Марк Левин - Машина-двигатель

Итак, мощность, развиваемая турбиной, будет частично затрачиваться на вращение компрессора, но от этого еще толку мало. Ведь компрессор обслуживает самое же турбину. Вот та другая часть мощности, которую турбина отдает электрогенератору, — эта мощность будет полезной, ее можно использовать на внешние нужды.

Значит, задача инженеров состоит в том, чтобы создать установку, где как можно меньше мощности затрачивалось бы на привод компрессора и как можно больше — на привод электрогенератора.

Такая простейшая схема установки не позволяет получить коэффициент полезного действия турбины свыше 15–22 % даже при температуре газа в 500–700 °C.

Обычно нет смысла менять дизели или паровые турбины, где коэффициент полезного действия выше, на установки этого типа.

Но вот, если между компрессором и камерой сгорания поместить простой теплообменный аппарат — «регенератор», в котором всасываемый воздух подогревался бы выхлопными газами турбины, тогда будет использовано тепло и этих газов, отчего коэффициент полезного действия установки может даже превышать 30 % и приблизиться к коэффициенту полезного действия лучших паровых турбин.

Ну, а если добавить еще некоторые устройства, то коэффициент полезного действия такой газовой турбины можно довести до 35 %, то есть догнать некоторые типы поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Турбинная установка, о которой только что было рассказано, называется еще установкой открытой схемы. Так она называется потому, что рабочее тело — воздух — поступает из атмосферы (по стрелке «а»), а отработавшие газы тоже выбрасываются в атмосферу (по стрелке «б»).

Посмотрим, как работает газотурбинная установка закрытой схемы.

Такая турбина тоже имеет компрессор, который нагнетает воздух. Но нагнетание происходит не в камеру сгорания, а в змеевик воздушного котла.

Воздушный котел имеет почти такую же топку, что и паровой котел. Только здесь теплом сгорания топлива нагревается не вода, а воздух, проходящий по трубам змеевика через топку.

Таким образом, компрессор, нагнетая воздух через котел, заставляет этот воздух нагреваться, отчего увеличивается его способность производить работу. Затем воздух проходит в полость турбины, совершает работу, расширяется и дальше не выбрасывается в атмосферу, а проходит через регенератор, холодильник и обратно к компрессору.

Здесь, на рисунке, показана одна из первых газотурбинных установок с регенератором, построенная нашими заводами.

Обратим внимание на два устройства: регенератор и холодильник.

Вы уже знаете, зачем нужен регенератор. Так же как отработавшие газы в турбине внутреннего сгорания, отработавший воздух здесь выходит еще с достаточно высокой температурой и своим теплом может подогреть воздух, поступающий из компрессора в котел. Этот подогрев и происходит в регенераторе.

А вот зачем холодильник?

Но мы ведь уже знаем, что для работы теплового двигателя, кроме «источника тепла», должен иметься и «источник холода». То есть тепло должно не только подводиться, но и отводиться.

Вот холодильник и отводит от рабочего тела то тепло, которое осталось неиспользованным в турбине и регенераторе. При этом воздух перед поступлением в компрессор охлаждается, и мощность, которую надо затратить на привод компрессора, снижается.

Схема газотурбинной установки замкнутого цикла (внешнего сгорания).

Таким образом, рабочий воздух турбины совершает замкнутый путь: холодильник — компрессор — регенератор (подогревается) — котел (нагревается до высокой температуры) — турбина (расширяется и охлаждается, совершая внешнюю работу) — регенератор (отдает тепло воздуху, поступающему в котел) — холодильник.

А что же является «источником холода», охладителем, в разомкнутой схеме? Там ведь нет холодильника!

Так же как и для двигателей внутреннего сгорания, этим источником является здесь наружная атмосфера.

Газотурбинную установку замкнутой схемы можно назвать еще и турбоустановкой внешнего сгорания, так как топливо здесь не соединяется с рабочим воздухом и сгорает в отдельном котле.

Не правда ли, — газотурбинные установки, с которыми мы только что познакомились, существенно отличаются от дымовой вертушки? А между тем первые промышленные турбины, которые появились лишь в 1936–1937 годах, работали, почти повторяя принцип этой вертушки.

Дело в том, что на некоторых химических заводах при получении основного продукта выделяется много горячих газов, уходящих в атмосферу. Вот и появилась идея — использовать энергию этих газов, поставить на их пути турбину.

Таким образом, первые современные газовые турбины не имели своей камеры сгорания, работали на энергии газов — отходов химического производства — и по существу повторяли «дымовую вертушку» Леонардо да Винчи…

Однако эти «вертушки» были уже весьма мощными двигателями, — они развивали энергию около 7000 лошадиных сил.

Без собственной камеры сгорания работает и еще один тип газовых турбин — газотурбовоздуходувки двигателей внутреннего сгорания.

В 1905 году инженер Бюхи предложил использовать энергию выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания в специальной турбине, которая приводила бы во вращение компрессор — воздуходувку, а та, в свою очередь, нагнетала бы в двигатель воздух для продувки (если двигатель двухтактный) и для наддува.

Что такое продувка, — вы знаете. А вот что такое наддув?

Если в цилиндр двигателя газ или воздух будет не просто засасываться под атмосферным давлением, а принудительно нагнетаться отдельным компрессором, то в цилиндре окажется за тот же такт всасывания больший по весу заряд свежей рабочей смеси, то есть произойдет «наддув» цилиндра.

Значит, и топлива при этом может сгорать больше, и тепла выделиться больше, и давления газов на поршень будут выше, и в целом возрастет мощность двигателя.

Теперь очень много таких двигателей, главным образом дизелей, которые работают с наддувом. В большинстве случаев этот наддув — газотурбинный.

Если говорить об области техники, где газовая турбина уже сегодня заняла прочное место, то речь должна идти именно о газотурбовоздуходувках для дизелей.

Газотурбовоздуходувка для дизелей (верхняя половина корпуса снята).