МВК Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева–КАИ
 
Кафедра газотурбинных и паротурбинных установок и двигателей
ПоискНа главную

История турбостроения

Идея использования энергии горячих дымовых газов для совершения механической работы известна человечеству очень давно. По имеющимся данным она была высказана и реализована еще Героном Александрийским, которым был построен прибор, где для целей вращения использовалась энергия восходящего горячего газового потока.

Позднее, в ХV веке, Леонардо да Винчи была высказана идея «дымового вертела» (рис.1.) для обжарки туш животных. Принцип действия «дымового вертела» совершенно подобен принципу действия ветряной мельницы. «Дымовой вертел» размещался в дымоходе, и вращение его создавалось дымовыми газами, проходившими через колесо с насаженными на него лопастями. (необходимо показать рисунок или схему вертела)

Поколение, создавшее паровую машину, уже было знакомо с идеей ротационного двигателя. Даже один из первых создателей паровой машины Д. Уатт, его сотрудники и приемники пытались построить ротационный паровой двигатель. Подобное устройство было осуществлено в средние века. Первый  патент, на двигатель задуманный по существу по тому же принципу, по которому строятся газовые турбины был выдан в 1791 году в Англии Джону Барберу. В патенте Барбера, хотя и в примитивной форме, были представлены все основные элементы современных газотурбинных установок: имелись воздушный и газовый компрессоры, камера горения и активное турбинное колесо. Для работы предполагалось использовать продукты перегонки угля, дерева или нефти. Для понижения температуры рабочих газов предполагалось впрыскивание воды в камеру горения. (необходимо показать рисунок или схему его установки)

Однако технический уровень промышленности в XVIII и XIX вв. обеспечивал возможность производства паровых поршневых машин, но был недостаточен для постройки паровых турбин. К тому же в новом мощном быстроходном двигателе не ощущалась вплоть до второй половины XIX в., когда слабость энергетической базы стала тормозом на пути технического и материального роста капиталистической промышленности.

Внедрение электротехники в промышленность в 1890-х годах ознаменовало новый этап развития энергетической базы промышленности. Осуществление электрического привода вместо механического, внедрение электродвигателя и централизованная выработка электроэнергии породили крупнейшую революцию во всех областях промышленности.

Создание динамомашины потребовало быстроходного первичного двигателя. Строители паровых поршневых машин основные усилия основные усилия устремляют на создание быстроходных машин. Однако для непосредственного соединения с динамомашиной это были все же тихоходные двигатели. Наряду с этим паровые поршневые машины выполнялись лишь небольшой мощности в одном агрегате и обладали низкой тепловой экономичностью.

Дальнейшая концентрация капиталистического производства вызвала необходимость создания более мощных и быстроходных двигателей. На этом этапе быстроходность двигателя вступила в противоречие с потребными мощностями. Это противоречие сняла паровая турбина. Технический уровень машиностроительной и металлургической промышленности поднялся к этому  времени на значительную высоту и обеспечил возможность постройки турбин. Теоретические предпосылки в части исследований свойств водяного пара и законов его истечения были уже налицо. Наконец уже известен был принцип многоступенчатости турбин ( предложение Турнера, 1853 г.) и тем самым теоретически было преодолено препятствие к созданию целесообразной конструкции проточной части, связанными с высокими скоростями истечения пара.

Наибольший сдвиг в деле конструктивного оформления паровой турбины и дальнейшего его развития наметился в конце позапрошлого столетия, когда в Швеции инженер Густав Лаваль и в Англии Чарльз Парсонс, независимо друг от друга, стали работать над созданием и дальнейшим усовершенствованием паровой турбины и достигли результатов. Которые позволили паровой турбине в своем последующем развитии стать основным типом двигателя для привода генераторов электрического тока и получить широкое применение в качестве двигателя для гражданских и военных кораблей.

Переломным годом в деле внедрения паровой турбины явился последний год позапрошлого века (1899 г.) когда первой фирмой Парсонса в Англии были изготовлены две очень крупные по тем временам турбины по 1000 квт для электрической станции.  Параллельно с развитием и внедрением паровых турбин шло развитие двигателей внутреннего сгорания, работающих как на жидком, так и на газообразном топливе (газовые двигатели).

Основное распространение двигателя внутреннего сгорания получили в автомобильной промышленности. Первый двигатель внутреннего сгорания появился в 70-х годах позапрошлого столетия. Всего лишь через полтора десятка лет был создан автомобильный двигатель. А в 1895 автомобильная промышленность добилась высоких результатов, создав двигатель с удельным расходом топлива 260 г/л. с. ч.

Период после первой империалистической войны связан с новым этапом развития энергетической техники. В XX в. электричество вторгается в промышленную технологию, вызывает к жизни новые технологические отрасли, вовлекает в производство новые виды сырья и дает новые виды изделий.  Именно в этот период начинается настойчивая работа отдельных исследователей и промышленных предприятий над проблемой газотурбостроения. Возможность создания газовой турбины связана с передовыми тенденциями в теплотехнике  — созданием высоконапряженных топочных устройств, высоконапорных и высокоэкономичных компрессоров, высокоэкономичных профилей лопаток турбин, высоконапряженных теплообменных аппаратов, высококачественных жаростойких и жаропрочных сплавов.

Паровая турбина и двигатель внутреннего сгорания пришли на смену поршневой паровой машине с ее основными недостатками: а) наличием поршня с возвратно – поступательным движением; б) потребностью в паровом котле с его сложным хозяйством.

Паровая турбина как ротационный двигатель свободна от поршня, но нуждается в паровом котле. Двигатель внутреннего сгорания не нуждается в котельном хозяйстве, но сохраняет поршень. Газовая же турбина не имеет поршня и не нуждается в котле.

Появление первых газовых турбин в России связано с морским инженером П.Д. Кузьминским. В 1896 – 1900 гг. он разработал, построил и испытал в Санкт — Петербурге ГТД, в котором процесс сгорания протекал при постоянном давлении (p=const). Двигатель предназначался для небольшого катера и состоял из небольшого катера и состоял из камеры сгорания, в которую из баллона поступал сжатый воздух, необходимый для сжигания керосина.

В 1906 г. во Франции Арменго и Ш. Лемаль получили на ГТУ p=const

мощность 22 кВт (30 л.с.) и КПД 2%. После этих испытаний у специалистов создалось мнение о бесперспективности развития ГТУ p=const из-за больших потерь в компрессоре и турбине и эффективности создания ГТУ по циклу v=const. Работы таких талантливых русских изобретателей таких как Н.В. Герасимов, А.П. Горохов, М.Н. Никольский, свидетельствуют о том что еще в начале века в России представители передовой технической мысли подошли к разрешению проблемы создания нового типа двигателя. Большой вклад в теорию и практику газотурбостроения внесли В.М. Маковский, Г. И. Зотиков, Н.Р. Бриллинг, В.В. Уваров, которые исследователи ГТУ с циклом p=const. Ведущие зарубежные специалисты Г. Хольцварт и В. Шюле разрабатывали ГТУ с циклом v=const. Поздние исследования по охлаждению газовых турбин проводили Г.С. Жирицкий, Я. И. Шнеэ и др.

После 1945 г. в СССР и других странах начинается бурное развитие авиационного газотурбостроения. Опытно – конструкторскими бюро под руководством А.М. Люльки, В.Я. Климова, А.А. Микулина, А.Д. Швецова, Н.Д. Кузнецова, С.К. Туманского, С.П. Изотова, П.А. Соловьева, А.Г. Ивченко и других конструкторов созданы мощные и экономичные современные авиационные двигатели, в которых в процессе совершенствования удельные массы и расход топлива снижены 2-3 раза. Стационарное и транспортное газотурбостроение развивалось не столь быстрыми темпами, но тем не менее достигло значительных успехов.

Теоретическое исследования отечественных ученых нашли отражение в монографиях и учебниках. Вопросам теории и методам расчета ГТУ и их элементов посвящены первые учебники Г.С. Жирицкого и И.И. Кириллова, изданные в 1948г. Жирицкий и его сотрудники – В.И. Локай, М.К. Максутова, В.А. Стрункин – стояли у истоков исследования высокотемпературных ГТД с охлаждаемыми воздухом турбинами. Термодинамические циклы простых и сложных ГТУ, расчет элементов этих установок, а так же теория переменных режимов ГТУ рассмотрены в книгах Я.И. Шнеэ, В.М. Капиноса и И.В. Котляра. Теория различных схем, комбинированных установок на основе ГТУ и паротурбинных установок (ПТУ) весьма полно раскрыта в трудах Л.В. Арсеньева, В.Г. Тырышкина.

Возрастание КПД ГТУ достигается несколькими путями: улучшением экономичности элементов ( компрессора, турбины, камеры сгорания, теплообменника), увеличением температуры перед турбиной и соответственно степени повышения давления; введением регенерации теплоты; карнотизацией цикла; применением сложного термодинамического цикла в комбинированных установках, включающих ГТУ, ПТУ, МГД-генератор, ДВС. Наибольшие усилия направлены на уменьшение термодинамических потерь в элементах ГТУ, совершенствование систем охлаждения горячих частей, повышение жаропрочности материалов и создание неохлождаемых высокотемпературных материалов. Повышение температуры ведет не только к возрастанию КПД. Но ик увеличению удельной работы газа, а так же к снижению металлоемкости ГТД, что особенно актуально для авиационных двигателей.

Начиная с 1990 г. растущая потребность в стационарных энергетических и особенно в приводных ГТУ для газоперекачивающих станций удовлетворяющих для газоперекачивающих станций удовлетворяется на основе использования авиационных турбовинтовых, двухконтурных и турбореактивных двигателей. На заводах и объединениях России с участием иностранных фирм «Пратт Уитни», Дженерал Электрик», Роллс-Ройс» и других создаются и проектируются стационарные установки мощностью от 6 до 200МВт с КПД 26 – 40%, работающие на природном газе и керосине. Такое направление, являясь обоснованным для России 90-х годов, нельзя признать перспективным, поскольку в стационароной энергетике эффективны, как правило, экономичные, но дешевые установки, работающие на тяжелых или твердых топливах. Поэтому создание энергоустановок с использованием высокотемпературных легких авиационных ГТД экономически мало оправдано.

Совершенствованием тепловых циклов в настоящее время занимаются лишь при выборе варианта соединений ГТУ с ПТУ. Это способствует повышению КПД комбинированной установки, но обычно приводит к увеличению ее удельных размеров и стоимос

 

КНИТУ-КАИ