.svg/1280px-Gas_turbine_applications_(numbered).svg.png)
Газовая турбина или газотурбинный двигатель , по старому названию турбина внутреннего сгорания , представляет собой тип двигателя внутреннего сгорания с непрерывным потоком . [1] Основные части, общие для всех газотурбинных двигателей, образуют энергопроизводительную часть (известную как газогенератор или активная зона) и в направлении потока:
В газогенератор необходимо добавить дополнительные компоненты в соответствии с его применением. Общим для всех является воздухозаборник, но с различными конфигурациями, отвечающими требованиям морского использования, использования на суше или полета на скоростях, варьирующихся от стационарных до сверхзвуковых. Для создания тяги для полета добавлено реактивное сопло. Добавляется дополнительная турбина для привода воздушного винта ( турбовинтовой ) или канального вентилятора ( ТРДД ) для снижения расхода топлива (за счет увеличения тягового КПД) на дозвуковых скоростях полета. Дополнительная турбина также необходима для привода ротора вертолета или трансмиссии наземного транспортного средства ( турбовальный вал ), морского гребного винта или электрического генератора (силовая турбина). Большая тяговооруженность для полета достигается за счет установки форсажной камеры .
Основной работой газовой турбины является 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 поджигания, так что при сгорании образуется высокотемпературный поток; этот высокотемпературный газ под давлением поступает в турбину, производя при этом работу на валу, используемую для привода компрессора; неиспользованная энергия выделяется с выхлопными газами, которые можно перенаправить на внешнюю работу, например, на непосредственное создание тяги в турбореактивном двигателе или на вращение второй независимой турбины (известной как силовая турбина ), которую можно соединить с вентилятором, пропеллером. , или электрический генератор. 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 представляют собой открытые системы , не использующие повторно один и тот же воздух.
Газовые турбины используются для питания самолетов, поездов, кораблей, электрогенераторов, насосов, газовых компрессоров и резервуаров . [2]
В идеальной газовой турбине газы подвергаются четырем термодинамическим процессам: изоэнтропическому сжатию, изобарическому (постоянному давлению) сгоранию, изоэнтропическому расширению и отводу тепла. Вместе они составляют цикл Брайтона , также известный как «цикл постоянного давления» . [24] Он отличается от цикла Отто тем, что все процессы (сжатие, воспламенение, сгорание, выхлоп) происходят одновременно и непрерывно. [24]
В реальной газовой турбине механическая энергия необратимо изменяется (из-за внутреннего трения и турбулентности) в давление и тепловую энергию при сжатии газа (в центробежном или осевом компрессоре ). В камере сгорания добавляется тепло и увеличивается удельный объем газа, сопровождающийся небольшой потерей давления. При расширении через каналы статора и ротора в турбине вновь происходит необратимое преобразование энергии. Вместо отвода тепла забирается свежий воздух.
Воздух засасывается компрессором, называемым газогенератором , осевой или центробежной конструкции или их комбинацией. [24] Затем этот воздух подается в секцию камеры сгорания , которая может иметь кольцевую , баллонную или кольцевую конструкцию. [24] В секции камеры сгорания примерно 70% воздуха из компрессора направляется вокруг самой камеры сгорания с целью охлаждения. [24] Оставшиеся примерно 30% воздуха смешиваются с топливом и воспламеняются уже горящей воздушно-топливной смесью , которая затем расширяется, производя мощность через турбину . [24] Это расширение смеси затем покидает секцию камеры сгорания, и ее скорость увеличивается по всей секции турбины , чтобы ударить по лопаткам турбины, вращая диск, к которому они прикреплены, тем самым создавая полезную мощность. 60-70% производимой энергии используется исключительно для питания газогенератора. [24] Оставшаяся мощность используется для питания того, для чего используется двигатель, обычно в авиации, для приведения в движение тяги турбореактивного двигателя , привода вентилятора турбовентиляторного двигателя , ротора или агрегата турбовала , а также редуктора и воздушного винта турбореактивного двигателя. турбовинтовой . [25] [24]
Если к двигателю добавлена силовая турбина для привода промышленного генератора или несущего винта вертолета, давление на выходе будет максимально близко к давлению на входе, при этом энергии останется только для преодоления потерь давления в выхлопном трубопроводе и вытеснения выхлопных газов. Для турбовинтового двигателя будет определенный баланс между мощностью винта и реактивной тягой, который обеспечивает наиболее экономичную работу. В турбореактивном двигателе из потока извлекается ровно столько давления и энергии, сколько необходимо для привода компрессора и других компонентов. Оставшиеся газы под высоким давлением ускоряются через сопло, образуя струю, приводящую в движение самолет.
Чем меньше двигатель, тем выше должна быть скорость вращения вала для достижения необходимой скорости кончика лопасти. Скорость кончика лопатки определяет максимальное соотношение давлений, которое может быть получено турбиной и компрессором. Это, в свою очередь, ограничивает максимальную мощность и КПД, которые может получить двигатель. Чтобы окружная скорость оставалась постоянной, при уменьшении диаметра ротора вдвое скорость вращения должна удвоиться. Например, большие реактивные двигатели работают со скоростью около 10 000–25 000 об/мин, а микротурбины вращаются со скоростью 500 000 об/мин. [26]
Механически газовые турбины могут быть значительно проще, чем поршневые двигатели . Простые турбины могут иметь одну основную движущуюся часть — узел компрессор/вал/ротор турбины, а также другие движущиеся части в топливной системе. Это, в свою очередь, может отразиться на цене. Например, Jumo 004 стоил 10 000 ℛℳ на материалы и оказался дешевле, чем поршневой двигатель Junkers 213 , который стоил 35 000 ℛℳ [27] и требовал всего 375 часов низкоквалифицированного труда (включая производство, сборку и доставку). по сравнению с 1400 у BMW 801 . [28] Однако это также привело к низкой эффективности и надежности. Более совершенные газовые турбины (например, те, которые используются в современных реактивных двигателях или электростанциях с комбинированным циклом) могут иметь 2 или 3 вала (золотника), сотни лопаток компрессора и турбины, подвижные лопатки статора и обширные внешние трубки для топлива, масла и воздуха. системы; в них используются термостойкие сплавы, и они изготавливаются с соблюдением жестких требований, требующих точности изготовления. Все это зачастую усложняет конструкцию простой газовой турбины, чем поршневого двигателя.
Более того, для достижения оптимальных характеристик современных газотурбинных электростанций газ необходимо подготовить в соответствии с точными спецификациями топлива. Системы подготовки топливного газа обрабатывают природный газ для достижения точных характеристик топлива перед подачей в турбину с точки зрения давления, температуры, состава газа и соответствующего индекса Воббе .
Основным преимуществом газотурбинного двигателя является соотношение мощности и веса. [ нужна цитата ] Поскольку относительно легкий двигатель может произвести значительную полезную работу, газовые турбины идеально подходят для движения самолетов.
