Газовая турбина - Gas turbine

Примеры конфигураций газовых турбин: (1) турбореактивный, (2) турбовинтовой, (3) турбовальный (электрогенератор), (4) байпас высокого давления турбовентилятор, (5) байпас низкого давления дожигание турбовентилятор

А газовая турбина, также называемый турбина внутреннего сгорания, это тип непрерывный и двигатель внутреннего сгорания. Основными элементами, общими для всех газотурбинных двигателей, являются:

Четвертый компонент часто используется для повышения эффективности (на турбовинтовые и турбовентиляторы ), для преобразования энергии в механическую или электрическую форму (на турбовалы и электрические генераторы ), или добиться большего тяговооруженность (на дожигание двигатели).

Основная работа газовой турбины - это Цикл Брайтона с воздухом как рабочая жидкость: атмосферный воздух проходит через компрессор, что повышает его давление; энергия затем добавляется путем распыления топлива в воздухе и его воспламенения, так что при сгорании образуется высокотемпературный поток; этот высокотемпературный сжатый газ поступает в турбину, производя в процессе работу вала, используемую для привода компрессора; неиспользованная энергия поступает в выхлопные газы, которые можно использовать для внешней работы, например, для прямого производства толкать в турбореактивный двигатель или вращая вторую независимую турбину (известную как силовая турбина), который можно подключить к вентилятору, гребному винту или электрическому генератору. Назначение газовой турбины определяет конструкцию, так что достигается наиболее желаемое разделение энергии между тягой и работой вала. Четвертый этап цикла Брайтона (охлаждение рабочего тела) опускается, так как газовые турбины открытые системы которые не используют повторно один и тот же воздух.

Газовые турбины используются для питания самолетов, поездов, кораблей, электрических генераторов, насосов, газовых компрессоров и танки.[1]

Хронология развития

Эскиз газовой турбины Джона Барбера из его патента
  • 50: Самые ранние записи Героя двигатель (эолипил ). Скорее всего, это не служило практической цели, а было скорее любопытством; тем не менее, он продемонстрировал важный принцип физики, на который опираются все современные газотурбинные двигатели.
  • 1000: "Лампа рыси лошади" (Китайский : 走马灯, zumădēng) использовалась китайцами на ярмарках фонарей еще в Династия Северная Сун. Когда лампа горит, нагретый воздушный поток поднимается вверх и приводит в движение крыльчатку с прикрепленными к ней фигурами верховых лошадей, тени которых затем проецируются на внешний экран фонаря.[2]
  • 1500: The Дымоход Джек был нарисован Леонардо да Винчи: Горячий воздух от огня поднимается через одноступенчатый осевой ротор турбины, установленный в вытяжном канале камина и поворачивающий вертел посредством зубчато-цепного соединения.
  • 1629: Струи пара вращали импульсную турбину, которая затем приводила в действие рабочую штамповочная фабрика с помощью коническая передача, разработан Джованни Бранка.
  • 1678: Фердинанд Вербист построил модельный вагон, полагаясь на паровую струю в качестве источника энергии.
  • 1791: Патент был выдан Джон Барбер, англичанин, за первую настоящую газовую турбину. Его изобретение содержало большинство элементов, присутствующих в современных газовых турбинах. Турбина была разработана для питания безлошадный экипаж.[3][4]
  • 1861: патент Великобритании № 1633 г. был пожалован Марку Антуану Франсуа Меннону за «Калорийный двигатель». В патенте указано, что это была газовая турбина, а на чертежах показано, что она применена к локомотиву.[5] В патенте также упоминается Николас де Телещев (иначе Николай А. Телешов), русский пионер авиации.[6]
  • 1872 г .: газотурбинный двигатель, разработанный берлинским инженером. Франц Штольце, считается первой попыткой создания работающей модели, но двигатель никогда не работал своим ходом.
  • 1894: Сэр Чарльз Парсонс запатентовал идею движения корабля с паровой турбиной и построил демонстрационное судно, Турбиния, самое быстрое судно на плаву в то время. Этот принцип движения по-прежнему полезен.
  • 1895 г .: Три 4-тонных генератора радиального потока Parsons мощностью 100 кВт были установлены в Кембридж Электростанция, и использовалась для питания первой в городе схемы электрического уличного освещения.
  • 1899: Чарльз Гордон Кертис запатентовал первый газотурбинный двигатель в США («Аппарат для выработки механической энергии», патент № US 635 919).[7][8][9]
  • 1900: Сэнфорд Александр Мосс защитил диссертацию по газовым турбинам. В 1903 году Мосс стал инженером General Electric паротурбинный цех в г. Линн, Массачусетс.[10] Находясь там, он применил некоторые из своих концепций при разработке турбокомпрессор. В его конструкции использовалось небольшое турбинное колесо, приводимое в движение выхлопными газами, для вращения нагнетателя.[10]
  • 1903: норвежец, Эгидиус Эллинг, построила первую газовую турбину, которая могла производить больше мощности, чем требовалось для работы ее собственных компонентов, что считалось достижением в то время, когда знания об аэродинамике были ограничены. С помощью роторных компрессоров и турбин он выдавал 11 л.с.[11]
  • 1906: Турбинный двигатель Арменго-Лемале во Франции с камерой сгорания с водяным охлаждением.
  • 1910: Импульсная турбина Хольцварта (импульсное сгорание) достигла мощности 150 кВт (200 л.с.).
  • 1913: Никола Тесла патентует Турбина тесла на основе пограничный слой эффект.[12]
  • 1920-е годы Практическая теория потока газа через каналы была развита в более формальную (и применимую к турбинам) теорию потока газа мимо профилей. А. А. Гриффит в результате чего в 1926 г. Аэродинамическая теория конструкции турбины. Были изготовлены рабочие стенды осевых турбин, пригодных для приведения в движение воздушного винта. разработан Королевским авиационным институтом, тем самым доказав эффективность аэродинамической обработки лопастей в 1929 году.[нужна цитата ]
  • 1930: Не обнаружив интереса со стороны RAF к его идее, Фрэнк Уиттл запатентованный[13] конструкция центробежной газовой турбины для реактивный двигатель. Первое успешное использование его двигателя произошло в Англии в апреле 1937 года.[14]
  • 1932: BBC Браун, Бовери и Си Швейцарии начинает продажи осевой компрессор и турбоагрегаты в составе парогенераторов с турбонаддувом Котел Велокс. По принципу газовой турбины пар испарение трубы расположены внутри камеры сгорания газовой турбины; первый завод Velox был построен в Мондевиле, Кальвадос, Франция.[15]
  • 1934: Рауль Патерас де Пескара запатентовал свободнопоршневой двигатель как газогенератор для газовых турбин.[16]
  • 1936: Уиттл с другими при поддержке инвестиционных форм Power Jets Ltd[нужна цитата ]
  • 1937: Опытный образец реактивного двигателя работает в Великобритании (Фрэнк Уиттл) и Германии (Ганс фон Охайн с Heinkel HeS 1 ). Генри Тизард обеспечивает финансирование правительством Великобритании для дальнейшего развития Power Jets двигатель.[17]
  • 1939: первая газовая турбина для выработки электроэнергии мощностью 4 МВт от BBC Brown, Boveri & Cie. Для аварийной электростанции в Невшателе, Швейцария.[18]
  • 1944 год. Юнкерс Юмо 004 двигатель запущен в серийное производство для первых немецких военных самолетов, таких как Messerschmitt Me 262. Это знаменует начало господства газовых турбин в небе.
  • 1946: Национальное газотурбинное предприятие сформирована из Power Jets и турбинного подразделения RAE, чтобы объединить Whittle и Хейн Констан работа.[19] В Безнау В Швейцарии введен в эксплуатацию первый коммерческий блок повторного нагрева / рекуперации мощностью 27 МВт.[20]
  • 1963 Пратт и Уитни представляет GG4 / FT4, первую коммерческую газовую турбину на базе авиационного двигателя.[21][22]
  • 1995: Сименс становится первым производителем крупных газовых турбин для производства электроэнергии, который включает монокристалл лопатка турбины технологии в свои производственные модели, что позволяет повысить рабочие температуры и повысить эффективность.[23]
  • 2011 Mitsubishi Heavy Industries тестирует первый КПД> 60% комбинированный цикл газовая турбина (M501J) в Такасаго, Хёго, работает.[24][25]

Теория Операции

В идеальной газовой турбине газы подвергаются четырем термодинамический процессы: изэнтропический сжатие, изобарический (постоянное давление) горение, изоэнтропическое расширение и отвод тепла. Вместе они составляют Цикл Брайтона.

Цикл Брайтона

В реальной газовой турбине механическая энергия необратимо изменяется (из-за внутреннего трения и турбулентности) на давление и тепловую энергию при сжатии газа (в центробежном или осевом направлении). компрессор ). Тепло добавляется в камера сгорания и удельный объем газа увеличивается, сопровождаясь небольшой потерей давления. Во время расширения через каналы статора и ротора в турбине снова происходит необратимое преобразование энергии. Вместо отвода тепла забирается свежий воздух.

Если к двигателю добавлена ​​силовая турбина для приведения в действие промышленного генератора или ротора вертолета, выходное давление будет максимально приближено к входному давлению, и останется только энергия, достаточная для преодоления потерь давления в выхлопном трубопроводе и удаления выхлопных газов. Для турбовинтовой В двигателе будет соблюдаться особый баланс между мощностью гребного винта и реактивной тягой, что обеспечивает наиболее экономичную работу. В турбореактивный двигатель Из потока извлекается только давление и энергия, достаточные для приведения в действие компрессора и других компонентов. Оставшиеся газы под высоким давлением ускоряются через сопло, создавая струю для приведения в движение самолета.

Чем меньше двигатель, тем выше должна быть скорость вращения вала для достижения необходимой скорости конца лезвия. Скорость конца лопасти определяет максимальные отношения давлений, которые могут быть достигнуты турбиной и компрессором. Это, в свою очередь, ограничивает максимальную мощность и эффективность, которые может получить двигатель. Чтобы остаточная скорость осталась постоянной, если диаметр ротора уменьшается вдвое, скорость вращения должен 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.[26]

Механически газовые турбины может быть значительно менее сложным, чем внутреннее сгорание поршневые двигатели. Простые турбины могут иметь одну главную движущуюся часть, узел компрессор / вал / ротор турбины (см. Изображение выше), с другими движущимися частями в топливной системе. Это, в свою очередь, может сказаться на цене. Например, стоимостью 10 000ℛℳ по материалам Jumo 004 оказался дешевле, чем Юнкерс 213 поршневой двигатель, которого было 35000ℛℳ,[27] и потребовалось всего 375 часов низкоквалифицированного труда для завершения (включая изготовление, сборку и отгрузку) по сравнению с 1400 часами для BMW 801.[28] Однако это также привело к низкой эффективности и надежности. Более совершенные газовые турбины (например, те, что используются в современных реактивные двигатели или электростанции с комбинированным циклом) могут иметь 2 или 3 вала (катушки), сотни лопаток компрессора и турбины, подвижные лопатки статора и обширные внешние трубопроводы для топливных, масляных и воздушных систем; они используют термостойкие сплавы и изготавливаются с соблюдением жестких требований, требующих точного производства. Все это часто усложняет конструкцию простой газовой турбины, чем поршневой двигатель.

Кроме того, для достижения оптимальной производительности на современных газотурбинных электростанциях необходимо подготовить газ в соответствии с точными характеристиками 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.

Основное преимущество газотурбинного двигателя - это соотношение мощности и веса.[нужна цитата ] Так как относительно легкий двигатель может производить значительную полезную работу, газовые турбины идеально подходят для движения самолетов.

Упорные подшипники и опорные подшипники являются важной частью дизайна. Они есть гидродинамические масляные подшипники или с масляным охлаждением подшипники качения. Подшипники из фольги используются в некоторых небольших машинах, таких как микротурбины[29] а также имеют большой потенциал для использования в небольших газовых турбинах /вспомогательные силовые установки[30]

Слизняк

Основная проблема, стоящая перед конструкцией турбины, особенно лопатки турбины, снижает слизняк это вызвано высокими температурами и напряжениями, которые возникают во время работы. Постоянно стремятся к повышению рабочих температур, чтобы повысить эффективность, но это происходит за счет более высоких скоростей ползучести. Поэтому было использовано несколько методов в попытке достичь оптимальных характеристик при ограничении ползучести, наиболее успешными из которых являются высокоэффективные покрытия и монокристаллические покрытия. суперсплавы.[31] Эти технологии работают за счет ограничения деформации, которая возникает с помощью механизмов, которые можно в широком смысле классифицировать как скольжение дислокаций, подъем дислокаций и диффузионный поток.

Защитные покрытия обеспечивают теплоизоляцию лезвия и предлагают окисление и коррозия сопротивление. Термобарьерные покрытия (ТБП) часто стабилизируются. диоксид циркония керамика и покрытия, стойкие к окислению / коррозии (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) в сплаве и уменьшая ползучесть дислокаций и вакансий. Было обнаружено, что покрытие толщиной 1-200 мкм может снизить температуру лезвия до 200 ° C.[32] Связующие покрытия наносятся непосредственно на поверхность субстрата с использованием цементации набивкой и служат двойной цели: улучшают адгезию ТБП и стойкость субстрата к окислению. Al из связующих покрытий образует Al2О3 на границе TBC-связующее покрытие, которое обеспечивает стойкость к окислению, но также приводит к образованию нежелательной зоны взаимной диффузии (ID) между ним и подложкой. [33] Стойкость к окислению перевешивает недостатки, связанные с зоной внутреннего диаметра, поскольку она увеличивает срок службы лезвия и ограничивает потери эффективности, вызванные отложениями на внешней стороне лезвия.[34]

Суперсплавы на никелевой основе обладают улучшенной прочностью и сопротивлением ползучести благодаря своему составу и, как результат микроструктура. Гамма (γ) FCC-никель легирован алюминием и титаном, чтобы вызвать однородную дисперсию когерентных Ni
3(Al, Ti) гамма-простые (γ ') фазы. Мелкодисперсные выделения γ 'препятствуют движению дислокаций и создают пороговое напряжение, увеличивая напряжение, необходимое для начала ползучести. Кроме того, γ 'является упорядоченным L12 фаза, которая затрудняет прохождение дислокаций мимо нее.[35] Дальше Огнеупорный такие элементы, как рений и рутений может быть добавлен в твердый раствор для улучшения сопротивления ползучести. Добавление этих элементов уменьшает диффузию основной гамма-фазы, тем самым сохраняя усталость сопротивление, прочность и сопротивление ползучести.[36] Разработка монокристаллических суперсплавов также привела к значительному повышению сопротивления ползучести. Из-за отсутствия границ зерен монокристаллы исключают Ползучесть булыжника и, следовательно, деформируются меньшим количеством режимов - уменьшая скорость ползучести. [37]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. Следует проявлять осторожность, чтобы оптимизировать параметры конструкции, чтобы ограничить ползучесть при высоких температурах, не снижая при этом предела текучести при низких температурах.

Типы

Реактивные двигатели

типовой газотурбинный двигатель с осевым потоком, J85, разделены для отображения. Поток слева направо, многоступенчатый компрессор слева, камеры сгорания в центре, двухступенчатая турбина справа

Дыхание воздухом реактивные двигатели газовые турбины оптимизированы для получения тяги от выхлопных газов или от канальные вентиляторы подключен к газовым турбинам.[38] Реактивные двигатели, создающие тягу за счет прямого импульса выхлопных газов, часто называют турбореактивные двигатели, в то время как те, которые создают тягу с добавлением воздуховода, часто называют турбовентиляторы или (редко) веерные форсунки.

Газовые турбины также используются во многих ракеты на жидком топливе, где газовые турбины используются для питания турбонасос чтобы разрешить использование легких резервуаров низкого давления, уменьшающих вес ракеты в пустом состоянии.

Турбовинтовые двигатели

А турбовинтовой Двигатель представляет собой газотурбинный двигатель, приводящий в движение воздушный винт самолета с помощью редуктора. Турбовинтовые двигатели используются на небольших самолетах, таких как авиация общего назначения. Cessna 208 Дом на колесах и Embraer EMB 312 Тукано военный тренер, средние пригородные самолеты, такие как Bombardier Dash 8 и большие самолеты, такие как Airbus A400M транспорт и 60-летний Туполев Ту-95 стратегический бомбардировщик.

Авиационные газовые турбины

LM6000 в электрическом электростанция заявление

Авиационные газовые турбины, как правило, основаны на существующих авиационных газотурбинных двигателях, они меньше и легче промышленных газовых турбин.[39]

Авиационные производные используются в производстве электроэнергии из-за их способности отключаться и обрабатывать изменения нагрузки быстрее, чем промышленные машины.[нужна цитата ] Они также используются в морской промышленности для снижения веса. Общие типы включают General Electric LM2500, General Electric LM6000, и авиационные версии Pratt & Whitney PW4000 и Роллс-Ройс RB211.[39]

Любительские газовые турбины

Все больше и больше газовых турбин используются или даже строятся любителями.

В наиболее простой форме это коммерческие турбины, приобретенные за счет военных излишков или продажи на свалке, а затем эксплуатируемые для демонстрации как часть увлечения сбором двигателей.[40][41] В самой экстремальной форме любители даже перестраивали двигатели, не требующие профессионального ремонта, а затем использовали их, чтобы побороться за рекорд наземной скорости.

В самой простой форме газовой турбины собственного изготовления используется автомобильная турбокомпрессор в качестве основного компонента. Камера сгорания изготовлена ​​и установлена ​​между секциями компрессора и турбины.[42]

Строятся и более совершенные турбореактивные двигатели, тяга и малый вес которых достаточны для установки на большие модели самолетов.[43] В Schreckling дизайн[43] Конструирует весь двигатель из сырья, включая изготовление колеса центробежного компрессора из фанеры, эпоксидной смолы и обмотанных нитей углеродного волокна.

Несколько небольших компаний сейчас производят небольшие турбины и детали для любителей. В большинстве авиамоделей с турбореактивными двигателями сейчас используются эти коммерческие и полукоммерческие микротурбины, а не самодельные двигатели Шреклинга.[44]

Вспомогательные силовые установки

Малые газовые турбины используются как вспомогательные силовые установки (APU) для подачи вспомогательного питания на более крупные мобильные машины, такие как самолет. Они поставляют:

  • сжатый воздух для кондиционирования и вентиляции,
  • пусковая мощность сжатого воздуха для большего реактивные двигатели,
  • механическая (валовая) мощность для коробки передач для привода вспомогательного оборудования с валом или для запуска больших реактивных двигателей, и
  • электрические, гидравлические и другие источники передачи энергии к потребляющим устройствам, удаленным от ВСУ.

Промышленные газовые турбины для выработки электроэнергии

Газовая турбина для производства электроэнергии серии H GE: комбинированный цикл конфигурация, самая высокая термодинамическая эффективность 62,22%

Промышленные газовые турбины отличаются от авиационных конструкций тем, что рамы, подшипники и лопасти имеют более тяжелую конструкцию. Они также гораздо более тесно интегрированы с устройствами, которыми они питаются - часто электрический генератор - и оборудование вторичной энергии, которое используется для рекуперации остаточной энергии (в основном тепла).

Они варьируются по размеру от портативных мобильных установок до больших сложных систем весом более ста тонн, размещенных в специально построенных зданиях. Когда газовая турбина используется исключительно для мощности на валу, ее тепловой КПД составляет около 30%. Однако, возможно, дешевле покупать электроэнергию, чем производить ее. Поэтому многие двигатели используются в конфигурациях ТЭЦ (комбинированное производство тепла и электроэнергии), которые могут быть достаточно маленькими, чтобы их можно было интегрировать в портативные устройства. контейнер конфигурации.

Газовые турбины могут быть особенно эффективными, когда отходящее тепло из турбины извлекается парогенератором с рекуперацией тепла для питания обычной паровой турбины в комбинированный цикл конфигурация.[45] 605 МВт General Electric 9HA достигла КПД 62,22% при температурах до 1540 ° C (2800 ° F).[46]На 2018 год GE предлагает свою ГК мощностью 826 МВт с КПД более 64% в комбинированном цикле благодаря достижениям в производство добавок и прорыв в области сжигания, по сравнению с 63,7% в заказах 2017 года и на пути к достижению 65% к началу 2020-х годов.[47]

Авиационные газовые турбины также могут использоваться в комбинированных циклах, что приводит к более высокому КПД, но он не будет таким высоким, как специально разработанная промышленная газовая турбина. Их также можно запускать в когенерация конфигурация: вытяжка используется для обогрева помещения или воды, либо приводит в движение абсорбционный чиллер для охлаждения поступающего воздуха и увеличения выходной мощности, технология, известная как охлаждение воздуха на входе в турбину.

Еще одно существенное преимущество - их способность включаться и выключаться в течение нескольких минут, обеспечивая подачу электроэнергии во время пикового или незапланированного потребления. Поскольку одноцикловые (только газовые турбины) электростанции менее эффективны, чем парогазовые, они обычно используются в качестве пиковые электростанции, которые работают от нескольких часов в день до нескольких десятков часов в год - в зависимости от спроса на электроэнергию и генерирующих мощностей в регионе. В районах с нехваткой базовой нагрузки и нагрузка после электростанции или с низкими расходами на топливо, газотурбинная силовая установка может регулярно работать большую часть дня. Большая одноцикловая газовая турбина обычно вырабатывает от 100 до 400 мегаватт электроэнергии и имеет 35-40% мощности. термодинамическая эффективность.[48]

Промышленные газовые турбины для механического привода

Промышленные газовые турбины, которые используются исключительно для механического привода или совместно с парогенератором-утилизатором, отличаются от энергогенерирующих установок тем, что они часто меньше по размеру и имеют конструкцию с двумя валами, а не с одним валом. Диапазон мощностей варьируется от 1 мегаватт до 50 мегаватт.[нужна цитата ] Эти двигатели связаны напрямую или через коробку передач с насосом или компрессором. Большинство установок используется в нефтегазовой промышленности. Применение механического привода увеличивает эффективность примерно на 2%.

Нефтяные и газовые платформы требуют, чтобы эти двигатели приводили в движение компрессоры для закачки газа в скважины, чтобы нагнетать нефть через другой ствол или сжимать газ для транспортировки. Они также часто используются для питания платформы. На этих платформах нет необходимости использовать двигатель в сотрудничестве с системой когенерации, так как газ получается по очень низкой цене (часто без сжигания газа). Те же компании используют насосные агрегаты для подачи жидкостей на сушу и через трубопроводы через различные промежутки времени.

Хранение энергии сжатым воздухом

Основная статья: Хранение энергии сжатым воздухом

Одна современная разработка направлена ​​на повышение эффективности другим способом, разделив компрессор и турбину накопителем сжатого воздуха. В обычной турбине до половины генерируемой мощности используется для привода компрессора. В конфигурации накопителя энергии сжатого воздуха энергия, возможно, от ветряной электростанции или приобретенная на открытом рынке во время низкого спроса и низкой цены, используется для привода компрессора, а сжатый воздух, выпускаемый для работы турбины, когда это необходимо.

Турбовальные двигатели

Основная статья: Турбовальный

Турбовальный Двигатели используются для привода компрессоров на газоперекачивающих станциях и заводах по сжижению природного газа. Они также используются для питания всех современных вертолетов, кроме самых маленьких. Первичный вал несет компрессор и его турбину, которая вместе с камерой сгорания называется Генератор газа. Силовая турбина с независимым вращением обычно используется для привода ротора на вертолетах. Позволяя газогенератору и силовой турбине / ротору вращаться со своими собственными скоростями, дает большую гибкость в их конструкции.

Радиальные газовые турбины

Основная статья: Радиальная турбина

Масштабные реактивные двигатели

Масштабные реактивные двигатели представляют собой уменьшенные версии этого раннего полномасштабного двигателя.

Также известны как миниатюрные газовые турбины или микроструйные двигатели.

Имея это в виду, пионер современных Micro-Jets, Курт Шреклинг, произвела одну из первых в мире микротурбин FD3 / 67.[43] Этот двигатель может производить до 22 ньютоны тяги, и может быть построен большинством механически мыслящих людей с помощью основных инженерных инструментов, таких как токарный станок по металлу.[43]

Микротурбины

Основная статья: Микротурбина

Развился из поршневого двигателя турбокомпрессоры, самолет ВСУ или маленький реактивные двигатели, микротурбины от 25 до 500 киловатт турбины размером с холодильник.Микротурбины имеют около 15% эффективность без рекуператор, От 20 до 30% с одним, и они могут достичь комбинированного теплоэлектрического КПД 85% в когенерация.[49]

Внешнее сгорание

Большинство газовых турбин являются двигателями внутреннего сгорания, но также возможно производство газовых турбин внешнего сгорания, которые, по сути, являются турбинными версиями турбины. двигатель горячего воздуха Эти системы обычно обозначаются как EFGT (газовая турбина с внешним сжиганием) или IFGT (газовая турбина с косвенным сжиганием).

Внешнее горение использовалось с целью использования угольная пыль или тонко измельченная биомасса (например, опилки) в качестве топлива. В косвенной системе теплообменник Через силовую турбину проходит только чистый воздух без продуктов сгорания. В тепловая эффективность ниже у непрямого типа внешнего горения; однако лопатки турбины не подвергаются воздействию продуктов сгорания, и можно использовать топливо гораздо более низкого качества (и, следовательно, более дешевое).

При использовании внешнего сгорания в качестве первичного воздуха для горения можно использовать отработанный воздух турбины. Это эффективно снижает общие тепловые потери, хотя тепловые потери, связанные с выхлопными газами, остаются неизбежными.

Газовые турбины замкнутого цикла на основе гелий или же сверхкритический диоксид углерода также перспективны для использования в будущем при производстве высокотемпературной солнечной и ядерной энергии.

В надводном транспорте

МАЗ-7907, а транспортер монтажная пусковая установка с турбинно-электрическая трансмиссия

Газовые турбины часто используются на корабли, локомотивы, вертолеты, танки и, в меньшей степени, на автомобилях, автобусах и мотоциклах.

Ключевое преимущество струйных и турбовинтовые для силовых установок самолетов - их превосходные характеристики на большой высоте по сравнению с поршневыми двигателями, особенно без наддува единицы - неактуальны в большинстве автомобильных приложений. Их преимущество в соотношении мощности и веса, хотя и менее критично, чем для самолетов, все же важно.

Газовые турбины - это 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 серия гибрид транспортных средств, поскольку приводные электродвигатели механически отсоединены от двигателя, вырабатывающего электричество, проблемы с быстродействием, низкой производительностью на низкой скорости и низким КПД при низкой выходной мощности гораздо менее важны. Турбина может работать с оптимальной скоростью для ее выходной мощности, а батареи и ультраконденсаторы может подавать электроэнергию по мере необходимости, включая и выключая двигатель, чтобы он работал только с высоким КПД. Появление бесступенчатая трансмиссия может также облегчить проблему отзывчивости.

Исторически турбины были более дорогими в производстве, чем поршневые двигатели, хотя отчасти это объясняется тем, что поршневые двигатели массово производились в огромных количествах на протяжении десятилетий, а небольшие газотурбинные двигатели - редкость; однако турбины серийно производятся в тесно связанной форме турбокомпрессор.

Турбокомпрессор представляет собой компактную и простую радиальную газовую турбину со свободным валом, которая приводится в движение поршневым двигателем. выхлопной газ. Колесо центростремительной турбины приводит в движение центробежный компрессор колесо через общий вращающийся вал. Это колесо нагнетает воздухозаборник двигателя до такой степени, что можно контролировать с помощью вестгейт или динамически изменяя геометрию корпуса турбины (как в турбокомпрессор с изменяемой геометрией Он в основном служит устройством рекуперации мощности, которое преобразует большую часть теряемой в противном случае тепловой и кинетической энергии в наддув двигателя.

Турбокомпонентные двигатели (фактически работает на некоторых полуприцепы ) оснащены продувочными турбинами, которые по конструкции и внешнему виду похожи на турбокомпрессор, за исключением того, что вал турбины механически или гидравлически связан с коленчатым валом двигателя, а не с центробежным компрессором, что обеспечивает дополнительную мощность вместо наддува. турбина давления, турбина рекуперации мощности - скоростная.

Легковой автотранспорт (автомобили, мотоциклы и автобусы)

Был проведен ряд экспериментов с газотурбинным приводом. автомобили, самый большой по Chrysler.[50][51] В последнее время проявился некоторый интерес к использованию турбинных двигателей для гибридных электромобилей. Например, консорциум во главе с микрогазотурбинной компанией Bladon Jets получила инвестиции от Совета по технологической стратегии в разработку сверхлегкого расширителя запаса хода (ULRE) для электромобилей следующего поколения. Целью консорциума, в который входят производитель роскошных автомобилей Jaguar Land Rover и ведущий производитель электрических машин SR Drives, является создание первого в мире коммерчески жизнеспособного и экологически чистого газотурбинного генератора, разработанного специально для автомобильной промышленности.[52]

Обычный турбокомпрессор для бензиновых или дизельных двигателей также является производным от турбины.

Концепт-кары

1950 год Ровер JET1

Первое серьезное исследование использования газовой турбины в автомобилях было проведено в 1946 году, когда два инженера, Роберт Кафка и Роберт Энгерштейн из Carney Associates, нью-йоркской инженерной фирмы, разработали концепцию, в которой уникальный компактный газотурбинный двигатель обеспечивал бы мощность для заднеприводный автомобиль. После того, как статья появилась в Популярная наука, кроме бумажной стадии дальнейшей работы не было.[53]

В 1950 году дизайнер Ф. Белл и главный инженер Морис Уилкс от британских производителей автомобилей Ровер представили первый автомобиль с газотурбинным двигателем. Двухместный JET1 двигатель располагался за сиденьями, воздухозаборники располагались по бокам от машины, а выпускные отверстия располагались в верхней части хвостовой части. Во время испытаний автомобиль достиг максимальной скорости 140 км / ч (87 миль / ч) при частоте вращения турбины 50 000 об / мин. Машина наехала бензин, парафин (керосин) или же дизель масла, но проблемы с расходом топлива оказались непреодолимыми для серийного автомобиля. Он выставлен в лондонском Научный музей.

Французский автомобиль с турбинным двигателем, SOCEMA-Grégoire, был представлен на октябрьской выставке 1952 г. Парижский автосалон. Его спроектировал французский инженер. Жан-Альбер Грегуар.[54]

GM Firebird I

Первым автомобилем с турбинным двигателем, построенным в США, был GM Firebird I оценки начались в 1953 году. На фотографиях Firebird я могу предположить, что тяга реактивной турбины приводила автомобиль в движение как самолет, а турбина фактически приводила в движение задние колеса. Firebird 1 никогда не задумывался как коммерческий легковой автомобиль и был построен исключительно для тестирования и оценки, а также в целях связи с общественностью.[55]

Моторный отсек автомобиля Chrysler 1963 Turbine

Начиная с 1954 г. с модифицированной Плимут,[56] американский производитель автомобилей Chrysler продемонстрировал несколько прототип газовой турбины автомобили с двигателем с начала 1950-х до начала 1980-х годов. Крайслер построил пятьдесят Chrysler Turbine Автомобили в 1963 году и провел единственные потребительские испытания газотурбинных автомобилей.[57] Каждая из их турбин использовала уникальный вращающийся рекуператор, именуемый регенератором, увеличивающим эффективность.[56]

В 1954 г. Fiat представил концепт-кар с газотурбинным двигателем, называемым Fiat Turbina. Этот автомобиль, похожий на самолет с колесами, использовал уникальное сочетание реактивной тяги и двигателя, приводящего в движение колеса. Заявленная скорость составляла 282 км / ч (175 миль / ч).[58]

Оригинал General Motors Firebird была серией концептуальных автомобилей, разработанных для 1953, 1956 и 1959 годов. Motorama автосалоны, работающие на газовых турбинах.

В 1960-х годах Ford и GM разрабатывали газотурбинные полуприцепы. Один из таких концептуальных грузовиков был известен как Big Red. Вместе с прицепом он имел длину 29 м (96 футов) и высоту 4,0 м (13 футов) и был окрашен в малиново-красный цвет. Он содержал разработанный Ford газотурбинный двигатель мощностью 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 неизвестна, но видео о нем все еще существует.[59][60]

В результате США Закон о чистом воздухе Поправки 1970 г., финансировались исследования по разработке технологии автомобильных газовых турбин.[61] Конструкторские концепции и автомобили были выполнены Chrysler, Дженерал Моторс, Форд (в сотрудничестве с AiResearch ), и American Motors (в сочетании с Williams Research ).[62] Были проведены долгосрочные испытания для оценки сопоставимой экономической эффективности.[63] Несколько AMC Hornets были приведены в действие небольшой регенеративной газовой турбиной Williams весом 250 фунтов (113 кг) и мощностью 80 л.с. (60 кВт; 81 л.с.) при 4450 об / мин.[64][65][66]

Toyota продемонстрировал несколько концептуальных автомобилей с газотурбинным двигателем, таких как Газотурбинный гибрид Century в 1975 г. Гибрид с газовой турбиной Sports 800 в 1979 году и GTV в 1985 году. Серийных автомобилей не производилось. Двигатель GT24 выставлялся в 1977 году без транспортного средства.

В начале 1990-х гг. Вольво представил Volvo ECC который был приведен в действие газовой турбиной гибридный электромобиль.[67]

В 1993 г. Дженерал Моторс представила первую коммерческую газотурбинную установку гибридный автомобиль —Как ограниченный выпуск Гибрид серии EV-1. А Williams International Турбина 40 кВт приводила в движение генератор переменного тока, питавший аккумуляторную батарею. трансмиссия. В конструкцию турбины входил рекуператор. В 2006 году GM перешла на Концепт-кар EcoJet проект с Джей Лено.

На 2010 Парижский автосалон Ягуар продемонстрировал свой Ягуар C-X75 концепт-кар. Это с электрическим приводом суперкар имеет максимальную скорость 204 миль в час (328 км / ч) и может разгоняться от 0 до 100 км / ч за 3,4 секунды. В нем используются литий-ионные батареи для питания четырех электродвигателей, которые в сумме вырабатывают 780 л.с. Он проедет 68 миль (109 км) на одной зарядке батарей и использует пару газовых микрогазовых турбин Bladon для подзарядки батарей, увеличивая дальность действия до 560 миль (900 км).[68]

Гоночные автомобили

1967 год Специальная обработка масла STP на выставке в Индианаполис Мотор Спидвей Музей Зала славы с Пратт и Уитни показана газовая турбина
1968 г. Howmet TX, единственный гоночный автомобиль с турбинным двигателем, выигравший гонку

Первый гоночный автомобиль (только в концепции), оснащенный турбиной, был создан в 1955 году группой ВВС США в качестве хобби-проекта с турбиной, предоставленной им на время компанией Boeing, и гоночным автомобилем, принадлежащим компании Firestone Tire & Rubber.[69] Первый гоночный автомобиль, оснащенный турбиной для настоящих гонок, был разработан Rover и BRM Формула один команда объединила усилия, чтобы произвести Ровер-БРМ, газотурбинное купе, которое вошло в 1963 24 часа Ле-Мана, которую вел Грэм Хилл и Ричи Гинтер. Он составлял в среднем 107,8 миль в час (173,5 км / ч) и имел максимальную скорость 142 миль в час (229 км / ч). Американец Рэй Хеппенстолл присоединился к Howmet Corporation и McKee Engineering вместе для разработки своего собственного газотурбинного спортивного автомобиля в 1968 году. Howmet TX, который провел несколько американских и европейских турниров, в том числе две победы, а также участвовал в 1968 24 часа Ле-Мана. Подержанные автомобили Континентальный газовые турбины, которых в итоге установили шесть FIA рекорды наземной скорости для автомобилей с турбинным двигателем.[70]

За гонки на открытых колесах, Революционный STP-Пакстон Турбокар представленный легендой гонок и предпринимательства Энди Гранателли и ведомый Парнелли Джонс почти выиграл Индианаполис 500; то Pratt & Whitney ST6B-62 powered turbine car was almost a lap ahead of the second place car when a gearbox bearing failed just three laps from the finish line. The next year the STP Лотос 56 turbine car won the Indianapolis 500 pole position even though new rules restricted the air intake dramatically. В 1971 г. Team Lotus главный Колин Чепмен представил Lotus 56B F1 car, powered by a Pratt & Whitney STN 6/76 gas turbine. Chapman had a reputation of building radical championship-winning cars, but had to abandon the project because there were too many problems with turbo lag.

автобусов

Прибытие Турбина Capstone has led to several hybrid bus designs, starting with HEV-1 by AVS of Chattanooga, Tennessee in 1999, and closely followed by Ebus and ISE Research in California, and Корпорация DesignLine in New Zealand (and later the United States). AVS turbine hybrids were plagued with reliability and quality control problems, resulting in liquidation of AVS in 2003. The most successful design by Designline is now operated in 5 cities in 6 countries, with over 30 buses in operation worldwide, and order for several hundred being delivered to Baltimore, and New York City.

Brescia Italy is using serial hybrid buses powered by microturbines on routes through the historical sections of the city.[71]

Мотоциклы

В МТТ Турбина Супербайк appeared in 2000 (hence the designation of Y2K Superbike by MTT) and is the first production motorcycle powered by a turbine engine - specifically, a Rolls-Royce Allison model 250 turboshaft engine, producing about 283 kW (380 bhp). Speed-tested to 365 km/h or 227 mph (according to some stories, the testing team ran out of road during the test), it holds the Guinness World Record for most powerful production motorcycle and most expensive production motorcycle, with a price tag of US$185,000.

Поезда

Основные статьи: Газотурбинный электровоз и Gas turbine train

Several locomotive classes have been powered by gas turbines, the most recent incarnation being Бомбардье с JetTrain.

Танки

Marines from 1st Tank Battalion load a Honeywell AGT1500 multi-fuel turbine back into an M1 Abrams tank at Camp Coyote, Kuwait, February 2003

Третий Рейх Wehrmacht Heer 's development division, the Heereswaffenamt (Army Ordnance Board), studied a number of gas turbine engine designs for use in tanks starting in mid-1944. The first gas turbine engine design intended for use in armored fighting vehicle propulsion, the BMW 003 -основан GT 101, was meant for installation in the Танк пантера.[72]

The second use of a gas turbine in an armored fighting vehicle was in 1954 when a unit, PU2979, specifically developed for tanks by К. А. Парсонс и компания, was installed and trialed in a British Танк-завоеватель.[73] В Stridsvagn 103 was developed in the 1950s and was the first mass-produced main battle tank to use a turbine engine, the Боинг Т50. Since then, gas turbine engines have been used as вспомогательные силовые установки in some tanks and as main powerplants in Soviet/Russian T-80s и нас. M1 Abrams tanks, among others. They are lighter and smaller than дизельные двигатели at the same sustained power output but the models installed to date are less fuel efficient than the equivalent diesel, especially at idle, requiring more fuel to achieve the same combat range. Successive models of M1 have addressed this problem with battery packs or secondary generators to power the tank's systems while stationary, saving fuel by reducing the need to idle the main turbine. T-80s can mount three large external fuel drums to extend their range. Russia has stopped production of the T-80 in favor of the diesel-powered Т-90 (на основе Т-72 ), while Ukraine has developed the diesel-powered T-80UD and T-84 with nearly the power of the gas-turbine tank. Французский Танк leclerc 's diesel powerplant features the "Hyperbar" hybrid supercharging system, where the engine's turbocharger is completely replaced with a small gas turbine which also works as an assisted diesel exhaust turbocharger, enabling engine RPM-independent boost level control and a higher peak boost pressure to be reached (than with ordinary turbochargers). This system allows a smaller displacement and lighter engine to be used as the tank's power plant and effectively removes turbo lag. This special gas turbine/turbocharger can also work independently from the main engine as an ordinary APU.

A turbine is theoretically more reliable and easier to maintain than a piston engine since it has a simpler construction with fewer moving parts, but in practice, turbine parts experience a higher wear rate due to their higher working speeds. The turbine blades are highly sensitive to dust and fine sand so that in desert operations air filters have to be fitted and changed several times daily. An improperly fitted filter, or a bullet or shell fragment that punctures the filter, can damage the engine. Piston engines (especially if turbocharged) also need well-maintained filters, but they are more resilient if the filter does fail.

Like most modern diesel engines used in tanks, gas turbines are usually multi-fuel engines.

Морские приложения

Основная статья: Морская силовая установка

Военно-морской

The Gas turbine from MGB 2009

Gas turbines are used in many военно-морские корабли, where they are valued for their high удельная мощность and their ships' resulting acceleration and ability to get underway quickly.

The first gas-turbine-powered naval vessel was the Королевский флот с Моторная артиллерийская лодка МГБ 2009 г. (ранее MGB 509) converted in 1947. Метрополитен-Виккерс fitted their F2/3 jet engine with a power turbine. В Паровой катер Серый гусь was converted to Rolls-Royce gas turbines in 1952 and operated as such from 1953.[74] В Bold class Скоростные патрульные катера Bold Pioneer и Bold Pathfinder built in 1953 were the first ships created specifically for gas turbine propulsion.[75]

The first large-scale, partially gas-turbine powered ships were the Royal Navy's Тип 81 (Племенной класс) фрегаты с комбинированный пар и газ электростанции. Первый, HMSАшанти was commissioned in 1961.

В Немецкий флот запустил первый Кёльн-учебный класс фрегат in 1961 with 2 Браун, Бовери и Си gas turbines in the world's first combined diesel and gas двигательная установка.

В Советский флот commissioned in 1962 the first of 25 Кашин-учебный класс разрушитель with 4 gas turbines in Комбинированный газ и газ двигательная установка. Those vessels used 4 M8E gas turbines, which generated from 54,000 kW (72,000 hp) up to 54,000 kW (96,000 hp). Those ships were the first large ships in the world to be powered solely by gas turbines.

Project 61 large ASW ship, Кашин-учебный класс разрушитель

В Датский флот had 6 Søløven-class torpedo boats (the export version of the British Brave class fast patrol boat ) in service from 1965 to 1990, which had 3 Bristol Proteus (later RR Proteus) Marine Gas Turbines rated at 9,510 kW (12,750 shp) combined, plus two Дженерал Моторс Diesel engines, rated at 340 kW (460 shp), for better fuel economy at slower speeds.[76] And they also produced 10 Willemoes Class Torpedo / Guided Missile boats (in service from 1974 to 2000) which had 3 Rolls-Royce Marine Proteus Gas Turbines also rated at 9,510 kW (12,750 shp), same as the Søløven-class boats, and 2 General Motors Diesel Engines, rated at 600 kW (800 shp), also for improved fuel economy at slow speeds.[77]

В Шведский флот produced 6 Spica-class torpedo boats between 1966 and 1967 powered by 3 Bristol Siddeley Proteus 1282 turbines, each delivering 3,210 kW (4,300 shp). They were later joined by 12 upgraded Norrköping class ships, still with the same engines. With their aft torpedo tubes replaced by antishipping missiles they served as missile boats until the last was retired in 2005.[78]

В Финский флот commissioned two Turunmaa-учебный класс корветы, Turunmaa и Карьяла, in 1968. They were equipped with one 16,410 kW (22,000 shp) Роллс-Ройс Олимп TM1 gas turbine and three Wärtsilä marine diesels for slower speeds. They were the fastest vessels in the Finnish Navy; they regularly achieved speeds of 35 knots, and 37.3 knots during sea trials. В Turunmaas were decommissioned in 2002. Карьяла сегодня корабль-музей в Турку, и Turunmaa serves as a floating machine shop and training ship for Satakunta Polytechnical College.

The next series of major naval vessels were the four Canadian ирокез-учебный класс helicopter carrying destroyers first commissioned in 1972. They used 2 ft-4 main propulsion engines, 2 ft-12 cruise engines and 3 Solar Saturn 750 kW generators.

An LM2500 gas turbine on USSФорд

The first U.S. gas-turbine powered ship was the U.S. Coast Guard's Пойнт Тэтчер, a cutter commissioned in 1961 that was powered by two 750 kW (1,000 shp) turbines utilizing controllable-pitch propellers.[79] Чем больше Гамильтон-учебный класс Фрезы повышенной прочности, was the first class of larger cutters to utilize gas turbines, the first of which (USCGCГамильтон ) was commissioned in 1967. Since then, they have powered the ВМС США Оливер Хазард Перрифрегаты класса, Spruance и Арли Берк-учебный класс destroyers, and Тикондерога-учебный класс ракетные крейсеры. USSМакин Айленд, модифицированный Оса-учебный класс десантный корабль, is to be the Navy's first amphibious assault ship powered by gas turbines.The marine gas turbine operates in a more corrosive atmosphere due to the presence of sea salt in air and fuel and use of cheaper fuels.

Civilian maritime

Up to the late 1940s, much of the progress on marine gas turbines all over the world took place in design offices and engine builder's workshops and development work was led by the British Королевский флот and other Navies. While interest in the gas turbine for marine purposes, both naval and mercantile, continued to increase, the lack of availability of the results of operating experience on early gas turbine projects limited the number of new ventures on seagoing commercial vessels being embarked upon. In 1951, the Diesel-electric oil tanker Аурис, 12,290 дедвейт (DWT) was used to obtain operating experience with a main propulsion gas turbine under service conditions at sea and so became the first ocean-going merchant ship to be powered by a gas turbine. Построен Боярышник Лесли в Hebburn-on-Tyne, UK, in accordance with plans and specifications drawn up by the Anglo-Saxon Petroleum Company and launched on the UK's Принцесса елизавета 's 21st birthday in 1947, the ship was designed with an engine room layout that would allow for the experimental use of heavy fuel in one of its high-speed engines, as well as the future substitution of one of its diesel engines by a gas turbine.[80] В Аурис operated commercially as a tanker for three-and-a-half years with a diesel-electric propulsion unit as originally commissioned, but in 1951 one of its four 824 kW (1,105 bhp) diesel engines – which were known as "Faith", "Hope", "Charity" and "Prudence" - was replaced by the world's first marine gas turbine engine, a 890 kW (1,200 bhp) open-cycle gas turbo-alternator built by British Thompson-Houston Company в Регби. Following successful sea trials off the Northumbrian coast, the Аурис set sail from Hebburn-on-Tyne in October 1951 bound for Порт-Артур in the US and then Кюрасао in the southern Caribbean returning to Avonmouth after 44 days at sea, successfully completing her historic trans-Atlantic crossing. During this time at sea the gas turbine burnt diesel fuel and operated without an involuntary stop or mechanical difficulty of any kind. She subsequently visited Swansea, Hull, Роттердам, Осло and Southampton covering a total of 13,211 nautical miles. В Аурис then had all of its power plants replaced with a 3,910 kW (5,250 shp) directly coupled gas turbine to become the first civilian ship to operate solely on gas turbine power.

Despite the success of this early experimental voyage the gas turbine did not replace the diesel engine as the propulsion plant for large merchant ships. At constant cruising speeds the diesel engine simply had no peer in the vital area of fuel economy. The gas turbine did have more success in Royal Navy ships and the other naval fleets of the world where sudden and rapid changes of speed are required by warships in action.[81]

В Морская комиссия США were looking for options to update WWII Корабли свободы, and heavy-duty gas turbines were one of those selected. В 1956 г. Джон Сержант was lengthened and equipped with a General Electric 4,900 kW (6,600 shp) HD gas turbine with exhaust-gas regeneration, reduction gearing and a винт переменного шага. It operated for 9,700 hours using residual fuel (Bunker C ) for 7,000 hours. Fuel efficiency was on a par with steam propulsion at 0.318 kg/kW (0.523 lb/hp) per hour,[82] and power output was higher than expected at 5,603 kW (7,514 shp) due to the ambient temperature of the North Sea route being lower than the design temperature of the gas turbine. This gave the ship a speed capability of 18 knots, up from 11 knots with the original power plant, and well in excess of the 15 knot targeted. The ship made its first transatlantic crossing with an average speed of 16.8 knots, in spite of some rough weather along the way. Suitable Bunker C fuel was only available at limited ports because the quality of the fuel was of a critical nature. The fuel oil also had to be treated on board to reduce contaminants and this was a labor-intensive process that was not suitable for automation at the time. Ultimately, the variable-pitch propeller, which was of a new and untested design, ended the trial, as three consecutive annual inspections revealed stress-cracking. This did not reflect poorly on the marine-propulsion gas-turbine concept though, and the trial was a success overall. The success of this trial opened the way for more development by GE on the use of HD gas turbines for marine use with heavy fuels.[83] В Джон Сержант was scrapped in 1972 at Portsmouth PA.

Boeing Jetfoil 929-100-007 Урзела из TurboJET

Боинг launched its first passenger-carrying струя воды -ходный подводное крыло Боинг 929, in April 1974. Those ships were powered by two Allison 501 -KF gas turbines.[84]

Between 1971 and 1981, Seatrain Lines operated a scheduled контейнер service between ports on the eastern seaboard of the United States and ports in northwest Europe across the North Atlantic with four container ships of 26,000 tonnes DWT. Those ships were powered by twin Пратт и Уитни gas turbines of the FT 4 series. The four ships in the class were named Евролайнер, Eurofreighter, Asialiner и Asiafreighter. Following the dramatic Организация стран-экспортеров нефти (OPEC) price increases of the mid-1970s, operations were constrained by rising fuel costs. Some modification of the engine systems on those ships was undertaken to permit the burning of a lower grade of fuel (i.e., судовой дизель ). Reduction of fuel costs was successful using a different untested fuel in a marine gas turbine but maintenance costs increased with the fuel change. After 1981 the ships were sold and refitted with, what at the time, was more economical diesel-fueled engines but the increased engine size reduced cargo space.[нужна цитата ]

The first passenger ferry to use a gas turbine was the GTS Finnjet, built in 1977 and powered by two Пратт и Уитни FT 4C-1 DLF turbines, generating 55,000 kW (74,000 shp) and propelling the ship to a speed of 31 knots. However, the Finnjet also illustrated the shortcomings of gas turbine propulsion in commercial craft, as high fuel prices made operating her unprofitable. After four years of service, additional diesel engines were installed on the ship to reduce running costs during the off-season. The Finnjet was also the first ship with a Комбинированный дизель-электрический и газовый двигательная установка. Another example of commercial use of gas turbines in a passenger ship is Стена Лайн с HSS class fastcraft ferries. HSS 1500-class Stena Explorer, Stena Voyager и Stena Discovery vessels use combined gas and gas setups of twin GE LM2500 plus GE LM1600 power for a total of 68,000 kW (91,000 shp). The slightly smaller HSS 900-class Stena Carisma, uses twin ABB –СТАЛЬ GT35 turbines rated at 34,000 kW (46,000 shp) gross. В Stena Discovery was withdrawn from service in 2007, another victim of too high fuel costs.[нужна цитата ]

In July 2000 the Миллениум стал первым круизный корабль to be propelled by gas turbines, in a combined diesel and gas конфигурация. The liner RMS Королева Мэри 2 uses a combined diesel and gas configuration.[85]

In marine racing applications the 2010 C5000 Mystic catamaran Miss GEICO uses two Lycoming T-55 turbines for its power system.[нужна цитата ]

Advances in technology

Gas turbine technology has steadily advanced since its inception and continues to evolve. Development is actively producing both smaller gas turbines and more powerful and efficient engines. Aiding in these advances are computer-based design (specifically вычислительная гидродинамика и анализ методом конечных элементов ) and the development of advanced materials: Base materials with superior high-temperature strength (e.g., монокристалл суперсплавы that exhibit yield strength anomaly ) или же thermal barrier coatings that protect the structural material from ever-higher temperatures. These advances allow higher степени сжатия and turbine inlet temperatures, more efficient combustion and better cooling of engine parts.

Вычислительная гидродинамика (CFD) has contributed to substantial improvements in the performance and efficiency of gas turbine engine components through enhanced understanding of the complex viscous flow and heat transfer phenomena involved. For this reason, CFD is one of the key computational tool used in design and development of gas[86][87] газотурбинные двигатели.

The simple-cycle efficiencies of early gas turbines were practically doubled by incorporating inter-cooling, regeneration (or recuperation), and reheating. These improvements, of course, come at the expense of increased initial and operation costs, and they cannot be justified unless the decrease in fuel costs offsets the increase in other costs. The relatively low fuel prices, the general desire in the industry to minimize installation costs, and the tremendous increase in the simple-cycle efficiency to about 40 percent left little desire for opting for these modifications.[88]

On the emissions side, the challenge is to increase turbine inlet temperatures while at the same time reducing peak flame temperature in order to achieve lower NOx emissions and meet the latest emission regulations. В мае 2011 г. Mitsubishi Heavy Industries achieved a turbine inlet temperature of 1,600 °C on a 320 megawatt gas turbine, and 460 MW in gas turbine combined-cycle power generation applications in which gross тепловая эффективность exceeds 60%.[89]

Соответствует foil bearings were commercially introduced to gas turbines in the 1990s. These can withstand over a hundred thousand start/stop cycles and have eliminated the need for an oil system. The application of microelectronics and power switching technology have enabled the development of commercially viable electricity generation by microturbines for distribution and vehicle propulsion.

Преимущества и недостатки

The following are advantages and disadvantages of gas-turbine engines:[90]

Преимущества

  • Очень высоко удельная мощность compared to reciprocating engines.
  • Smaller than most reciprocating engines of the same power rating.
  • Smooth rotation of the main shaft produces far less vibration than a reciprocating engine.
  • Fewer moving parts than reciprocating engines results in lower maintenance cost and higher reliability/availability over its service life.
  • Greater reliability, particularly in applications where sustained high power output is required.
  • Waste heat is dissipated almost entirely in the exhaust. This results in a high-temperature exhaust stream that is very usable for boiling water in a комбинированный цикл, или для когенерация.
  • Lower peak combustion pressures than reciprocating engines in general.
  • High shaft speeds in smaller "free turbine units", although larger gas turbines employed in power generation operate at synchronous speeds.
  • Low lubricating oil cost and consumption.
  • Can run on a wide variety of fuels.
  • Very low toxic emissions of CO and HC due to excess air, complete combustion and no "quench" of the flame on cold surfaces.

Недостатки

  • Core engine costs can be high due to use of exotic materials.
  • Less efficient than reciprocating engines at idle speed.
  • Longer startup than reciprocating engines.
  • Less responsive to changes in power demand compared with reciprocating engines.
  • Characteristic whine can be hard to suppress.

Тестирование

British, German, other national and international test codes are used to standardize the procedures and definitions used to test gas turbines. Выбор используемого кода испытаний является соглашением между покупателем и производителем и имеет определенное значение для конструкции турбины и связанных систем. В Соединенных Штатах, КАК Я has produced several performance test codes on gas turbines. This includes ASME PTC 22-2014. These ASME performance test codes have gained international recognition and acceptance for testing gas turbines. The single most important and differentiating characteristic of ASME performance test codes, including PTC 22, is that the test uncertainty of the measurement indicates the quality of the test and is not to be used as a commercial tolerance.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Sonntag, Richard E.; Borgnakke, Claus (2006). Introduction to engineering thermodynamics (Второе изд.). Джон Вили. ISBN  9780471737599.
  2. ^ B. Zhang (14 December 2014). Lu, Yongxiang (ed.). A History of Chinese Science and Technology: Volume 3. Springer Berlin Heidelberg. С. 308–310. ISBN  978-3662441626. 'For trotting horse lamp, make paper-cut as wheel-like objects and the candle will heat the air which will rise and push the paper-cut to move, and the shadows of paper-cut will be cast by the candle light on the screen.' ...Judgment from the records of the Song dynasty shows that invention of China's trotting horse lamp was not later than 1000 AD. ...Obviously, the trotting horse lamp has already had the rudiment of a gas turbine.
  3. ^ "Massachusetts Institute of Technology Gas Turbine Lab". Web.mit.edu. 27 августа 1939 г.. Получено 13 августа 2012.
  4. ^ UK patent no. 1833 – Obtaining and Applying Motive Power, & c. A Method of Rising Inflammable Air for the Purposes of Procuring Motion, and Facilitating Metallurgical Operations
  5. ^ "Original document: GB186101633 (A) ― 1861-12-18 caloric engines". Worldwide.espacenet.com. Получено 13 марта 2016.
  6. ^ Giges, Nancy (July 2013). "Igor Sikorsky Aviation Pioneer". КАК Я. Получено 7 июн 2019.
  7. ^ "Patent US0635919" (PDF). Freepatentsonline.com. Получено 13 августа 2012.
  8. ^ "History - Biographies, Landmarks, Patents". КАК Я. 10 марта 1905 г.. Получено 13 августа 2012.
  9. ^ [1], "Apparatus for generating mechanical power" 
  10. ^ а б Leyes, p.231-232.
  11. ^ Bakken, Lars E et al., p.83-88. "Centenary of the First Gas Turbine to Give Net Power Output: A Tribute to Ægidius Elling". КАК Я. 2004 г.
  12. ^ U.S. Patent US1061206
  13. ^ http://www.hype-digital.co.uk. "Welcome to the Frank Whittle Website". www.frankwhittle.co.uk. Архивировано из оригинал 13 февраля 2012 г.. Получено 22 октября 2016.
  14. ^ Kreith, Frank, ed. (1998). The CRC Handbook of Mechanical Engineering (Второе изд.). US: CRC Press. п. 222. ISBN  978-0-8493-9418-8.
  15. ^ "University of Bochum "In Touch Magazine 2005", p. 5" (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 13 марта 2012 г.. Получено 13 августа 2012.
  16. ^ Автомобильные новости. Crain Automotive Group. 1981 г.
  17. ^ John Golley. 1996. "Jet: Frank Whittle and the invention of the jet engine". ISBN  978-1-907472-00-8
  18. ^ Eckardt, D. and Rufli, P. "Advanced Gas Turbine Technology - ABB/ BBC Historical Firsts", ASME J. Eng. Gas Turb. Power, 2002, p. 124, 542-549
  19. ^ Giffard, Hermione (10 October 2016). Making Jet Engines in World War II: Britain, Germany, and the United States. Издательство Чикагского университета. ISBN  978-0-226-38859-5.
  20. ^ Eckardt, D. "Gas Turbine Powerhouse". 2014 г. ISBN  978-3-11-035962-6
  21. ^ Owens, Brandon. "The Rise of Distributed Power" (PDF). Получено 15 октября 2015.
  22. ^ Travis R. Doom. "Aeroderivative Gas Turbines" (PDF). Получено 15 октября 2015.
  23. ^ Langston, Lee S. (6 February 2017). "Each Blade a Single Crystal". Американский ученый. Получено 25 января 2019.
  24. ^ Hada, Satoshi; и другие. "Test Results of the World's First 1,600C J-series Gas Turbine" (PDF). Получено 15 октября 2015.
  25. ^ "Gas Turbines breaking the 60% efficiency barrier". Cogeneration & On-Site Power Production. 5 January 2010. Archived from оригинал 30 сентября 2013 г.
  26. ^ Waumans, T.; Vleugels, P.; Peirs, J.; Al-Bender, F.; Reynaerts, D. (2006). Rotordynamic behaviour of a micro-turbine rotor on air bearings: modelling techniques and experimental verification, p. 182 (PDF). ISMA. International Conference on Noise and Vibration Engineering. Архивировано из оригинал (PDF) 25 февраля 2013 г.. Получено 7 января 2013.
  27. ^ Кристофер, Джон. Гонка на самолетах Икс Гитлера (The Mill, Gloucestershire: History Press, 2013), p.74.
  28. ^ Christopher, p.75.
  29. ^ http://www.uwm.edu.pl/wnt/technicalsc/tech_12/B19.pdf
  30. ^ Agrawal, Giri L. (2 June 1997). Foil Air/Gas Bearing Technology – An Overview. ASME 1997 International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exhibition. pp. V001T04A006. Дои:10.1115/97-GT-347. ISBN  978-0-7918-7868-2. Получено 23 июля 2018.
  31. ^ Hazel, Brian; Rigney, Joe; Gorman, Mark; Boutwell, Brett; Darolia, Ram (2008). Development of Improved Bond Coat for Enhanced Turbine Durability. Superalloys. US: The Minerals, Metals & Materials Society. Дои:10.7449/2008/Superalloys_2008_753_760.
  32. ^ "Coatings for turbine blades"
  33. ^ A. W. James et al. "Gas turbines: operating conditions, components and material requirements"
  34. ^ Tamarin, Y. Protective Coatings for Turbine Blades. 2002. ASM International. pp 3-5
  35. ^ A. Nowotnik "Nickel-Based Superalloys"
  36. ^ Latief, F. H.; Kakehi, K. (2013) "Effects of Re content and crystallographic orientation on creep behavior of aluminized Ni-based single crystal superalloys". Materials & Design 49 : 485-492
  37. ^ Caron P., Khan T. "Evolution of Ni-based superalloys for single crystal gas turbine blade applications"
  38. ^ Dick, Erik (2015). "Thrust Gas Turbines". Fundamentals of Turbomachines. 109.
  39. ^ а б Robb, Drew (1 December 2017). "Aeroderivative gas turbines". Turbomachinery International Magazine. Получено 26 июн 2020.
  40. ^ "Vulcan APU startup". Архивировано из оригинал (видео) on 13 April 2013.
  41. ^ "Bristol Siddeley Proteus". Internal Fire Museum of Power. 1999. Архивировано с оригинал 18 января 2009 г.
  42. ^ "Jet Racer". Scrapheap Challenge. Season 6. UK. 2003 г.. Получено 13 марта 2016.
  43. ^ а б c d Schreckling, Kurt (1994). Gas Turbines for Model Aircraft. ISBN  978-0-9510589-1-6.
  44. ^ Kamps, Thomas (2005). Model Jet Engines. Traplet Publications. ISBN  978-1-900371-91-9.
  45. ^ Lee S. Langston (July 2012). "Efficiency by the Numbers".
  46. ^ Kellner, Tomas (17 June 2016). «Вот почему последний мировой рекорд Гиннеса будет держать Францию ​​в сиянии еще долго после того, как футбольные фанаты уйдут» (Пресс-релиз). General Electric. Получено 21 июн 2016.
  47. ^ "HA technology now available at industry-first 64 percent efficiency" (Пресс-релиз). GE Power. 4 декабря 2017.
  48. ^ Ratliff, Phil; Garbett, Paul; Fischer, Willibald (September 2007). "The New Siemens Gas Turbine SGT5-8000H for More Customer Benefit" (PDF). VGB PowerTech. Siemens Power Generation. Получено 17 июля 2010.
  49. ^ Capehart, Barney L. (22 December 2016). "Microturbines". Whole Building Design Guide. National Institute of Building Sciences.
  50. ^ "History of Chrysler Corporation Gas Turbine Vehicles" published by the Engineering Section 1979
  51. ^ "Chrysler Corp., Exner Concept Cars 1940 to 1961" undated, retrieved on 11 May 2008.
  52. ^ Bladon Jets And Jaguar Land Rover Win Funding For Gas Turbine Electric Vehicle Project В архиве 13 марта 2012 г. Wayback Machine
  53. ^ "Gas Turbines For Autos". Популярная наука. 146 (8): 121. May 1946. Получено 13 марта 2016.
  54. ^ Depreux, Stephane (February 2005). "Rétromobile 2005". Classics.com. Архивировано из оригинал on 16 December 2018.
  55. ^ "Gas Turbine Auto". Популярная механика. 101 (3): 90. March 1954.
  56. ^ а б "Turbo Plymouth Threatens Future of Standard". Популярная наука. 165 (1): 102. July 1954. Получено 13 марта 2016.
  57. ^ "Chrysler turbine engines and cars". Allpar.com. Получено 13 марта 2016.
  58. ^ "Italy's Turbo Car Hits 175 m.p.h." Популярная механика. 165 (1): 120. July 1954. Получено 13 марта 2016.
  59. ^ " Big Red " Experimental Gas Turbine Semi Truck 1964 New York World's Fair XD10344. Ford Motor Company. 1966 г.. Получено 4 сентября 2020 - через YouTube.
  60. ^ Holderith, Peter (19 August 2020). "Ford's Giant Turbine Semi-Truck 'Big Red' Is Lost Somewhere in the American Southeast". Привод. нас. Получено 21 августа 2020.
  61. ^ Linden, Lawrence H.; Kumar, Subramanyam; Samuelson, Paul R. (December 1977). Issues in Federally Supported Research on Advanced Automotive Power Systems. Division of Policy Research and Analysis, National Science Foundation. п. 49. HDL:1721.1/31259.
  62. ^ Linden, page 53.
  63. ^ Verrelli, L. D.; Andary, C. J. (May 1972). "Exhaust Emission Analysis of the Williams Research Gas Turbine AMC Hornet". Национальная служба технической информации. OSTI  5038506. PB218687.
  64. ^ Norbye, Jan P. (March 1971). "Tiny 80-HP gas turbine to power compact car". Популярная наука. 198 (3): 34. Получено 13 марта 2016.
  65. ^ Людвигсен, Карл (Ноябрь 1971 г.). "Williams Turbine Takes the Road". Motor Trend. 23 (11).
  66. ^ Norbye, Jan P.; Dunne, Jim (September 1973). "Gas turbine car: it's now or never". Популярная наука. 302 (3): 59.
  67. ^ "Article in Green Car". Greencar.com. 31 октября 2007 г. Архивировано с оригинал 13 августа 2012 г.. Получено 13 августа 2012.
  68. ^ Nagy, Chris (1 October 2010). "The Electric Cat: Jaguar C-X75 Concept Supercar". Automoblog.net. Получено 13 марта 2016.
  69. ^ "Turbine Drives Retired Racing Car". Популярная наука: 89. June 1955. Получено 23 июля 2018.
  70. ^ "The history of the Howmet TX turbine car of 1968, still the world's only turbine powered race winner". Pete Stowe Motorsport History. Июнь 2006 г. Архивировано с оригинал 2 марта 2008 г.. Получено 31 января 2008.
  71. ^ "Serial Hybrid Busses for a Public Transport scheme in Brescia (Italy)". Draft.fgm-amor.at. Архивировано из оригинал 16 марта 2012 г.. Получено 13 августа 2012.
  72. ^ Kay, Antony L. (2002). German jet engine and gas turbine development 1930 - 1945. Эйрлайф. ISBN  9781840372946.
  73. ^ Ogorkiewicz, Richard M. (1991). Technology of Tanks. Jane's Information Group. п.259. ISBN  9780710605955.
  74. ^ Walsh, Philip P.; Paul Fletcher (2004). Gas Turbine Performance (2-е изд.). Джон Уайли и сыновья. п. 25. ISBN  978-0-632-06434-2.
  75. ^ "The first marine gas turbine, 1947". Scienceandsociety.co.uk. 23 апреля 2008 г.. Получено 13 августа 2012.
  76. ^ Søløven class torpedoboat, 1965 В архиве 15 November 2011 at the Wayback Machine
  77. ^ Willemoes class torpedo/guided missile boat, 1974 В архиве 20 августа 2011 г. Wayback Machine
  78. ^ Быстрый ракетный катер
  79. ^ "US Coast Guard Historian's website, USCGC Пойнт Тэтчер (WPB-82314)" (PDF). Получено 13 августа 2012.
  80. ^ "Operation of a Marine Gas Turbine Under Sea Conditions". Journal of the American Society for Naval Engineers. 66 (2): 457–466. 2009. Дои:10.1111/j.1559-3584.1954.tb03976.x.
  81. ^ Future Ship Powering Options: Exploring alternative methods of ship propulsion. Royal Academy of Engineering Prince Philip House. 2013. ISBN  9781909327016.
  82. ^ Центр развития программ военно-морского образования и подготовки Introduction to Marine Gas Turbines (1978) Naval Education and Training Support Command, pp. 3.
  83. ^ Национальный исследовательский совет (США) Innovation in the Maritime Industry (1979) Maritime Transportation Research Board, pp. 127-131
  84. ^ "Jetfoil/hydrofoil Historical Snapshot". Боинг.
  85. ^ "GE - Aviation: GE переходит от установки к оптимальной надежности газотурбинных установок круизных судов". Geae.com. 16 марта 2004 г. Архивировано с оригинал 16 апреля 2011 г.. Получено 13 августа 2012.
  86. ^ «CFD на авиационные двигатели» (PDF). HCL Technologies. Апрель 2011 г.. Получено 13 марта 2016.
  87. ^ Chrystie, R; Бернс, я; Камински, C (2013). "Температурный отклик акустически вызванного турбулентного бедного предварительно смешанного пламени: количественное экспериментальное определение". Наука и технология горения. 185: 180–199. Дои:10.1080/00102202.2012.714020. S2CID  46039754.
  88. ^ Engel, Yunus A .; Болес., Майкл А. (2011). 9-8. Термодинамика: инженерный подход (7-е изд.). Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. п. 510.
  89. ^ «MHI достигает температуры на входе турбины 1600 ° C в ходе испытательной эксплуатации самой высокой в ​​мире тепловой эффективности» Газовая турбина серии J. Mitsubishi Heavy Industries. 26 мая 2011. Архивировано с оригинал 13 ноября 2013 г.
  90. ^ Брейн, Маршалл (1 апреля 2000 г.). «Как работают газотурбинные двигатели». Science.howstuffworks.com. Получено 13 марта 2016.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка