В чем преимущество газовой турбины по сравнению с двс кратко

Обновлено: 07.07.2024

В этой статье речь пойдет о плюсах, минусах и общем принципе работы газово-турбинного двигателя (ГТД), а также краткое сравнение с ДВС. Текст разбит на логические абзацы с подзаголовками и списками.

Из-за нестабильной экономической ситуации в мире приходится искать способы сэкономить. Владельцы и будущие покупатели автомобиля в первую очередь думают об экономичности своей машины. Большую популярность обрела установка газово-турбинного двигателя (ГТД).

Газовая установка (ГТД) – это тепловой двигатель, в котором энергия нагретого и сжатого газа преобразуется в механическую на валу турбины.
Га́зовая турби́на (фр. turbine от лат. turbo — вихрь, вращение) — лопаточная машина, в ступенях которой энергия сжатого и/или нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу. (из Википедии)

Существует всего два типа газовых установок, которые действительно имеют преимущество перед ДВС:

• С несколькими валами

Чаще всего в таком моторе работает 2 турбины (одна приводит в движение компрессор, а другая – автомобиль), которые не соединены между собой, что увеличивает КПД. Компрессор накачивает воздух в камеру сгорания, создавая давление одновременно с тем, как форсунка подает горючее. Из-за сильного сжатия газ воспламеняется и с высокой скоростью вылетает на тяговую и компрессорную турбину.

• Со свободно-поршневой системой

Оппозитно размещенные поршни под давлением воздуха сжимают горючую смесь, в результате чего она воспламеняется и раздвигает их обратно, а после выходит через отводы, вращая при этом турбину. Из-за особенностей конструкции такой двигатель можно сделать только двухтактным.

ДВС на типы не делят, ведь принцип работы у всех один: поршень, возвращаясь в низ, создает разрежение и в цилиндр засасывает горючую смесь (во многих машинах это делает нагнетатель). Далее он снова движется к верхней мертвой точке, после чего в камере сгорания происходит воспламенение, и давление газов обратно движет поршень вниз, вращая коленчатый вал.

Горючая смесь может образовываться внутренне (в цилиндре) и внешне (в карбюраторе). Воспламенение происходит либо за счет сильного давления, либо провоцируется искрой.

Плюсы и минусы

В этом разделе приведены преимущества и недостатки газовой установки относительно ДВС!

Газовые двигатели обрели свою популярность благодаря ряду преимуществ:

В продвинутых промышленных установках КПД может достигать даже 90%, но в автомобилях в среднем – 65%.

Расход топлива несильно отличается, но цена на газ заметно ниже. Из-за того, что КПД выше, горючее расходуется эффективнее. В итоге общая экономия составляет около 60%!

Подвижных частей в ГТД почти в 2 раза меньше. Более лояльные требования к системе смазки. Все это значительно уменьшает шанс серьезной поломки.

Многие люди недолюбливают газовую установку из-за одного серьезного недостатка:

нужно ежегодно проводить ТО (это очень часто), потому что ГТД в отличие от ДВЗ может взорваться, а это летальный исход.

На ТО происходит замена мелких деталей: фильтров, прокладок и прочего.

Стоит ли устанавливать ГТД?

Все зависит от финансов покупателя. Если есть деньги на новую машину, то не стоит. Для города лучше купить гибрид или электромобиль, а для дальних поездок – машину со стандартным ДВС. Если на покупку нового автомобиля средств нет, все зависит от расхода уже имеющегося. К примеру, на современных иномарках менять двигатель, скорее всего, не стоит, а на стареньком ВАЗ 2109 ГТД сэкономит немало денег.

При должном внимании и отношении газовая установка сэкономит значительную сумму и прослужит не менее 20 лет!

Если Вы заметили ошибку, неточность или хотите дополнить материал, напишите об этом в комментариях, и мы исправим статью!

На сегодняшний день многие слышали о таком оборудовании как турбинное. Оно используется в основном для того, чтобы производить энергию для разных сфер жизнедеятельности. Установки применяются в теплоснабжении, промышленности по добыче нефти и по обработке компонентов, на электростанциях, а также на любых энергоустановках.

На сегодняшний день одним из вариантов является газовая турбина, которая широко применяется во многих областях. Именно поэтому стоит рассмотреть, что это такое и на чём построен принцип работы.

Общая информация о газовой турбине

Газовая турбина – это установка, которая позволяет преобразовывать энергию сжатого воздуха в механическое действие. Это категория двигателей внутреннего сгорания, где газ поступает в турбину под давлением. После этого он попадает в низкое давление и при этом ускоряет движение. Поток газа примыкает к лопастям и обеспечивает хороший крутящий момент. При этом, часть энергии отдаётся. Лопасти будут сообщать движения через диски валу.

Среди главных газовых турбин можно отметить два вида:

Микротурбина. Чаще всего используется для систем снабжения электричеством. Это современное оборудование, которое имеет высокую точность.
Промышленные установки, которые часто являются элементом турбогенератора. Такие установки используются в промышленности. Область применения начинается от энергетики и заканчивается машиностроением.

Перед тем как приобретать газовые турбины, стоит рассмотреть все достоинства и недостатки. Такое устройство уже достаточно изучено, поэтому о положительных и отрицательных особенностях можно узнать без особых проблем.

Плюсы газовых турбин

Газовая турбина – это устройство, которое может использоваться во многих сферах жизнедеятельности. Среди главных положительных характеристик нужно отметить следующее:

Такая установка достаточно простая по устройству. Если сравнивать её с паросиловой, то из-за отсутствия котельной, сложной системы проводов, конденсатора, а также большого числа вспомогательных элементов, газовая турбина считается элементарной. При этом вес и количество металлов становится значительно меньше, чем в других подобных устройствах.
Для работы установки необходим небольшой расход воды. Она идёт только на то, чтобы охлаждать масло, которое направляется к подшипникам.
Для такой установки характерна скорость ввода в работу. Пуск занимает примерно 15-20 минут, в то время, как подготовка другой установки может занимать несколько часов.
Такая установка потребляет не только меньше воды, но и меньше масла. Именно поэтому её работа эффективна и малозатратна.
Если говорить о качестве топлива, которое должно использоваться в газовом двигателе, то это абсолютно неважно. Агрегат не будет работать как-то по-другому, если будет залито топливо низкого качества. Никаких сбоев в работе в дальнейшем также не ожидается.
Двигатель отличается хорошей экологичностью. Она основывается на том, что там образуется меньшее число вредных выбросов.
Установка долговечная за счёт того, что при работе создаётся меньшее число вибраций и там присутствует малое количество трущихся частей.
Хороший КПД, поэтому очень часто газовую турбину используют в энергоустановках.
Имеет огромный диапазон работы, который позволяет маневрировать в любых условиях. Именно поэтому газовые установки сейчас находят широкое распространение во многих сферах использования.
Все затраты, которые исходили из покупки такого оборудования всегда будут оправданы и окупятся полностью в самый минимальный срок.

Достоинств у газовой турбины достаточно много. Именно поэтому она и находит свое широкое распространение. Но всё же не стоит судить только по положительным моментам об установке. Лучше всего посмотреть на недостатки, которые возникают при работе.

Минусы газовой турбины

Как и в любом другом устройстве, здесь есть свои недостатки. Все они исходят из определенных критериев по устройству, принципам работы. Среди главных отрицательных характеристик можно отметить следующее:

Большой уровень шума во время эксплуатации. Если говорить о паротурбинных установках, то они будут работать намного тише. Именно поэтому газовые турбины очень часто не выбираются предприятиями.
Мощность такой установки будет ограничена. Ещё недавно она составляла величину до 150 мегаватт. Это обусловлено тем, что установка имеет огромное габариты, а также невысокое начальное давление и меньшие способности, нежели в других устройств.
В таких установках нельзя применять твёрдое топливо по стандартной схеме. Самыми лучшими видами для этого является газ природный, а также сырье. Чаще всего в качестве него выступает керосин. Если говорить о мазуте, то его лучше всего специально подготовить перед работой и удалить все шлакообразующие примеси.
На компрессор расходуется около 70% мощности, которая развивается турбиной. Именно поэтому полезная мощность будет меньше фактической намного.
Чтобы установка выдавала хорошую полезную мощность, начальная температура при работе должна быть 550 градусов. Это весьма высокий показатель, и часто из-за этого возникают определенные трудности. Для изготовления обычно должны использоваться специальные жаростойкие материалы, которые выдерживают всю специфику дальнейшей работы. Помимо этого, там придумываются специальные системы охлаждения наиболее нагреваемых частей.

