Газовая турбина

ГАЗОВАЯ ТУРБИНА, агрегат, в котором энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в работу. Первые газовые турбины появились в конце 19 века как часть газотурбинного двигателя. Газовая турбина может иметь одну или несколько ступеней. Ступень газовой турбины состоит из статора, в корпусе которого установлены неподвижные лопаточные венцы соплового аппарата или поворотные лопатки регулируемого соплового аппарата (РСА), и ротора, представляющего собой совокупность вращающихся частей (рабочее колесо с рабочими лопатками, вал). Число ступеней определяется назначением турбины, её конструктивной схемой, срабатываемым перепадом давлений в одной ступени. По направлению газового потока различают газовые турбины осевые (наиболее распространены) и радиальные, а также диагональные и тангенциальные. В осевых газовых турбинах (рис.) газ движется в основном вдоль оси турбины, в радиальных - перпендикулярно оси. Радиальные турбины могут быть центростремительными (не получили практического применения) и центробежными. По сравнению с осевыми центробежные ступени газовой турбины имеют большую степень понижения давления, но меньший кпд. В диагональной турбине газ течёт под некоторым углом к оси вращения турбины. Рабочее колесо тангенциальной турбины не имеет лопаток, газ вытекает из тангенциально расположенных сопл, создавая крутящий момент. Такие турбины применяются при очень малом расходе газа.

Принципиальная схема осевой турбины (а) и часть развёртки на плоскости кольцевого сечения по лопаткам турбины (б): 1 - сопловый аппарат; 2 - рабочее колесо.

По способу теплоперепада различают реактивные и активные турбины. В реактивных турбинах сжатый и подогретый газ поступает в межлопаточные каналы соплового аппарата, где в процессе расширения происходит преобразование части теплоперепада в кинетическую энергию вытекающей струи. Далее расширение газа и преобразование теплоты в полезную работу происходит в межлопаточных каналах рабочего колеса. Поток газа, действуя на рабочие лопатки, создаёт крутящий момент на валу турбины. При этом температура, давление и абсолютная скорость газа уменьшаются. Рабочие лопатки воспринимают усилия, возникающие вследствие изменения направления скорости газа, обтекающего их (активное действие потока), и в результате ускорения потока газа при его относительном движении в межлопаточных каналах (реактивное действие потока). В активных турбинах в сопловом аппарате весь теплоперепад преобразуется в кинетическую энергию газа. Применение РСА позволяет при повороте лопаток изменять направление газового потока относительно рабочих лопаток с целью повышения кпд турбины на частотах вращения меньше расчётных и создавать тормозной момент. На нерасчётных частотах вращения обеспечивается безударный вход газа в межлопаточные каналы, а для торможения поток направляется против направления рабочего колеса.

По способу подвода газа к турбине различают изобарные и импульсные турбины. Изобарные газовые турбины работают при постоянном давлении перед сопловым аппаратом, а импульсные - с периодически повторяющимся переменным давлением (газ подводится по части окружности соплового аппарата). Мощность газовой турбины может достигать нескольких сотен МВт. Эффективный кпд современных многоступенчатых турбин достигает 0,92-0,94. Газовые  турбины применяются в газотурбинных и турбореактивных двигателях, в агрегатах наддува поршневых двигателей, в стационарных и передвижных энергетических установках, в нефте- и газоперекачивающих агрегатах и др. Газовые  турбины имеют низкую стоимость обслуживания, хорошие экологические характеристики, большой ресурс работы (более 100 тысяч часов). Недостатком газовых турбин является высокий уровень шума, поэтому для их установки используются здания индустриального типа (в том числе контейнерного), которые обеспечивают также влагозащищённость оборудования. Дальнейшее развитие газовых турбин зависит от возможности повышения температуры газа перед турбиной, что связано с созданием жаропрочных материалов и надёжных систем охлаждения лопаток, совершенствования проточной части и др.

Большой вклад в развитие газовых турбин внесли российские учёные Б. С. Стечкин, Н. Р. Брилинг, В. В. Уваров, Г. С. Жирицкий, К. В. Холщевиков, И. И. Кириллов и др.

Лит.: Уваров В. В., Чернобровкин А. П. Газовые турбины. М., 1960; Локай В. И., Максутова М. К., Стрункин В. А. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов. 4-е изд. М., 1991; Теплотехника / Под редакцией А. П. Баскакова. М., 1991.