Упорные подшипники и опорные подшипники являются важной частью конструкции. Это гидродинамические масляные подшипники или подшипники качения с масляным охлаждением . Фольгированные подшипники используются в некоторых небольших машинах, таких как микротурбины [29] , а также имеют большой потенциал для использования в небольших газовых турбинах/ вспомогательных энергетических установках [30].
Основной проблемой, стоящей перед конструкцией турбин, особенно лопаток турбины , является снижение ползучести , вызванной высокими температурами и напряжениями, возникающими во время работы. Для повышения эффективности постоянно требуются более высокие рабочие температуры, но это достигается за счет более высоких скоростей ползучести. Поэтому в попытке достичь оптимальных характеристик при одновременном ограничении ползучести было использовано несколько методов, причем наиболее успешными из них являются высокоэффективные покрытия и монокристаллические суперсплавы . [31] Эти технологии работают путем ограничения деформации, которая возникает с помощью механизмов, которые можно широко классифицировать как скольжение дислокаций, подъем дислокаций и диффузионный поток.
Защитные покрытия обеспечивают теплоизоляцию лезвия и обеспечивают стойкость к окислению и коррозии . Теплозащитные покрытия (TBC) часто представляют собой стабилизированную керамику на основе диоксида циркония , а устойчивые 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 коэффициент диффузии активных частиц (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). [32] Связующие покрытия наносятся непосредственно на поверхность подложки с помощью науглероживания и служат двойной цели: обеспечивают улучшенную адгезию TBC и устойчивость подложки к окислению. Al из связующего покрытия образует Al 2 O 3 на границе раздела TBC-связующее покрытие, что обеспечивает стойкость к окислению, но также приводит к образованию нежелательной зоны взаимной диффузии (ID) между ним и подложкой. [33] Устойчивость к окислению перевешивает недостатки, связанные с зоной внутреннего диаметра, поскольку она увеличивает срок службы лопатки и ограничивает потери эффективности, вызванные отложениями на внешней стороне лопаток. [34]
Суперсплавы на основе никеля обладают улучшенной прочностью и сопротивлением ползучести благодаря своему составу и полученной микроструктуре . Гамма-(γ)-никель FCC легирован алюминием и титаном для получения однородной дисперсии когерентных гамма-первичных (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' представляет собой упорядоченную фазу L1 2 , из-за которой дислокациям труднее пройти мимо нее. [35] Дополнительные тугоплавкие элементы, такие как рений и рутений , могут быть добавлены в твердый раствор для улучшения сопротивления ползучести. Добавление этих элементов уменьшает диффузию первичной гамма-фазы, сохраняя тем самым сопротивление усталости , прочность и сопротивление ползучести. [36] Разработка монокристаллических суперсплавов также привела к значительному улучшению сопротивления ползучести. Из-за отсутствия границ зерен монокристаллы устраняют ползучесть Кобла и, следовательно, деформируются меньшим количеством мод, что снижает скорость ползучести. [37] Хотя монокристаллы имеют меньшую ползучесть при высоких температурах, они имеют значительно более низкие пределы текучести при комнатной температуре, когда прочность определяется соотношением Холла-Петча. Необходимо позаботиться о том, чтобы оптимизировать параметры конструкции, чтобы ограничить ползучесть при высоких температурах, не снижая при этом предел текучести при низких температурах.
Воздушно-реактивные двигатели представляют собой газовые турбины, оптимизированные для создания тяги за счет выхлопных газов или канальных вентиляторов, подключенных к газовым турбинам. [38] Реактивные двигатели, создающие тягу за счет прямого импульса выхлопных газов, часто называют турбореактивными . Несмотря на то, что турбореактивные двигатели все еще находятся на вооружении многих военных и гражданских операторов, в основном они были заменены турбовентиляторными двигателями из-за низкой топливной эффективности турбореактивных двигателей и высокого шума. [24] Те, которые создают тягу с помощью канального вентилятора, называются турбовентиляторными или (реже) вентиляторными реактивными двигателями. Эти двигатели производят почти 80% своей тяги с помощью канального вентилятора, который можно увидеть с передней части двигателя. Они бывают двух типов: турбовентиляторные с низким байпасом и с высоким байпасом , разница заключается в количестве воздуха, перемещаемого вентилятором, называемом «обходным воздухом». Эти двигатели обеспечивают большую тягу без дополнительного расхода топлива. [24] [25]
Газовые турбины также используются во многих ракетах на жидком топливе , где газовые турбины используются для питания турбонасоса , что позволяет использовать легкие баки низкого давления, уменьшая пустой вес ракеты.
Турбовинтовой двигатель — это газотурбинный двигатель, который приводит в движение воздушный винт самолета с помощью редуктора для перевода высокой рабочей скорости турбинной секции (часто в десятки тысяч) в низкие тысячи, необходимые для эффективной работы воздушного винта. Преимущество использования турбовинтового двигателя заключается в том, что он позволяет использовать высокую удельную мощность газотурбинного двигателя для привода воздушного винта, что позволяет использовать более мощный, но при этом меньший по размеру двигатель. [25] Турбовинтовые двигатели используются на широком спектре бизнес-самолетов , таких как Pilatus PC-12 , пригородных самолетах , таких как Beechcraft 1900 , и небольших грузовых самолетах, таких как Cessna 208 Caravan или De Havilland Canada Dash 8 , а также на больших самолетах. (обычно военные), такие как транспортный Airbus A400M , Lockheed AC-130 и стратегический бомбардировщик Ту-95 60-летней давности . Хотя 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 обычно основаны на существующих авиационных газотурбинных двигателях и меньше и легче промышленных газовых турбин. [39]
Аэропроизводные используются в производстве электроэнергии из-за их способности отключаться и справляться с изменениями нагрузки быстрее, чем промышленные машины. [40] Они также используются в морской промышленности для снижения веса. Распространенные типы включают General Electric LM2500 , General Electric LM6000 и авиационные версии Pratt & Whitney PW4000 и Rolls-Royce RB211 . [39]
Все большее количество газовых турбин используется или даже строится любителями.
В своей самой простой форме это коммерческие турбины, приобретенные за счет продажи военных излишков или свалки, а затем эксплуатируемые для демонстрации в рамках хобби по коллекционированию двигателей. [41] [42] В самой экстремальной форме любители даже восстанавливали двигатели, не подлежащие профессиональному ремонту, а затем использовали их, чтобы побороться за рекорд наземной скорости.
В простейшей форме самодельной газовой турбины в качестве основного компонента используется автомобильный турбокомпрессор . Камера сгорания изготовлена и установлена между секциями компрессора и турбины. [43]
Также строятся более сложные турбореактивные двигатели, тяга и легкий вес которых достаточны для питания крупных моделей самолетов. [44] Конструкция Шреклинга [44] строит весь двигатель из сырья, включая изготовление колеса центробежного компрессора из фанеры, эпоксидной смолы и обернутых прядей углеродного волокна.
Несколько небольших компаний сейчас производят небольшие турбины и детали для любителей. В большинстве моделей самолетов с турбореактивными двигателями сейчас используются эти коммерческие и полукоммерческие микротурбины, а не самодельные модели типа Шреклинга. [45]
Малые газовые турбины используются в качестве вспомогательных силовых установок (ВСУ) для подачи вспомогательной энергии на более крупные мобильные машины, такие как самолеты , и представляют собой конструкцию с турбовальным двигателем . [24] Они поставляют:
Промышленные газовые турбины отличаются от авиационных тем, что рамы, подшипники и лопатки имеют более тяжелую конструкцию. Они также гораздо более тесно интегрированы с устройствами, которые они питают (часто с электрическим генератором ) и оборудованием вторичной энергетики, которое используется для рекуперации остаточной энергии (в основном тепла).
Их размеры варьируются от портативных мобильных установок до больших и сложных систем весом более ста тонн, размещенных в специально построенных зданиях. Когда газовая турбина используется исключительно для выработки мощности на валу, ее тепловой КПД составляет около 30%. Однако купить электроэнергию может оказаться дешевле, чем производить ее. Поэтому в конфигурациях ТЭЦ (комбинированного производства тепла и электроэнергии) используются многие двигатели, которые могут быть достаточно небольшими, чтобы их можно было интегрировать в конфигурации портативных контейнеров .
Газовые турбины могут быть особенно эффективны, когда отходящее тепло турбины рекуперируется парогенератором-утилизатором (HRSG) для питания обычной паровой турбины в конфигурации с комбинированным циклом . [46] Двигатель General Electric 9HA мощностью 605 МВт достиг КПД 62,22% при температуре до 1540 °C (2800 °F). [47] В 2018 году GE предлагает свою HA мощностью 826 МВт с КПД более 64% в комбинированном цикле благодаря достижениям в аддитивном производстве и прорывам в области сжигания, по сравнению с 63,7% в заказах 2017 года и на пути к достижению 65% к началу 2020-х годов. [48] В марте 2018 года компания GE Power достигла валового КПД своей турбины 7HA на уровне 63,08%. [49]
Авиационные газовые турбины также могут использоваться в комбинированных циклах, что приводит к более высокому КПД, но он не будет таким высоким, как у специально разработанной промышленной газовой турбины. Их также можно использовать в конфигурации когенерации : выхлопные газы используются для обогрева помещений или воды или приводят в действие абсорбционный охладитель для охлаждения входящего воздуха и увеличения выходной мощности. Эта технология известна как охлаждение воздуха на входе в турбину .
Еще одним важным преимуществом является их способность включаться и выключаться в течение нескольких минут, обеспечивая подачу электроэнергии во время пиковой или незапланированной нагрузки. Поскольку электростанции с одиночным циклом (только газовые турбины) менее эффективны, чем электростанции с комбинированным циклом, они обычно используются в качестве пиковых электростанций , которые работают от нескольких часов в день до нескольких десятков часов в год — в зависимости от спроса на электроэнергию и мощности. генерирующий потенциал региона. В районах с нехваткой мощности электростанций при базовой нагрузке и нагрузке или с низкими затратами на топливо газотурбинная электростанция может регулярно работать большую часть часов в день. Большая однотактная газовая турбина обычно производит от 100 до 400 мегаватт электроэнергии и имеет термодинамический КПД 35–40% . [50]
Промышленные газовые турбины, которые используются исключительно для механического привода или используются совместно с парогенератором-утилизатором, отличаются от электрогенераторов тем, что они часто меньше по размеру и имеют конструкцию с двумя валами, а не с одним валом. Диапазон мощности варьируется от 1 до 50 мегаватт. [ нужна ссылка ] Эти двигатели подключаются напрямую или через коробку передач к насосу или компрессорному агрегату. Большинство установок используется в нефтегазовой промышленности. Приложения с механическим приводом повышают эффективность примерно на 2%.
Нефтяным и газовым платформам нужны эти двигатели для привода компрессоров для закачки газа в скважины для вытеснения нефти через другой ствол или для сжатия газа для транспортировки. Они также часто используются для обеспечения питания платформы. Этим платформам не требуется использовать двигатель совместно с системой ТЭЦ, поскольку газ получается по чрезвычайно низкой цене (часто без отработавшего газа). Те же компании используют насосные агрегаты для подачи жидкостей на сушу и по трубопроводам в различных интервалах.
Одна из современных разработок направлена на повышение эффективности другим способом путем разделения компрессора и турбины с помощью хранилища сжатого воздуха. В обычной турбине до половины вырабатываемой мощности используется для привода компрессора. В конфигурации хранения энергии на основе сжатого воздуха энергия, возможно, полученная от ветряной электростанции или купленная на открытом рынке в период низкого спроса и низкой цены, используется для привода компрессора, а сжатый воздух высвобождается для работы турбины, когда это необходимо.
Турбовальные двигатели используются для привода компрессоров газоперекачивающих станций и заводов по сжижению природного газа. Они также используются в авиации для привода всех современных вертолетов, кроме самых маленьких, и функционируют в качестве вспомогательной силовой установки в больших коммерческих самолетах. На первичном валу установлен компрессор и его турбина, которая вместе с камерой сгорания называется газогенератором . Для привода несущего винта на вертолетах обычно используется отдельно вращающаяся силовая турбина. Разрешение газогенератору и силовой турбине/ротору вращаться с собственной скоростью обеспечивает большую гибкость в их конструкции.
Также известны как миниатюрные газовые турбины или микрореактивные двигатели.
Имея это в виду, пионер современных микроджетов Курт Шреклинг создал одну из первых в мире микротурбин FD3/67. [44] Этот двигатель может производить тягу до 22 ньютонов и может быть собран большинством людей с механическим складом ума с использованием основных инженерных инструментов, таких как токарный станок по металлу . [44]
Микротурбины , созданные на основе турбокомпрессоров поршневых двигателей , авиационных ВСУ или небольших реактивных двигателей , представляют собой турбины мощностью от 25 до 500 киловатт размером с холодильник . Микротурбины имеют КПД около 15% без рекуператора , от 20 до 30% с одним рекуператором и могут достигать 85% совокупного теплоэлектрического КПД при когенерации . [51]
Большинство газовых турбин являются двигателями внутреннего сгорания, но также возможно изготовить газовую турбину внешнего сгорания, которая, по сути, представляет собой турбинную версию двигателя горячего воздуха . Эти системы обычно обозначаются как EFGT (газовая турбина с внешним зажиганием) или IFGT (газовая турбина с косвенным зажиганием).
Внешнее сжигание использовалось с целью использования пылевидного угля или мелкоизмельченной биомассы (например, опилок) в качестве топлива. В непрямой системе используется теплообменник , и через силовую турбину проходит только чистый воздух без продуктов сгорания. Термический КПД ниже при непрямом типе внешнего сгорания; однако лопатки турбины не подвергаются воздействию продуктов сгорания, и можно использовать топливо гораздо более низкого качества (и, следовательно, более дешевое).
При использовании внешнего сгорания можно использовать отработанный воздух из турбины в качестве основного воздуха для горения. Это эффективно снижает глобальные потери тепла, хотя потери тепла, связанные с выхлопными газами, остаются неизбежными.
Газовые турбины замкнутого цикла на основе гелия или сверхкритического диоксида углерода также перспективны для использования в будущих высокотемпературных солнечных и ядерных электростанциях.
Газовые турбины часто используются на кораблях , локомотивах , вертолетах , танках и в меньшей степени на автомобилях, автобусах и мотоциклах.
Ключевое преимущество реактивных и турбовинтовых двигателей самолетов – их превосходные характеристики на большой высоте по сравнению с поршневыми двигателями, особенно безнаддувными , – не имеет значения в большинстве автомобильных применений. Их преимущество в соотношении мощности к весу, хотя и менее критичное, чем у самолетов, все же важно.
Газовые турбины представляют собой мощный двигатель в очень маленьком и легком корпусе. Однако они не так отзывчивы и эффективны, как небольшие поршневые двигатели, в широком диапазоне оборотов и мощности, необходимых в транспортных средствах. В серийных гибридных транспортных средствах, поскольку ведущие электродвигатели механически отделены от двигателя, вырабатывающего электроэнергию, проблемы с отзывчивостью, плохой производительностью на низкой скорости и низким КПД при низкой мощности имеют гораздо меньшее значение. Турбина может работать на оптимальной для ее выходной мощности скорости, а батареи и ультраконденсаторы могут подавать энергию по мере необходимости, при этом двигатель включается и выключается, чтобы обеспечить его работу только с высокой эффективностью. Появление бесступенчатой трансмиссии также может облегчить проблему отзывчивости.
Исторически турбины было дороже производить, чем поршневые двигатели, хотя отчасти это связано с тем, что поршневые двигатели производились серийно в огромных количествах на протяжении десятилетий, а небольшие газотурбинные двигатели - редкость; однако турбины производятся серийно в близкой к ним форме турбокомпрессора .
Турбокомпрессор представляет собой компактную и простую радиальную газовую турбину со свободным валом, приводящуюся в движение выхлопными газами поршневого двигателя . Колесо центростремительной турбины приводит в движение колесо центробежного компрессора через общий вращающийся вал. Это колесо нагнетает воздухозаборник двигателя до такой степени, что ее можно контролировать с помощью перепускной заслонки или путем динамического изменения геометрии корпуса турбины (как в турбонагнетателе с изменяемой геометрией ). В основном он служит устройством рекуперации энергии, которое преобразует большую часть теряемой в противном случае тепловой и кинетической энергии в наддув двигателя.
Двигатели с турбонаддувом (фактически используемые на некоторых полуприцепах ) оснащены продувочными турбинами, которые по конструкции и внешнему виду аналогичны турбокомпрессору, за исключением того, что вал турбины механически или гидравлически соединен с коленчатым валом двигателя, а не с центробежным компрессором. , тем самым обеспечивая дополнительную мощность вместо повышения. Турбокомпрессор представляет собой турбину давления, а турбина рекуперации мощности является скоростной. [ нужна цитата ]
Ряд экспериментов был проведен с автомобилями с газотурбинными двигателями , самый крупный из которых был проведен компанией Chrysler . [52] [53] Совсем недавно появился некоторый интерес к использованию газотурбинных двигателей для гибридных электромобилей. Например, консорциум, возглавляемый компанией по производству микрогазовых турбин Bladon Jets , получил инвестиции от Совета по технологической стратегии на разработку сверхлегкого расширителя запаса хода (ULRE) для электромобилей следующего поколения. Целью консорциума, в который входят производитель роскошных автомобилей 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 автомобильной промышленности. [54]
Обычный турбокомпрессор для бензиновых или дизельных двигателей также является производным от турбины.
Первое серьезное исследование использования газовой турбины в автомобилях было проведено в 1946 году, когда два инженера, Роберт Кафка и Роберт Энгерштейн из нью-йоркской инженерной фирмы Carney Associates, придумали концепцию, согласно которой уникальная конструкция компактного газотурбинного двигателя будет обеспечивать мощность для заднеприводный автомобиль. После появления статьи в Popular Science дальнейшей работы, кроме бумажной стадии, не было. [55]
В 1950 году конструктор Ф. Р. Белл и главный инженер Морис Уилкс из британской автопроизводительницы Rover представили первый автомобиль с газотурбинным двигателем. У двухместного JET1 двигатель располагался за сиденьями, воздухозаборные решетки располагались по обеим сторонам автомобиля, а выхлопные патрубки - в верхней части хвостовой части. Во время испытаний автомобиль достиг максимальной скорости 140 км/ч (87 миль в час) при частоте вращения турбины 50 000 об/мин. После показа в Великобритании и США в 1950 году JET1 получил дальнейшее развитие и в июне 1952 года прошел скоростные испытания на шоссе Яббеке в Бельгии, где его скорость превысила 240 км/ч (150 миль в час). [56] Автомобиль работал на бензине , парафине (керосине) или дизельном топливе, но проблемы с расходом топлива оказались непреодолимыми для серийного автомобиля. JET1 выставлен в Лондонском музее науки .
Французский автомобиль с турбинным двигателем SOCEMA-Grégoire был представлен на Парижском автосалоне в октябре 1952 года . Его спроектировал французский инженер Жан-Альбер Грегуар . [57]
Первым автомобилем с турбинным двигателем, построенным в США, был GM Firebird I , испытания которого начались в 1953 году. Хотя по фотографиям Firebird я могу предположить, что тяга реактивной турбины приводила в движение автомобиль, как самолет, на самом деле турбина приводила в движение задние колеса. Firebird I никогда не задумывался как коммерческий легковой автомобиль и создавался исключительно для испытаний и оценки, а также в целях связей с общественностью. [58] Дополнительные концептуальные автомобили Firebird, каждый из которых оснащен газовыми турбинами, были разработаны для автосалонов Motorama в 1953, 1956 и 1959 годах. Газотурбинный двигатель GM Research также устанавливался на серию транзитных автобусов , начиная с Turbo-Cruiser I 1953 года .
Начиная с 1954 года с модифицированного Plymouth , [60] американский производитель автомобилей Chrysler продемонстрировал несколько прототипов автомобилей с газотурбинными двигателями с начала 1950-х по начало 1980-х годов. В 1963 году компания Chrysler построила пятьдесят автомобилей Chrysler Turbine Cars и провела единственные потребительские испытания автомобилей с газотурбинными двигателями. [61] В каждой из их турбин использовался уникальный вращающийся рекуператор , называемый регенератором, который повышал эффективность. [60]
В 1954 году компания Fiat представила концепт-кар с газотурбинным двигателем, получивший название Fiat Turbina . В этом транспортном средстве, похожем на самолет с колесами, использовалось уникальное сочетание реактивной тяги и двигателя, приводящего в движение колеса. Заявленная скорость составляла 282 км/ч (175 миль в час). [62]
В 1960-е годы Ford и GM также занимались разработкой газотурбинных полуприцепов. Форд представил Big Red на Всемирной выставке 1964 года . [63] Вместе с прицепом он имел длину 29 м (96 футов), высоту 4,0 м (13 футов) и был окрашен в малиново-красный цвет. Он содержал разработанный Ford газотурбинный двигатель с выходной мощностью и крутящим моментом 450 кВт (600 л.с.) и 1160 Нм (855 фунт-футов). В кабине была карта шоссе континентальной части США, мини-кухня, ванная комната и телевизор для штурмана. Судьба грузовика была неизвестна в течение нескольких десятилетий, но в начале 2021 года он был вновь обнаружен в частных руках и восстановлен в рабочем состоянии. [64] [65] Подразделение Chevrolet компании GM построило серию концептуальных грузовиков Turbo Titan с газотурбинными двигателями как аналоги концептов Firebird, включая Turbo Titan I ( ок. 1959 г. , двигатель GT-304 разделяет двигатель GT-304 с Firebird II), Turbo Titan. II ( ок. 1962 г. , двигатель GT-305 разделяет с Firebird III) и Turbo Titan III (1965 г., двигатель GT-309); кроме того, на Всемирной выставке 1964 года был показан газотурбинный грузовик GM Bison. [66]
В результате внесения поправок в Закон США о чистом воздухе 1970 года были профинансированы исследования по разработке технологии автомобильных газовых турбин. [67] Концепции дизайна и транспортных средств были разработаны компаниями Chrysler , General Motors , Ford (в сотрудничестве с AiResearch ) и American Motors (совместно с Williams Research ). [68] Для оценки сопоставимой экономической эффективности были проведены долгосрочные испытания. [69] Несколько AMC Hornets 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. [70] [71] [72]
В 1982 году General Motors использовала Oldsmobile Delta 88 с газовой турбиной, работающей на пылевидной угольной пыли. В то время считалось, что это позволит Соединенным Штатам и западному миру уменьшить зависимость от ближневосточной нефти [73] [74] [75]
Toyota продемонстрировала несколько концепт-каров с газотурбинными двигателями, таких как газотурбинный гибрид Century в 1975 году, Sports 800 Gas Turbine Hybrid в 1979 году и GTV в 1985 году. Серийных автомобилей не производилось. Двигатель GT24 был выставлен в 1977 году без автомобиля.
В начале 1990-х годов компания Volvo представила Volvo ECC , гибридный электромобиль с газотурбинным двигателем . [76]
В 1993 году компания General Motors представила первый коммерческий гибридный автомобиль с газотурбинным двигателем — ограниченную серию гибридов серии EV-1 . Турбина Williams International мощностью 40 кВт приводила в движение генератор переменного тока, который приводил в действие аккумуляторно-электрическую трансмиссию . В конструкцию турбины включен рекуператор. В 2006 году GM совместно с Джеем Лено занялась проектом концептуального автомобиля EcoJet .
На Парижском автосалоне 2010 года компания Jaguar продемонстрировала концепт-кар Jaguar C-X75 . Этот суперкар с электрическим приводом развивает максимальную скорость 204 миль в час (328 км/ч) и может разгоняться 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, общая мощность которых составляет 780 л.с. Он проедет 68 миль (109 км) на одном заряде аккумуляторов и использует пару газовых турбин Bladon Micro для подзарядки аккумуляторов, увеличивая запас хода до 560 миль (900 км). [77]
Первый гоночный автомобиль (только концептуально), оснащенный турбиной, был создан в 1955 году группой ВВС США в качестве хобби-проекта с турбиной, предоставленной им взаймы компанией Boeing, и гоночным автомобилем, принадлежавшим компании Firestone Tire & Rubber. [78] Первый гоночный автомобиль, оснащенный турбиной для настоящих гонок, был создан компанией Rover, и команда Формулы-1 BRM объединила усилия для производства Rover-BRM , купе с газотурбинным двигателем, которое участвовало в гонке «24 часа Ле-Мана» 1963 года. , управляемый Грэмом Хиллом и Ричи Гинтером . Его средняя скорость составляла 107,8 миль в час (173,5 км/ч), а максимальная скорость — 142 миль в час (229 км/ч). Американец Рэй Хеппенстолл объединил усилия Howmet Corporation и McKee Engineering в 1968 году для разработки собственного газотурбинного спортивного автомобиля Howmet TX , который участвовал в нескольких американских и европейских соревнованиях, включая две победы, а также участвовал в гонках « 24 часа Ле-Мана» 1968 года . В автомобилях использовались газовые турбины Continental , которые в конечном итоге установили шесть рекордов скорости FIA для автомобилей с турбинными двигателями. [79]
Что касается гонок на открытых колесах , революционный автомобиль STP-Paxton Turbocar 1967 года, выставленный легендой гонок и предпринимательства Энди Гранателли и управляемый Парнелли Джонсом , почти выиграл гонку Индианаполис 500 ; Автомобиль Pratt & Whitney ST6B-62 с турбинным двигателем почти на круг опередил машину, занявшую второе место, когда всего за три круга до финиша вышел из строя подшипник коробки передач. В следующем году турбинный автомобиль STP Lotus 56 выиграл поул-позицию Indianapolis 500, несмотря на то, что новые правила резко ограничили подачу воздуха. В 1971 году руководитель команды Lotus Колин Чепмен представил автомобиль Lotus 56B F1, оснащенный газовой турбиной Pratt & Whitney STN 6/76 . Чепмен имел репутацию производителя радикальных автомобилей, выигравших чемпионаты, но ему пришлось отказаться от проекта, потому что было слишком много проблем с турбо-лагом .
General Motors установила серию газовых турбин GT-30x (под торговой маркой «Whirlfire») на несколько прототипов автобусов в 1950-х и 1960-х годах, включая Turbo-Cruiser I (1953, GT-300); Турбо-Круизер II (1964, ГТ-309); Турбо-Круизер III (1968, ГТ-309); РТХ (1968, ГТ-309); и РТС 3Т (1972). [80]
Появление Capstone Turbine привело к созданию нескольких проектов гибридных автобусов, начиная с HEV-1, разработанного компанией AVS из Чаттануги, штат Теннесси, в 1999 году, за которым внимательно следили Ebus и ISE Research в Калифорнии, а также DesignLine Corporation в Новой Зеландии (а позже и United States Research). Состояния). Гибриды турбин AVS столкнулись с проблемами надежности и контроля качества, что привело к ликвидации AVS в 2003 году. Самая успешная конструкция Designline сейчас эксплуатируется в 5 городах в 6 странах, по всему миру эксплуатируется более 30 автобусов, а заказ на несколько сотен доставлено в Балтимор и Нью-Йорк.
Брешиа, Италия , использует серийные гибридные автобусы с микротурбинами на маршрутах через исторические районы города. [81]
MTT Turbine Superbike появился в 2000 году (отсюда и обозначение Y2K Superbike от MTT) и является первым серийным мотоциклом, оснащенным газотурбинным двигателем, а именно турбовальным двигателем Rolls-Royce Allison модели 250 мощностью около 283 кВт (380 л.с.). Протестированный на скорости до 365 км/ч или 227 миль в час (по некоторым сведениям, во время испытаний команда тестировщиков выехала за пределы дороги), он занесен в Книгу рекордов Гиннеса как самый мощный серийный мотоцикл и самый дорогой серийный мотоцикл с ценником. в размере 185 000 долларов США.
Несколько классов локомотивов оснащены газовыми турбинами, последним из которых является JetTrain компании Bombardier .
Отдел разработки Вермахта Третьего рейха , Heereswaffenamt (Армейский совет по артиллерийскому вооружению), начиная с середины 1944 года изучал ряд конструкций газотурбинных двигателей для использования в танках. Первый газотурбинный двигатель конструкции, предназначенный для использования в силовой установке боевой бронированной машины, GT 101 на базе BMW 003 , предназначался для установки на танк «Пантера» . [82] К концу войны « Ягдтигр» был оснащен одной из вышеупомянутых газовых турбин. [83]
Второе использование газовой турбины в боевой бронированной машине произошло в 1954 году, когда агрегат PU2979, специально разработанный для танков компанией CA Parsons and Company , был установлен и испытан на британском танке Conqueror . [84] 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 Т-80 и американских танках M1 Abrams и других. Они легче и меньше дизельных двигателей при той же продолжительной мощности, но модели, установленные на сегодняшний день, менее экономичны, чем эквивалентный дизель, особенно на холостом ходу, и им требуется больше топлива для достижения той же боевой дальности. В последующих моделях M1 эта проблема была решена с помощью аккумуляторных блоков или вторичных генераторов для питания систем танка во время стоянки, что позволяет экономить топливо за счет уменьшения необходимости остановки основной турбины на холостом ходу. На Т-80 можно установить три больших внешних топливных бака для увеличения дальности полета. Россия прекратила производство Т-80 в пользу дизельного Т-90 (на базе Т-72 ), а Украина разработала дизельные Т-80УД и Т-84, мощность которых почти аналогична газовой. - бак турбины. Дизельная силовая установка французского танка «Леклерк » оснащена гибридной системой наддува «Hyperbar», в которой турбонагнетатель двигателя полностью заменен небольшой газовой турбиной, которая также работает как вспомогательный турбокомпрессор дизельного выхлопа, обеспечивая независимое от оборотов двигателя регулирование уровня наддува и более высокий уровень наддува. максимальное давление наддува, которое необходимо достичь (чем при использовании обычных турбокомпрессоров). Эта система позволяет использовать в качестве силовой установки танка двигатель меньшего объема и более легкий, а также эффективно устраняет турболаг . Эта специальная газовая турбина/турбокомпрессор также может работать независимо от основного двигателя как обычная ВСУ.
Теоретически турбина более надежна и проще в обслуживании, чем поршневой двигатель, поскольку она имеет более простую конструкцию с меньшим количеством движущихся частей, но на практике детали турбины изнашиваются с более высокой скоростью из-за более высоких рабочих скоростей. Лопатки турбины очень чувствительны к пыли и мелкому песку, поэтому при эксплуатации в пустыне воздушные фильтры приходится устанавливать и менять несколько раз в день. Неправильно установленный фильтр, а также пуля или осколок снаряда, пробившие фильтр, могут повредить двигатель. Поршневые двигатели (особенно с турбонаддувом) также нуждаются в ухоженных фильтрах, но они более устойчивы, если фильтр выйдет из строя.
Как и большинство современных дизелей, используемых в танках, газовые турбины обычно являются многотопливными двигателями.
Газовые турбины используются на многих военно-морских кораблях , где их ценят за высокое соотношение мощности и веса, а также за их ускорение и способность быстро двигаться.
Первым военно-морским кораблем с газотурбинным двигателем стала канонерская лодка Королевского флота MGB 2009 (ранее MGB 509 ), переоборудованная в 1947 году. Metropolitan-Vickers оснастила свой реактивный двигатель F2/3 силовой турбиной. Паровой артиллерийский катер Grey Goose был переоборудован под газовые турбины Rolls-Royce в 1952 году и эксплуатировался в этом качестве с 1953 года. [85] Быстроходные патрульные катера класса Bold Bold Pioneer и Bold Pathfinder , построенные в 1953 году, были первыми кораблями, созданными специально для газотурбинной установки. . [86]
Первыми крупномасштабными кораблями с частично газотурбинными двигателями были фрегаты Королевского флота Тип 81 (класс Tribal) с комбинированными паровыми и газовыми силовыми установками. Первый, HMS Ashanti , был введен в строй в 1961 году.
В 1961 году ВМС Германии спустили на воду первый фрегат класса Köln с двумя газовыми турбинами Brown, Boveri & Cie и первой в мире комбинированной дизель-газовой двигательной установкой.
В 1962 году в состав ВМФ СССР вступил первый из 25 эсминцев типа «Кашин» с четырьмя газовыми турбинами в комбинированной газогазовой двигательной установке. На этих судах использовались 4 газовые турбины M8E мощностью 54 000–72 000 кВт (72 000–96 000 л.с.). Эти корабли были первыми в мире крупными кораблями, приводившимися в движение исключительно газовыми турбинами.
ВМС Дании имели на вооружении с 1965 по 1990 год 6 торпедных катеров класса Søløven (экспортная версия британского быстроходного патрульного катера класса Brave ), которые имели 3 морские газовые турбины Bristol Proteus (позже RR Proteus) мощностью 9 510 кВт (12 750 л.с.). ) вместе, а также два дизельных двигателя General Motors мощностью 340 кВт (460 л.с.) для лучшей экономии топлива на более низких скоростях. [87] И они также произвели 10 торпедных/ракетных катеров класса Willemoes (находившихся на вооружении с 1974 по 2000 год), которые имели 3 газовые турбины Rolls-Royce Marine Proteus, также мощностью 9 510 кВт (12 750 л.с.), такие же, как лодки класса Søløven. и 2 дизельных двигателя General Motors мощностью 600 кВт (800 л.с.), также обеспечивающих экономию топлива на малых скоростях. [88]
В период с 1966 по 1967 год ВМС Швеции произвели шесть торпедных катеров класса Spica с тремя турбинами Bristol Siddeley Proteus 1282 , каждая мощностью 3210 кВт (4300 л.с.). Позже к ним присоединились 12 модернизированных кораблей класса Norrköping, все еще с теми же двигателями. После замены кормовых торпедных аппаратов на противокорабельные ракеты они служили ракетными катерами, пока последний не был списан в 2005 году. [89]
В 1968 году ВМС Финляндии ввели в строй два корвета класса Турунмаа , Турунмаа и Карьяла . Они были оснащены одной газовой турбиной Rolls-Royce Olympus TM1 мощностью 16 410 кВт (22 000 л.с.) и тремя судовыми дизелями Wärtsilä для более низких скоростей. Это были самые быстроходные корабли ВМС Финляндии; они регулярно достигали скорости 35 узлов, а во время ходовых испытаний — 37,3 узла. «Турунмаа » были выведены из эксплуатации в 2002 году. Сегодня «Карьяла» является кораблем-музеем в Турку , а «Турунмаа» служит плавучим механическим цехом и учебным судном для Политехнического колледжа Сатакунта.
Следующей серией крупных военно-морских кораблей были четыре канадских эсминца-вертолета класса « Ирокез » , впервые вступившие в строй в 1972 году. Они использовали главные маршевые двигатели 2 фута 4, 2 маршевых двигателя фута 12 и 3 генератора Solar Saturn мощностью 750 кВт.
_Gas_Turbine.jpg/1280px-USS_Ford_(FFG-54)_Gas_Turbine.jpg)
Первым кораблем с газотурбинным двигателем в США был « Пойнт Тэтчер » береговой охраны США — катер, введенный в эксплуатацию в 1961 году и оснащенный двумя турбинами мощностью 750 кВт (1000 л.с.) с гребными винтами регулируемого шага. [90] Более крупные катера High Endurance Cutter класса Hamilton были первым классом более крупных катеров, в которых использовались газовые турбины, первая из которых ( USCGC Hamilton ) была введена в эксплуатацию в 1967 году. С тех пор они использовались на судне Oliver Hazard Perry ВМС США . фрегаты класса « Спруэнс» и «Арли Берк» и крейсеры управляемого ракетного оружия класса «Тикондерога» . USS Makin Island , модифицированный десантный корабль класса Wasp , станет первым десантным кораблем ВМФ с газовыми турбинами. Судовая газовая турбина работает в более агрессивной атмосфере из-за присутствия морской соли в воздухе и топливе и использования более дешевого топлива.
До конца 1940-х годов большая часть разработки морских газовых турбин во всем мире осуществлялась в конструкторских бюро и моторостроительных мастерских, а опытно-конструкторские работы велись британским Королевским флотом и другими военно-морскими силами. 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 проектов по морским коммерческим судам.
В 1951 году дизель-электрический нефтяной танкер Auris дедвейтом 12 290 тонн (DWT) использовался для получения опыта эксплуатации главной газовой турбины в условиях эксплуатации в море и стал первым океанским торговым судном, работавшим на газовом топливе. турбина. Построенный компанией Hawthorn Leslie в Хебберн-он-Тайн , Великобритания, в соответствии с планами и спецификациями, составленными Anglo-Saxon Petroleum Company, и спущенный на воду в 1947 году, в день 21-го дня рождения британской принцессы Елизаветы , корабль был спроектирован с машинным отделением. компоновка, которая позволила бы экспериментально использовать тяжелое топливо в одном из его высокооборотных двигателей, а также в будущем заменить один из его дизельных двигателей газовой турбиной. [91] Auris эксплуатировался в коммерческих целях в качестве танкера в течение трех с половиной лет с дизель-электрической силовой установкой в том виде, в каком она была первоначально введена в эксплуатацию, но в 1951 году один из четырех дизельных двигателей мощностью 824 кВт (1105 л.с.), которые были известны как «Вера», «Надежда», «Благотворительность» и «Пруденс» - были заменены первым в мире судовым газотурбинным двигателем, газовым турбогенератором открытого цикла мощностью 890 кВт (1200 л.с.), построенным британской компанией Thompson-Houston Company в Регби. . После успешных ходовых испытаний у побережья Нортумбрии, Auris в октябре 1951 года отплыл из Хебберн-он-Тайн 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 переход. -Переход через Атлантику. Все это время в море газовая турбина сжигала дизельное топливо и работала без непроизвольной остановки или каких-либо механических проблем. Впоследствии она посетила Суонси, Халл, Роттердам , Осло и Саутгемптон, преодолев в общей сложности 13 211 морских миль. Затем на Auris были заменены все силовые установки на газовую турбину с прямым соединением мощностью 3910 кВт (5250 л.с.), что стало первым гражданским судном, работающим исключительно на мощности газовой турбины.
Несмотря на успех этого раннего экспериментального путешествия, газовая турбина не заменила дизельный двигатель в качестве силовой установки на крупных торговых судах. На постоянных крейсерских скоростях дизельному двигателю просто не было 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. [92]
Морская комиссия США искала варианты обновления кораблей Liberty времен Второй мировой войны , и одним из выбранных были газовые турбины большой мощности. В 1956 году John Sergeant был удлинен и оснащен газовой турбиной General Electric HD мощностью 4900 кВт (6600 л.с.) с регенерацией выхлопных газов, понижающей передачей и гребным винтом изменяемого шага . Он проработал 9700 часов на остаточном топливе ( Бункер С ) в течение 7000 часов. Эффективность использования топлива была на уровне паровой тяги при 0,318 кг/кВт (0,523 фунта/л.с.) в час [93] , а выходная мощность оказалась выше ожидаемой и составила 5603 кВт (7514 л.с.) из-за температуры окружающей среды на Северном морском пути. быть ниже расчетной температуры газовой турбины. Это дало кораблю скорость в 18 узлов по сравнению с 11 узлами с исходной силовой установкой и значительно превышающую запланированные 15 узлов. Корабль совершил свой первый трансатлантический переход со средней скоростью 16,8 узла, несмотря на ненастную погоду по пути. Подходящее топливо для бункера C было доступно только в ограниченных портах, поскольку качество топлива имело решающее значение. Мазут также необходимо было обрабатывать на борту, чтобы уменьшить количество загрязнений, и это был трудоемкий процесс, который в то время не подходил для автоматизации. В конечном итоге испытания гребного винта изменяемого шага, который имел новую и непроверенную конструкцию, завершились, поскольку три последовательных ежегодных проверки выявили растрескивание под напряжением. Однако это не отразилось плохо на концепции морской газотурбинной установки, и испытания в целом прошли успешно. Успех этого испытания открыл путь для дальнейших разработок GE в области использования газовых турбин высокого давления для использования на судах на тяжелом топливе. [94] Джон Сержант был списан в 1972 году в Портсмуте, Пенсильвания.
В апреле 1974 года компания Boeing спустила на воду свой первый пассажирский водометный самолет Boeing 929 на подводных крыльях . Эти корабли были оснащены двумя газовыми турбинами Allison 501 -KF. [95]
В период с 1971 по 1981 год компания Seatrain Lines осуществляла регулярные контейнерные перевозки между портами восточного побережья США и портами северо-западной Европы через Северную Атлантику с помощью четырех контейнеровозов дедвейтом 26 000 тонн. Эти корабли были оснащены сдвоенными газовыми турбинами Pratt & Whitney серии FT 4. Четыре корабля этого класса были названы Euroliner , Eurofreighter , Asialiner и Asiafreighter . После резкого повышения цен Организации стран-экспортеров нефти (ОПЕК) в середине 1970-х годов деятельность была ограничена ростом цен на топливо. Некоторая модификация систем двигателей на этих кораблях была предпринята для обеспечения возможности сжигания топлива более низкого качества (например, судового дизеля ). Снижение затрат на топливо было успешным при использовании другого непроверенного топлива в морской газовой турбине, но затраты на техническое обслуживание увеличились с заменой топлива. После 1981 года корабли были проданы и переоборудованы более экономичными по тем временам дизельными двигателями, но увеличенный размер двигателя уменьшил грузовое пространство. [ нужна 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 мощность 55 000 кВт (74 000 л.с.) и разгоняющими судно до скорости 31 узел. Однако Finnjet также продемонстрировал недостатки газотурбинной установки на коммерческих судах, поскольку высокие цены на топливо делали ее эксплуатацию нерентабельной. После четырех лет службы на судне были установлены дополнительные дизельные двигатели для снижения эксплуатационных расходов в межсезонье. Finnjet также был первым кораблем с комбинированной дизель-электрической и газовой силовой установкой. Еще одним примером коммерческого использования газовых турбин на пассажирском судне являются быстроходные паромы класса HSS компании Stena Line . На судах Stena Explorer , Stena Voyager и Stena Discovery класса HSS 1500 используются комбинированные газовые и газовые установки, состоящие из двух двигателей GE LM2500 и мощности GE LM1600 общей мощностью 68 000 кВт (91 000 л.с.). Немного меньшая по размеру модель Stena Carisma класса HSS 900 использует сдвоенные турбины ABB – STAL GT35 общей мощностью 34 000 кВт (46 000 л.с.). Stena Discovery был выведен из эксплуатации в 2007 году, став еще одной жертвой слишком высоких цен на топливо. [ нужна цитата ]
В июле 2000 года « Миллениум» стал первым круизным лайнером , оснащенным газовыми и паровыми турбинами. На корабле было два газотурбинных генератора General Electric LM2500, тепло выхлопных газов которых использовалось для работы паротурбинного генератора в конфигурации COGES (комбинированная газоэлектрическая и паровая конфигурация). Движение обеспечивалось двумя азимутальными гондолами Rolls-Royce Mermaid с электрическим приводом. На лайнере RMS Queen Mary 2 используется комбинированная дизель-газовая конфигурация. [96]
В морских гонках катамаран Mystic C5000 Miss GEICO 2010 года использует в качестве силовой системы две турбины Lycoming T-55. [ нужна цитата ]
Газотурбинные технологии неуклонно развивались с момента своего создания и продолжают развиваться. Разработки активно производят как газовые турбины меньшего размера, так и более мощные и экономичные двигатели. Этим достижениям способствуют компьютерное проектирование (в частности , вычислительная гидродинамика и анализ методом конечных элементов ) и разработка современных материалов: базовые материалы с превосходной жаропрочностью (например, монокристаллические суперсплавы , демонстрирующие аномалии предела текучести ) или термический барьер. покрытия , защищающие конструкционный материал от все более высоких температур. Эти достижения позволяют повысить степень сжатия и температуру на входе в турбину, обеспечить более эффективное сгорание и лучшее охлаждение деталей двигателя.
Вычислительная гидродинамика (CFD) способствовала существенному улучшению производительности и эффективности компонентов газотурбинных двигателей благодаря лучшему пониманию сложных процессов вязкого течения и связанных с ними явлений теплопередачи. По этой причине CFD является одним из ключевых вычислительных инструментов, используемых при проектировании и разработке газотурбинных двигателей [97] [98] .
КПД простого цикла первых газовых турбин был практически удвоен за счет включения промежуточного охлаждения, регенерации (или рекуперации) и повторного нагрева. Эти улучшения, конечно, происходят за счет увеличения первоначальных и эксплуатационных затрат, и они не могут быть оправданы, если снижение затрат на топливо не компенсирует увеличение других затрат. Относительно низкие цены на топливо, общее стремление отрасли минимизировать затраты на установку и огромное увеличение эффективности простого цикла примерно до 40 процентов не оставляли особого желания выбирать эти модификации. [99]
Что касается выбросов, задача состоит в том, чтобы повысить температуру на входе в турбину и в то же время снизить 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 для газовой турбины мощностью 320 мегаватт и 460 МВт для электростанций с комбинированным циклом газовой турбины, в которых общий тепловой КПД превышает 60%. [100]
Соответствующие требованиям фольгированные подшипники были коммерчески внедрены в газовые турбины в 1990-х годах. Они выдерживают более ста тысяч циклов пуска/останова и устраняют необходимость в масляной системе. Применение микроэлектроники и технологии переключения мощности позволило разработать коммерчески жизнеспособное производство электроэнергии с помощью микротурбин для распределения и движения транспортных средств.
Ниже приведены преимущества и недостатки газотурбинных двигателей: [101]
Преимущества включают в себя:
К недостаткам относятся:
Британские, немецкие и другие национальные и международные правила испытаний используются для стандартизации процедур и определений, используемых для испытаний газовых турбин. Выбор используемого кода испытаний является соглашением между покупателем и производителем и имеет определенное значение для конструкции турбины и связанных с ней систем. В Соединенных Штатах ASME разработало несколько правил испытаний производительности газовых турбин. Сюда входит ASME PTC 22–2014. Эти правила испытаний производительности ASME получили международное признание и признание для испытаний газовых турбин. Единственная наиболее важная и отличительная характеристика кодов испытаний производительности ASME, включая PTC 22, заключается в том, что неопределенность измерения указывает на качество испытания и не должна использоваться в качестве коммерческого допуска.
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на январь 2024 г. ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )