяной танкер Auris , дедвейт 12 290 тонн (DWT), использовался для получения опыта эксплуатации с главной газовой турбиной в условиях эксплуатации в море и, таким образом, стал первым океанским торговым судном, оснащенным газовой турбиной. Построенный Hawthorn Leslie в Хебберн-он-Тайн , Великобритания, в соответствии с планами и спецификациями, составленными Anglo-Saxon Petroleum Company , и спущенный на воду в 21-й день рождения принцессы Великобритании Елизаветы в 1947 году, корабль был спроектирован с компоновкой машинного отделения, которая позволяла бы экспериментально использовать тяжелое топливо в одном из его высокоскоростных двигателей, а также в будущем заменить один из его дизельных двигателей газовой турбиной. [93] Auris коммерчески эксплуатировался как танкер в течение трех с половиной лет с дизель-электрической силовой установкой, как изначально было введено в эксплуатацию, но в 1951 году один из его четырех дизельных двигателей мощностью 824 кВт (1105 л. с.) — которые были известны как «Faith», «Hope», «Charity» и «Prudence» — был заменен первым в мире морским газотурбинным двигателем, 890 кВт (1200 л. с.) газотурбинным генератором открытого цикла, построенным британской компанией Thompson-Houston Company в Рагби . После успешных морских испытаний у побережья Нортумбрии Auris отплыл из Хебберна-он-Тайн в октябре 1951 года, направляясь в Порт-Артур в США, а затем в Кюрасао на юге Карибского моря, вернувшись в Эйвонмут после 44 дней в море, успешно завершив свой исторический трансатлантический переход. В течение этого времени в море газовая турбина сжигала дизельное топливо и работала без непреднамеренных остановок или механических неполадок любого рода. Впоследствии она посетила Суонси, Халл, Роттердам , Осло и Саутгемптон, пройдя в общей сложности 13 211 морских миль. Затем на Auris все ее силовые установки были заменены на газовую турбину мощностью 3 910 кВт (5 250 л. с.) с прямым соединением, что сделало ее первым гражданским судном, работающим исключительно на мощности газовой турбины.
Несмотря на успех этого раннего экспериментального плавания, газовая турбина не заменила дизельный двигатель в качестве двигательной установки для больших торговых судов. При постоянных крейсерских скоростях дизельный двигатель просто не имел себе равных в жизненно важной области экономии топлива. Газовая турбина имела больший успех на кораблях Королевского флота и других военно-морских флотах мира, где военным кораблям в действии требуются внезапные и быстрые изменения скорости. [94]
Морская комиссия США искала варианты модернизации кораблей Liberty времен Второй мировой войны , и одним из них были газовые турбины большой мощности. В 1956 году судно John Sergeant было удлинено и оснащено газовой турбиной General Electric HD мощностью 4900 кВт (6600 л. с.) с регенерацией выхлопных газов, редуктором и винтом изменяемого шага . Оно проработало 9700 часов, используя остаточное топливо ( Bunker C ) в течение 7000 часов. Топливная эффективность была на уровне паровой тяги и составляла 0,318 кг/кВт (0,523 фунта/л. с.) в час, [95] а выходная мощность оказалась выше ожидаемой и составила 5603 кВт (7514 л. с.) из-за того, что температура окружающей среды на Северном морском пути была ниже расчетной температуры газовой турбины. Это дало кораблю возможность развивать скорость в 18 узлов, по сравнению с 11 узлами с оригинальной силовой установкой, и значительно превысило запланированные 15 узлов. Корабль совершил свой первый трансатлантический переход со средней скоростью 16,8 узлов, несмотря на некоторые неблагоприятные погодные условия по пути. Подходящее топливо Bunker C было доступно только в ограниченном количестве портов, поскольку качество топлива имело критический характер. Мазут также приходилось обрабатывать на борту для снижения содержания загрязняющих веществ, и это был трудоемкий процесс, который в то время не подходил для автоматизации. В конечном итоге, винт с изменяемым шагом, который был новой и непроверенной конструкции, завершил испытания, поскольку три последовательных ежегодных проверки выявили растрескивание под напряжением. Однако это не сказалось плохо на концепции газовой турбины морского двигателя, и в целом испытания прошли успешно. Успех этих испытаний открыл путь для дальнейших разработок GE по использованию газовых турбин HD для морского использования с тяжелым топливом. [96] « Джон Сержант» был отправлен на слом в 1972 году в Портсмуте, штат Пенсильвания.
В апреле 1974 года компания Boeing запустила в эксплуатацию свой первый пассажирский водометный подводно - крыльевой самолет Boeing 929. Эти суда были оснащены двумя газовыми турбинами Allison 501 -KF. [97]
В период с 1971 по 1981 год компания Seatrain Lines осуществляла регулярные контейнерные перевозки между портами на восточном побережье США и портами на северо-западе Европы через Северную Атлантику с четырьмя контейнеровозами дедвейтом 26 000 тонн. Эти суда были оснащены двумя газовыми турбинами Pratt & Whitney серии FT 4. Четыре судна этого класса назывались Euroliner , Eurofreighter , Asialiner и Asiafreighter . После резкого повышения цен Организацией стран-экспортеров нефти (ОПЕК) в середине 1970-х годов операции были ограничены ростом цен на топливо. Была проведена некоторая модификация систем двигателей на этих судах, чтобы разрешить сжигание топлива более низкого сорта (т. е. морского дизельного топлива ). Сокращение расходов на топливо было успешным при использовании другого непроверенного топлива в морской газовой турбине, но расходы на техническое обслуживание возросли с заменой топлива. После 1981 года корабли были проданы и переоборудованы более экономичными на тот момент дизельными двигателями, однако увеличенный размер двигателя привел к уменьшению грузового пространства. [ необходима цитата ]
Первым пассажирским паромом, использовавшим газовую турбину, был GTS Finnjet , построенный в 1977 году и оснащенный двумя турбинами Pratt & Whitney FT 4C-1 DLF, вырабатывающими 55 000 кВт (74 000 л. с.) и разгоняющими судно до скорости 31 узел. Однако Finnjet также продемонстрировал недостатки газотурбинных двигателей на коммерческих судах, поскольку высокие цены на топливо сделали его эксплуатацию невыгодной. После четырех лет службы на судне были установлены дополнительные дизельные двигатели, чтобы сократить эксплуатационные расходы в межсезонье. Finnjet также был первым судном с комбинированной дизель-электрической и газовой силовой установкой. Другим примером коммерческого использования газовых турбин на пассажирском судне являются быстроходные паромы класса HSS компании Stena Line . Суда Stena Explorer , Stena Voyager и Stena Discovery класса HSS 1500 используют комбинированные газовые и газовые установки из двух GE LM2500 плюс GE LM1600 общей мощностью 68 000 кВт (91 000 л. с.). Немного меньшая Stena Carisma класса HSS 900 использует две турбины ABB – STAL GT35 общей мощностью 34 000 кВт (46 000 л. с.). Stena Discovery была выведена из эксплуатации в 2007 году, став еще одной жертвой слишком высоких цен на топливо. [ требуется ссылка ]
В июле 2000 года Millennium стал первым круизным судном , которое работало как на газовых, так и на паровых турбинах. На судне были установлены два газотурбинных генератора General Electric LM2500, тепло отработавших газов которых использовалось для работы паротурбинного генератора в конфигурации COGES (комбинированная газоэлектрическая и паровая). Движение обеспечивалось двумя азимутальными гондолами Rolls-Royce Mermaid с электроприводом. Лайнер RMS Queen Mary 2 использует комбинированную дизельную и газовую конфигурацию. [98]
В гонках на море катамаран Miss GEICO C5000 Mystic 2010 года выпуска использует в качестве силовой установки две турбины Lycoming T-55. [ необходима ссылка ]
Технология газовых турбин неуклонно развивалась с момента своего создания и продолжает развиваться. Развитие активно производит как меньшие газовые турбины, так и более мощные и эффективные двигатели. Помощь в этих достижениях оказывают компьютерное проектирование (в частности, вычислительная гидродинамика и конечно-элементный анализ ) и разработка передовых материалов: базовые материалы с превосходной высокотемпературной прочностью (например, монокристаллические суперсплавы , которые демонстрируют аномалию предела текучести ) или тепловые барьерные покрытия , которые защищают конструкционный материал от все более высоких температур. Эти достижения позволяют повысить степень сжатия и температуру на входе в турбину, более эффективное сгорание и лучшее охлаждение деталей двигателя.
Вычислительная гидродинамика (CFD) способствовала существенному улучшению производительности и эффективности компонентов газотурбинных двигателей за счет более глубокого понимания сложных явлений вязкого течения и теплопередачи. По этой причине CFD является одним из ключевых вычислительных инструментов, используемых при проектировании и разработке газотурбинных двигателей [99] [100] .
Эффективность простого цикла ранних газовых турбин была практически удвоена за счет включения промежуточного охлаждения, регенерации (или рекуперации) и повторного нагрева. Эти улучшения, конечно, достигаются за счет увеличения начальных и эксплуатационных расходов, и они не могут быть оправданы, если снижение расходов на топливо не компенсирует рост других расходов. Относительно низкие цены на топливо, общее желание в отрасли минимизировать затраты на установку и колоссальное увеличение эффективности простого цикла примерно до 40 процентов не оставили большого желания выбирать эти модификации. [101]
Что касается выбросов, то задача состоит в том, чтобы увеличить температуру на входе в турбину, одновременно снизив пиковую температуру пламени, чтобы добиться более низких выбросов NOx и соответствовать последним нормам выбросов. В мае 2011 года компания Mitsubishi Heavy Industries достигла температуры на входе в турбину 1600 °C (2900 °F) на газовой турбине мощностью 320 мегаватт и 460 МВт в газотурбинных установках комбинированного цикла генерации электроэнергии, в которых общий тепловой КПД превышает 60%. [102] [103]
Подшипники Compliant Foil были коммерчески внедрены в газовые турбины в 1990-х годах. Они могут выдерживать более ста тысяч циклов пуска/остановки и устранили необходимость в масляной системе. Применение микроэлектроники и технологии переключения мощности позволило разработать коммерчески жизнеспособную генерацию электроэнергии микротурбинами для распределения и движения транспортных средств.
В 2013 году компания General Electric начала разработку GE9X со степенью сжатия 61:1. [104]
Ниже приведены преимущества и недостатки газотурбинных двигателей: [105]
Преимущества включают в себя:
К недостаткам можно отнести:
Британские, немецкие, другие национальные и международные коды испытаний используются для стандартизации процедур и определений, используемых для испытаний газовых турбин. Выбор кода испытаний, который будет использоваться, является соглашением между покупателем и производителем и имеет некоторое значение для конструкции турбины и связанных с ней систем. В Соединенных Штатах ASME разработал несколько кодов испытаний производительности газовых турбин. Они включают ASME PTC 22–2014. Эти коды испытаний производительности ASME получили международное признание и принятие для испытаний газовых турбин. Единственной наиболее важной и отличительной характеристикой кодов испытаний производительности ASME, включая PTC 22, является то, что погрешность измерения указывает на качество испытания и не должна использоваться в качестве коммерческого допуска.
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI inactive as of September 2024 (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)