Авторы: Неизвестно
Перевод: О. Ю. Харитонов
Название в оригинале: Development of gas turbines
Источник:Интернет портал Britannica
Ознакомительная статья, целью которой является описание происхождения и путей развития газотурбинных установок
Самым ранним устройством для извлечения вращательной механической энергии из проточного газового потока была ветряная мельница. За ней последовала дымовая труба, впервые нарисованная Леонардо да Винчи и впоследствии подробно описанная английским священником Джоном Уилкинсом в 1648 году. Это устройство состояло из нескольких горизонтальных парусов, которые были установлены на вертикальной шахте и приводились в движение горячим воздухом, поднимающимся из трубы. С помощью простой зубчатой передачи дымовая труба использовалась для вращения вертела.
В 19 веке были разработаны различные импульсные и реактивные воздушно-турбинные приводы. Они использовали воздух, сжатый снаружи поршневым компрессором, для привода вращающихся сверл, пил и других устройств. Многие такие агрегаты все еще используются, но они имеют мало общего с современным газотурбинным двигателем, который включает в себя компрессор, камеру сгорания и турбину, чтобы составить автономный первичный двигатель. Первый патент на аппроксимацию такой системы был выдан Джону Барберу из Англии в 1791 году. Конструкция Барбера предусматривала отдельные поршневые компрессоры, выходной воздух которых направлялся через камеру сгорания, работающую на топливе. Затем горячую струю пропускали через сопла на импульсное колесо. Производимая мощность должна была быть достаточной для привода как компрессора, так и внешней нагрузки. Рабочая модель так и не была построена, но эскизы Барбера и низкая эффективность компонентов, доступных в то время, дают понять, что устройство не могло работать, даже если бы оно включало основные компоненты современного газотурбинного двигателя.
Хотя впоследствии было предложено много устройств, первый значительный прогресс был покрыт патентом 1872 года, выданным Ф. Штольце из Германии. Получившая название "пожарная турбина", его машина состояла из многоступенчатого осевого воздушного компрессора, установленного на том же валу, что и многоступенчатая реактивная турбина. Воздух из компрессора проходил через теплообменник, где он нагревался выхлопными газами турбины перед прохождением через отдельно работающую камеру сгорания. Затем горячий сжатый воздух направлялся в турбину. Хотя устройство Штольце предвосхитило почти все особенности современного газотурбинного двигателя, как компрессору, так и турбине не хватало необходимого КПД для поддержания работы при ограниченной температуре на входе в турбину, возможной в то время.
Первая успешная газовая турбина, построенная в Париже в 1903 году, состояла из трехцилиндрового многоступенчатого поршневого компрессора, камеры сгорания и импульсной турбины. Он работал следующим образом: воздух, подаваемый компрессором, сжигался в камере сгорания жидким топливом. Образовавшиеся газы несколько охлаждались впрыском воды и затем подавались в импульсную турбину. Эта система, имевшая тепловой КПД около 3 процентов, впервые продемонстрировала возможность практического применения газотурбинного двигателя.
Два других устройства с прерывистым газовым действием, разработанные примерно в одно и то же время, заслуживают упоминания. Установка мощностью 10 000 оборотов в минуту, построенная в Париже в 1908 году, имела четыре взрывные камеры, расположенные на периферии импульсной турбины де Лаваля. Каждая камера, содержащая воздух и топливо, запускалась последовательно, чтобы обеспечить почти непрерывный поток высокотемпературных газов высокого давления, которые подавались через сопла к турбинному колесу. Мгновенный частичный вакуум, создаваемый горячими газами, выходящими из взрывной камеры, использовался для втягивания нового заряда воздуха.
Еще большее значение имела” взрывная " турбина, разработанная Гансом Хольцвартом из Германии, первые эксперименты которого начались в 1905 году. В этой системе компрессор вводил заряд воздуха и топлива в камеру сгорания постоянного объема. После воспламенения горячий газ высокого давления выходил через подпружиненные клапаны в сопла, направленные против лопастей турбины. Клапаны оставались открытыми до тех пор, пока газ не выходил, после чего в камеру сгорания подавался новый заряд. Поскольку повышение давления в компрессоре составляло лишь около одной четвертой максимального давления, достигнутого после сгорания, установка могла работать даже при низком КПД компрессора. Хольцварт и его коллеги продолжали разрабатывать взрывную турбину в течение более 30 лет, пока она в конечном итоге не была заменена современным газотурбинным двигателем.
Чтобы добиться успеха, стационарный двигатель, основанный на идеях, впервые предложенных Штольце, зависит не только от высокого КПД (более 80%) как для вращающегося компрессора, так и для турбины, но и от умеренно высоких температур на входе в турбину. Первая успешная экспериментальная газовая турбина, использующая как роторные компрессоры, так и турбины, была построена в 1903 году Эгидусом эллингом из Норвегии. В этой машине часть воздуха, выходящего из центробежного компрессора, отводилась для внешнего использования энергии. Оставшаяся часть, которая требовалась для привода турбины, проходила через камеру сгорания, а затем через парогенератор, где горячий газ частично охлаждался. Этот горючий газ охлаждался далее (за счет впрыскиваемого в него пара) до 400° C-максимальной температуры, которую могла выдержать радиальноприточная турбина эллинга. Самая ранняя действующая турбина этого типа давала 11 лошадиных сил. Многие последующие усовершенствования привели к созданию еще одной экспериментальной турбины эллинга, которая к 1932 году могла выдавать 75 лошадиных сил. Он использовал компрессор с 71-процентным КПД и турбину с 82-процентным КПД, работающую при температуре на входе 550° C. норвежская промышленность, однако, не смогла извлечь выгоду из этих разработок, и коммерческие установки не были построены. Первый промышленный успех пришел только в 1936 году, когда швейцарская фирма Брауна Бовери самостоятельно разработала газовую турбину для процесса Гудри.
Кроме того, в середине 1930-х годов группа во главе с Фрэнком Уиттлом из Британского Королевского авиационного завода (RAE) предприняла усилия по разработке эффективной газовой турбины для реактивного движения самолетов. Установка, произведенная группой Уиттла, успешно работала во время испытаний; было установлено, что коэффициент давления около 4 может быть реализован с помощью одного центробежного компрессора, работающего со скоростью примерно 17 000 оборотов в минуту. Вскоре после достижения Уиттла другая группа RAE, возглавляемая А. А. Гриффитом и Х. Константом, начала разработку осевого компрессора. Осевые компрессоры, хотя и гораздо более сложные и дорогостоящие, лучше подходили для детального анализа конструкции лопаток и могли достигать более высоких давлений и скоростей потока и, в конечном счете, более высокой эффективности, чем их центробежные аналоги.
Независимые параллельные разработки в Германии, инициированные Гансом П. фон Охайном совместно с фирмой-производителем Эрнста Хейнкеля, привели к созданию полностью работоспособного реактивного авиационного двигателя с одним центробежным компрессором и радиально-приточной турбиной. Этот двигатель был успешно испытан в первом в мире реактивном самолете 27 августа 1939 года. Последующие немецкие разработки под руководством Ансельма Франца привели к созданию двигателя Junkers Jumo 004 для самолета Messerschmitt Me-262, который впервые был запущен в 1942 году. Как в Германии, так и в Великобритании поискам материалов с более высокой температурой и более длительным сроком службы двигателей способствовал опыт, накопленный при разработке авиационных турбонагнетателей.
До окончания Второй мировой войны на боевых самолетах летали газотурбинные реактивные двигатели, построенные Англией, Германией и США. В течение следующих нескольких десятилетий быстро развивались как пропеллерные газотурбинные двигатели (турбовинтовые), так и чисто реактивные двигатели, причем последние играли все большую роль по мере увеличения скорости самолета.
В связи со значительным прогрессом в разработке газотурбинных двигателей в годы после Второй мировой войны ожидалось, что такие системы станут важным двигателем во многих областях применения. Однако высокая стоимость эффективных компрессоров и турбин в сочетании с сохраняющейся потребностью в умеренных температурах на входе в турбину ограничили внедрение газотурбинных двигателей. Их превосходство остается гарантированным только в области авиационных двигателей для средних и больших самолетов, работающих как на дозвуковых, так и на сверхзвуковых скоростях. Что касается производства электроэнергии, то, как ожидается, по-прежнему будут преобладать крупные центральные электростанции, использующие паровые или гидравлические турбины. Тем не менее перспективы для средних предприятий, использующих газотурбинные двигатели в сочетании с паровыми турбинами, представляются радужными. Вероятно также дальнейшее использование газотурбинных двигателей для получения пиковой мощности. Эти турбинные двигатели также остаются привлекательными для малых и средних, высокоскоростных морских судов и для некоторых промышленных применений.