Выводы и рекомендации

Нужно отметить, что такой агрегат как газовая турбина стоит достаточно дорого. Но вложения всегда будут оправданы за короткий промежуток времени. Именно поэтому многие промышленные предприятия используют такую установку для постоянной работы.

Сейчас существует огромный ассортимент выбора, из которого можно определиться с итогом. Именно поэтому, тщательно рассматривайте достоинства и недостатки, а только после этого делайте покупку.

Га́зовая турби́на (фр. turbine от лат. turbo вихрь, вращение) — это двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого энергия сжатого и/или нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу. [1] [2] Горение топлива может происходить как вне турбины, так и в самой турбине. [источник не указан 404 дня] Основными элементами конструкции являются ротор (рабочие лопатки, закреплённые на дисках) и статор, выполненный в виде выравнивающего аппарата (направляющие лопатки, закреплённые в корпусе).

Содержание

История

Попытки создать механизмы, похожие на турбины, делались очень давно. Известно описание примитивной паровой турбины, сделанное Героном Александрийским (1 в. до н. э.). В восемнадцатом веке англичанин Джон Барбер получил патент на устройство, которое имело большинство элементов, присутствующих в современных газовых турбинах. В 1872 году Франц Столц разработал газотурбинный двигатель. [источник не указан 404 дня] Однако только в конце XIX века, когда термодинамика, машиностроение и металлургия достигли достаточного уровня, Густаф Лаваль (Швеция) и Чарлз Парсонс (Великобритания) независимо друг от друга создали пригодные для промышленного использования паровые турбины. [3]

Принцип работы

Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 11 ноября 2011.

Газ под высоким давлением поступает через сопловой аппарат турбины в область низкого давления, при этом расширяясь и ускоряясь. Далее, поток газа попадает на рабочие лопатки турбины, отдавая им часть своей кинетической энергии и сообщая лопаткам крутящий момент. Рабочие лопатки передают крутящий момент через диски турбины на вал. Газовая турбина чаще всего используется как привод генераторов.

Механически газовые турбины могут быть значительно проще, чем поршневые двигатели внутреннего сгорания. Более сложные турбины (которые используются в современных турбореактивных двигателях), могут иметь несколько валов, сотни турбинных и статорных лопаток, а также обширную систему сложных трубопроводов, камер сгорания и теплообменников.

Упорные подшипники и радиальные подшипники являются критическими элементом разработки. Традиционно они были гидродинамические, или охлаждаемые маслом шарикоподшипники. Их превзошли воздушные подшипники, которые успешно используются в микротурбинах и вспомогательных силовых установках.

Типы газовых турбин

Газовые турбины часто используются во многих ракетах на жидком топливе, а также для питания турбонасосов, что позволяет использовать их в легковесных резервуарах низкого давления, хранящих значительную сухую массу.

Промышленные газовые турбины для производства электричества

Газовая турбина серии GE H. Эта 480-мегаваттная турбинная установка имеет тепловой кпд 60 % в конфигурациях комбинированного цикла.

Отличие промышленных газовых турбин от авиационных в том, что их массогабаритные характеристики значительно выше, они имеют каркас, подшипники и лопастную систему более массивной конструкции. По размерам промышленные турбины варьируются от монтируемых на грузовики мобильных установок до огромных комплексных систем. Парогазовые турбины могут иметь высокий КПД — до 60 % — при использовании выхлопа газовой турбины в рекуперативном генераторе пара для работы паровой турбины. С целью увеличения КПД они также могут работать в когенераторных конфигурациях: выхлоп используется в системах теплоснабжения - ГВС и отопления, а также с использыванием абсорбционных холодильных машинах в системах хладоснабжения. Одновременное использование выхлопа для получения тепла и холода называется режимом тригенерации. Коэффициент использования топлива в тригенераторном режиме, в сравнении с когенераторным может достигать более 90 %. [источник не указан 404 дня]

Турбины в больших промышленных газовых турбинах работают на синхронных с частотой переменного тока скоростях — 3000 или 3600 оборотов в минуту (об./мин.). [источник не указан 404 дня]

Газовые турбины простого цикла могут выпускаться как для большой, так и для малой мощности. Одно из их преимуществ — способность входить в рабочий режим в течение нескольких минут, что позволяет использовать их как мощность во время пиковых нагрузок. Поскольку они менее эффективны, чем электростанции комбинированного цикла, они обычно используются как пиковые электростанции и работают от нескольких часов в день до нескольких десятков часов в год, в зависимости, от потребности в электроэнергии и генерирующей емкости. В областях с недостаточной базовой нагрузкой и на электростанциях, где электрическая мощность выдается в зависимости от нагрузки, газотурбинная установка может регулярно работать в течение большей части суток. Типичная турбина простого цикла может выдавать от 100 до 300 мегаватт (МВт) мощности и иметь тепловой КПД 35-40 %. [источник не указан 404 дня] Максимальные КПД турбин простого цикла достигает 41 %. [источник не указан 404 дня]

Микротурбины

Отчасти, успех микротурбин обусловлен развитием электроники, делающей возможной работу оборудования без вмешательства человека. Микротурбины применяются в самых сложных проектах автономного электроснабжения.

Преимущества и недостатки газотурбинных двигателей

Преимущества газотурбинных двигателей

Очень высокое отношение мощности к весу, по сравнению с поршневым двигателем;
Возможность получения большего количества пара при работе (в отличие от поршневого двигателя)
В сочетании с паровым котлом и паровой турбиной более высокий КПД по сравнению с поршневым двигателем
Перемещение только в одном направлении, с намного меньшей вибрацией, в отличие от поршневого двигателя.
Меньшее количество движущихся частей, чем у поршневого двигателя.
Существенно меньше выбросов вредных веществ по сравнению с поршневыми двигателями
Низкие эксплуатационные нагрузки.
Низкая стоимость и потребление смазочного масла.
Низкие требования к качеству топлива. ГТД потребляют любое горючее, которое можно распылить: газ, нефтепродукты, органические вещества и пылеобразный уголь.

Недостатки газотурбинных двигателей

Стоимость намного выше, чем у аналогичных по размерам поршневых двигателей, поскольку материалы применяемые в турбине должны иметь высокую жаростойкость и жаропрочность, а также высокую удельную прочность. Машинные операции также более сложные;
Имеют меньший КПД при любом режиме работы, чем поршневые двигатели. (Официальные данные (стр.3) КПД на максимальной нагрузке 25-33%, при этом Официальные данные по поршневым двигателям - 41-42%)
Низкий механический и электрический КПД (потребление газа более чем в 1.5 раза больше на 1 кВтЧ электроэнергии по сравнению с поршневым двигателем)
Резкое снижение КПД на малых нагрузках (в отличие от поршневого двигателя)
Необходимость использования газа высокого давления, что обуславливает необходимость применения дожимных компрессоров с дополнительным расходом энергии и падением общей эффективности системы.
Задержка отклика на изменения настроек мощности.
Медленный запуск и выход на режим
Существенное влияние пусков-остановов на ресурс

Эти недостатки объясняют, почему дорожные транспортные средства, которые меньше, дешевле и требуют менее регулярного обслуживания, чем танки, вертолеты и крупные катера, не используют газотурбинные двигатели, несмотря на неоспоримые преимущества в размере и мощности. А также то, почему в аэропортах при короткой стыковке двигатели самолета не останавливают - излишне потребленное топливо дешевле ремонта турбин из-за пусков-остановов.

Примечания

Литература

Техническая газодинамика. — М.: Энергия, 1974. Газодинамика решёток турбомашин. — М.: Энергоатомиздат, 1996.

См. также

Ссылки

Даже не смотря на то, что подавляющее большинство современных автомобилей оснащены именно поршневыми четырехтактными двигателями, история знает примеры попыток установки газотурбинных энергетических установок на стандартное шасси грузовиков или даже легковых авто. Так почему же идея не прижилась и самое главное – как устроен газотурбинный двигатель?

Первое и главное отличие газотурбинного двигателя от поршневого заключается в отсутствии цикличности. К примеру, известно, что поршневые моторы бывают двухтактными или четырехтактными и как следствие рабочий ход у них все равно будет один. Как итог, остальные такты не прибавляют мощности, но делают процесс более энергетически эффективным. В газотурбинном двигателе сжатие топливной смеси, сгорание и выделение энергии происходит каждую секунду. Следовательно, подобная конструкционная особенность предполагает увеличение мощности в 2, а то и в 4 раза больше по сравнению с поршневым мотором.

Главным рабочим органом газотурбинного двигателя являются лопатки. Их форма создана с таким расчетом, дабы обеспечить максимальный КПД всей установки. Изначально воздух сжимается при помощи лопастного компрессора, далее подается в рабочую зону, где впрыскивается топливо, ну а после расширяющиеся газы давят на следующие лопатки и приводят вал во вращение.

Если посмотреть на внутренности газотурбинного двигателя, то мы увидим в нем два ряда лопаток – одни неподвижные, закреплены на корпус, - другие наоборот способны вращается, так как соединены с валом. Такая конструкция объясняется тем, что для получения энергии, газу все равно нужно на что-то опереться, а в данном случае в качестве опоры вsступают как раз те самые неподвижные лопатки корпуса.

Достоинства и недостатки газотурбинных двигателей

Казалось бы, если газотурбинный двигатель на столько мощный, то логично было бы увидеть его и под капотом какой-нибудь гоночной машины, однако даже болиды Формулы 1 все равно ездят как раз на всем том же поршневом моторе.

Высокая инертность. Для того чтобы вывести газотурбинный двигатель на максимальную мощность требуется несравнимо больше времени чем классическому бензиновому или даже дизельному мотору. Этот недостаток отчетливо проявится при трогании с места на светофоре.

Низкий КПД. Если вы хорошо знаете теорию строения классического ДВС, то понимаете, что перед сгоранием воздух в камере сжимается в 10-13 раз. Для поршневой схемы проделать подобный трюк не составляет большого труда, а вот лопатки турбины могут обеспечить аналогичную степень сжатия только после достижения предельных оборотов ротора. Следовательно, высокий КПД достижим только на предельных мощностях, в остальных случаях газотурбинный двигатель будет просто пожирать топливо литрами.

Высокий уровень шума. Исходя из особенностей восприятия человеческого уха, высокие частоты кажутся куда более громкими чем низкие. Но газотурбинный двигатель как раз и генерирует огромное разнообразие высокочастотных звуковых колебаний, которые очень сильно раздражающий слух. Именно по этой причине пилоты вертолетов одевают наушники, чтобы поговорить с другими членом экипажа.

Высокая стоимость. Так ротор газотурбинного двигателя вращается просто с бешеной скоростью, то малейшая ошибка в балансировки неминуемо приведет к развалу всей конструкции. Более того, высокие температуры требует применения особых конструкционных материалов, которые стоят в несколько раз дороже обычной стали.

Проблемы в обслуживании. Если классический мотор еще можно кое-как починить, не имея сложного оборудования, то вод с газотурбинным такой фокус не пройдет, а значит, потребуются дорогие услуги специалистов и их техника.

Сложность устройства трансмиссии. Вал ротора ГТД вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту, колеса авто же делают пару сотен об/мин. Следовательно, для преобразования момента потребуется коробка передач с очень большим передаточным числом. Это выливается в сложность конструкции и потери на трение.

Достоинства газотурбинных двигателей

Высокий КПД на предельных мощностях. Для того чтобы в полной мере реализовать это преимущество автомобиль приходится строить по гибридной схеме.

Многотопливность. Двигатель может работать практически на любом жидком горючем топливе.

Простота запуска при экстремальных минусовых температурах. Чтобы завести рассматриваемый двигатель в лютый холод нужно на порядок меньше усилий. Из рассмотренного материала можно сделать вывод, что будущее применение газотурбинных двигателей в автотранспорте перспективно только в схеме гибридов. Но, однако, кардинальное преимущество ГТД даже и в этом случае тоже не очевидно, а вот разница в стоимости вполне.

Читайте также: