КАК ТЕОРИЮ ЗАСТАВИЛИ РАБОТАТЬ В ГТД

Виктор Сергеевич Бекнев,
профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана

На первых шагах своего развития газотурбинный двигатель (ГТД) назывался "турбиной внутреннего сгорания", что подчеркивало его основное отличие от паровой турбины, которая работала при внешнем сгорании топлива в специальном агрегате - паровом котле (между прочим, в ОКБ А.А. Микулина, конструктора первых советских крупносерийных ГТД, камеру сгорания ГТД во всех документах долгое время именовали "котлом"). ГТД с его большой удельной мощностью и малой массой очень быстро завоевал внимание конструкторов транспортных машин: в первую очередь - в авиации, морском флоте, на железнодорожном транспорте, а также у создателей бронетанковой техники. Положительные качества ГТД позволяли зачастую пренебречь повышенным расходом топлива в нем. Этот двигатель привлек внимание создателей магистральных газопроводов. Его использовали для привода газовых станций подкачки, расположенных по трассе газопровода; такие устройства получили название газоперекачивающих агрегатов (ГПА). Несколько позже ГТД стал применяться в энергетике в составе газотурбинной установки (ГТУ). В этом качестве он стал самым дешевым источником энергии для развивающихся районов многих стран. Широкое применение нашли как ГТУ простого цикла, так и ее комбинации с паровой турбиной (ПГУ и ГПУ).

Газотурбинный двигатель - самый молодой тепловой двигатель, получающий все более растущее распространение в современной энергетике и на транспорте. Из литературных источников известно о попытках творческих личностей древности, например, Герона Александрийского (Египет), разработать прообраз паровой турбины, а в альбоме рисунков Леонардо да Винчи (XVI столетие) изображена принципиальная схема газовой турбины. К началу XX века все составляющие для создания ГТД уже имелись: в металлургической промышленности на подаче воздуха ("дутье" в сталеплавильную печь) работали лопаточные компрессоры Бессемера; Парсонс и Лаваль предложили первые (пока паровые) турбины активного и реактивного типов; Шухов запатентовал горелку для жидких топлив (ее сразу стали применять в стекольной промышленности и на тепловых станциях). Обо всех этих и других этапных изобретениях "Двигатель" уже писал в последние годы. Дело было за малым: соединить разрозненные элементы в общую конструкцию. Но, увы, само собой такое соединение не работало: все отдельные части были спроектированы - каждая для своих параметров работы. Очень низким получался к.п.д. такой "химерической" машины. Требовалось сопрячь их рабочие режимы так, чтобы, например, поднять обороты компрессоров до тех, на каких эффективны газовые турбины, а турбины заставить длительное время работать при температуре горячих газов за камерой сгорания. Это было возможно только после проведения длительных экспериментов и теоретического обоснования рабочих циклов машины.

При умозрительном анализе работы поршневого двигателя конструктор пытался представить себе характер процессов, происходящих в цилиндре. Было предположено считать, что процессы сжатия и расширения воздуха (газов) протекают адиабатически (без теплообмена с окружающей средой), процесс сгорания топлива в цилиндре двигателя идет мгновенно (почти по изохоре, то есть без изменения объема цилиндра), процесс выталкивания газов идет с постоянным давлением - по изобаре (или "по сплющенной восьмерке"). Время сгорания не отражалось на р-V диаграмме цикла (в цикле Отто). Затем были предложены циклы Дизеля, Сабатэ и др. Все они работали при наличии клапанов в цилиндре двигателя. Моделирование цикла двигателя с медленным сгоранием топлива приписывается Дж. Брайтону (1872 г.), процесс такого сжигания топлива считался процессом р = const и перешел в теорию газотурбинных двигателей современного типа. Так что ГТД работают по циклу Брайтона: это мы ниже еще рассмотрим.

По мере развития ГТД в XIX столетии конструкции их камер сгорания пытались выполнить как с впускными и выпускными клапанами (аналогично тем, что применялись в поршневых двигателях), так и без клапанов, т.е. при непрерывном течении в проточной части ГТД.
Первым "комплектным" ГТД можно назвать газотурбинный двигатель Штольца (Швейцария, патент 1872 года). Комплектным двигатель Штольца можно назвать в связи с наличием в его составе нового устройства, без которого не обходится ни один современный ГТД - турбокомпрессора. В поршневом двигателе роль компрессора выполняет поршень в начале процесса сжатия и на нем же срабатывается энергия горячих газов в конце цикла, да чаще всего и подвод энергии (сгорание) идет тут же. Такое классическое "единство места и времени действия" упрощает конструкцию, но сужает возможности совершенствования каждой из частей цикла. В ГТД Штольца компрессор был выполнен как обращенный ротор осевой многоступенчатой паровой турбины Парсонса с плоскими лопатками. Он имел невысокие характеристики по напору и по к.п.д.

Всеми современными инженерами ГТД подобного типа признавались за весьма перспективные: они не требовали громоздких паровых котлов и энергия сгоравшего топлива использовалась гораздо эффективнее без промежуточного теплоносителя - пара. С другой стороны, газовые турбины, нуждались в повышении температуры газа для более эффективного срабатывания его на лопатках. Для этого необходимо было применять жаропрочные сплавы и систему охлаждения лопаток и роторов газовых турбин. Использование высокотемпературных и высокоскоростных потоков горячего газа на лопатках турбин требовало развития прикладной газовой динамики. Подобные ГТД могли применяться в самых различных областях техники.

Если вопросы конструкционной прочности высокооборотных роторов машин и обеспечения их эффективного охлаждения - хорошие задачи для грамотных инженеров и экспериментаторов, то теоретический анализ характеристик ГТД следовало основывать на технической термодинамике, на теории тепловых циклов, которые почти до самого начала ХХ века особого прикладного смысла не имели, и лишь необходимость прямого применения достижений науки при создании лопаточных машин и ГТД заставила перевести исследования в практическую плоскость.

Уже к середине XIX столетия в работах С. Карно, Р. Клаузиуса и других ученых были созданы основы теории обратимых циклов и процессов как в идеальных, так и в приближающихся к реальным рабочих средах. Были подробно рассмотрены математические выражения для описания первого и второго законов термодинамики, где первый закон основан на более общем законе сохранения энергии, а второй обосновывает направление протекания естественных процессов.

Для изолированной системы первый закон выглядит так:

du = dq - pdv = C_рdT,

где u - внутренняя энергия газа;

q - тепло;

р - давление газа;

С_р - теплоемкость системы, полученная при постоянном давлении;

v - удельный объем.

Это можно описать как "изменение внутренней энергии газа равно разнице между подведенным теплом и совершенной работой".
Математическое выражение второго закона записывается (в представлении Клаузиуса) в виде:

dS = dq/T,

где S - энтропия (по-гречески означает величину, характеризующую тепловое состояние тела или системы тел, иначе говоря - уровень рассеяния тепла по этой системе, или меру внутренней неупорядоченности системы).

Если взять линии Т = const, то есть изотермы, то получаем эквидистантные кривые - изобары, смещенными вдоль оси S. Потери полного давления сопровождаются ростом энтропии. Линии изохор строятся аналогично и проходят круче, чем изобары. Цикл Карно в координатах T - S имеет вид прямоугольника, а цикл Брайтона лежит всегда внутри цикла Карно, экономичность и работа которого всегда наибольшие, а значит, удельная работа цикла и к.п.д. в данном диапазоне температур в цикле Карно всегда максимальны.
Термодинамический цикл теплового двигателя принято изображать идущим по часовой стрелке, и в технической литературе он обычно отображается в термодинамических или в статических (р, Т) параметрах, либо в полных ("заторможенных" - р*, Т*) параметрах. Статические параметры относятся к параметрам движущегося газа, а полные - к параметрам адиабатически заторможенного газа, имеющего скорость СА. В соответствии с уравнением энергии полная температура в точке А потока Т_А* и его статическая температура Т_А связаны уравнением:

Т_А* = Т_А + С_А²/2С_р.

Аналогично, давление выражается формулой р_А*= р_А(Т_А*/Т_А)^к/к-1, где для воздуха С_р приблизительно равно 1000 Дж/кг·К. Использование статических параметров соответствует физической картине течения, а использование параметров заторможенного потока достаточно условно, но позволяет представить на T - S диаграмме потери полного давления в узлах ГТД, что связано с ростом энтропии в этих узлах. Цикл ГТД традиционной схемы (с забором воздуха из атмосферы и выхлопом туда же) может быть назван замкнутым условно, учитывая, что параметры самой атмосферы вне двигателя достаточно постоянны.

Цикл Брайтона в T - S - координатах позволяет продемонстрировать влияние потерь давления в турбомашинах и в камере сгорания ГТД. Термодинамический анализ цикла Брайтона позволяет получить формулы для к.п.д. и удельной мощности ГТД и найти значения оптимальных параметров ГТД при заданных температурах газов перед газовой турбиной и воздуха перед компрессором, а также рассчитать ожидаемую мощность ГТД. По циклу Брайтона работают практически все современные ГТД во всех областях энергетики и транспорта, причем заметны тенденции к использованию конвертированных авиационных ГТД в энергетике. Для охлаждения циклового воздуха можно использовать сухую градирню (теплообменник) либо канал второго контура.

Некоторый интерес представляют отдельные этапы в развитии ГТД. Так, в XIX веке были сделаны попытки создания ГТД со сгоранием топлива в процессе V = const (Хольцварт и др.), но они не получили развития. Многие известные ученые-теплотехники не видели перспектив развития ГТД по сравнению с поршневыми двигателями (в авиации). Исключение составила статья Б.С. Стечкина по теории воздушно-реактивного турбокомпрессорного ГТД, опубликованная в журнале "Техника воздушного флота" № 2, 1929 г. В ней давалась расчетная оценка авиационного реактивного двигателя нового типа, состоящего из компрессора, камеры сгорания и газовой турбины. Известен также случай с инженером А.М. Люлькой. Когда в 30-е годы XX века он предложил схему авиационного ГТД и дал ее на отзыв известным ученым, то лишь один из них - В.В. Уваров дал на эту работу положительный отзыв (что дало основание развернуть работы А.М. Люльки и создать первый отечественный ТРД). И это несмотря на то, что первые в мире авиационные ТРД уже были к тому времени созданы по патенту Ф. Уиттла в Англии - двигатели "Нин" и "Дервент", а также в Германии - ЮМО 004 и BMW 003 по патенту Г. Охайна и Г. Ойстриха.

Только после Великой Отечественной войны у нас были организованы КБ по газотурбинному двигателестроению, на исследования этого типа двигателей был переориентирован головной институт отрасли - ЦИАМ им. П.И. Баранова, и Россия вышла на передовые рубежи этого направления, создавая турбореактивные двигатели самых различных типов и назначений по требованиям промышленности.

Следует вспомнить работы под руководством В.В. Уварова ("Двигатель", № 5, 1999 г.) по высокотемпературным турбовальным ГТД в 1934 г., которые не получили развития из-за переориентирования промышленности на турбореактивные ТРД и двигатели более проработанных схем: собственных, трофейных и лицензионных. На самом деле, группа Уварова разрабатывала этот двигатель как авиационный турбовинтовой двигатель (как его и привыкли именовать ученые МВТУ и соратники по работе), но при удачном завершении работ сфера его применения была бы существенно шире авиации. Впрочем, тема была закрыта почти сразу же после того, как двигатель Уварова прошел сдаточные испытания.

В те же годы в Ленинграде на ЛМЗ и на "Невском заводе" начато создание стационарных энергетических и приводных ГТД по циклу Брайтона и с регенерацией.

В современных энергетических ГТД компрессор имеет диаметр от 1,0 до 2,5 м, а температура газов перед турбиной лежит в диапазоне от 1000 до 1600 К. Экономичность таких ГТД в этих условиях достигает 40...45 % при расходе воздуха до 700 кг/с, что соответствует мощности 800 МВт при частоте вращения вала турбины 3000 оборотов в мин (для привода генераторов с частотой тока 50 Гц). У авиационных ГТД значения параметров цикла часто превышают указанные уровни, что достигается обычно за счет уменьшения ресурса.

Упомянутые уровни были достигнуты в результате длительной и весьма дорогостоящей работы больших коллективов ученых и конструкторов во многих странах. Следует, во-первых, упомянуть работы по созданию газовых турбин из жаропрочных сплавов с охлаждаемыми рабочими и сопловыми лопатками, что обеспечило надежную работу ГТД. Отметим также и работы по повышению эффективности проточной части турбокомпрессоров (осевых и радиальных), включая разработку методов профилирования лопаточных аппаратов при высоких (и сверхзвуковых) скоростях. Большое значение имело обеспечение надежности работы камер сгорания, систем регулирования и т.п.

Удешевление ГТД с ростом мощности связано со снижением удельной массы и его удельного объема благодаря снижению доли вспомогательного оборудования. Повышение к.п.д. с ростом мощности связано с масштабным фактором и ролью концевых потерь в проточной части.

Рассмотренные ГТД на базе простого цикла (как без, так и с введением регенерации для подогрева воздуха (газа) перед камерой сгорания с помощью использования тепла выходящих из турбины газов) производились во всем мире, но практически были вытеснены конвертируемыми ГТД авиационного типа, работающими по простому циклу.

Нельзя не упомянуть о единичных образцах ГТД на базе простого цикла, созданных по замкнутому варианту с использованием ядерного реактора для энергетики, морского флота и космических бортовых источников питания. Различными конструкторами неоднократно предлагались транспортные ГТД для автомобилей и газотурбовозов, но пока они еще не имеют серьезного практического применения.
Возвращаясь к начальным вариантам ГТД простого цикла, которые сразу требовали высокой температуры газов перед турбиной (работы Ч. Парсонса в конце XIX века), нельзя не вспомнить о работах Г.И. Зотикова, предложившего создавать ГТД по усложненному циклу при постоянном давлении, а "низкие" температуры компенсировать введением промежуточного охлаждения (ПО) воздуха при сжатии (в результате уменьшается работа сжатия и промежуточного подогрева (ПП) при расширении). Цикл Г.И. Зотикова приближался к циклу Карно, способствуя повышению к.п.д. ГТД при более низких температурах газа, чем в цикле Брайтона. В цикле Зотикова требовался регенератор, и он был осуществим без особого труда, но удорожал ГТД. Метод повышения к.п.д. ГТД при невысоких Т3 и без регенератора предложил В.В. Уваров, введя в рассмотрение изотермоадиабатический цикл при сгорании при постоянном давлении.

Оба цикла относятся к типу "карнотизированных" циклов, как и цикл ГТД, рассмотренный фирмой BBC в конце 30-х годов XX века. Рассмотрение усложненных циклов ГТД было предложено для реализации невысоких температур, но они могут быть использованы и при современных температурах для получения высоких уровней удельных мощностей и к.п.д. Здесь необходимо отметить ряд попыток создания энергетических ГТД усложненного цикла. Так, в 1970-1980 гг. в СССР была создана перспективная энергетическая ГТ100-750 с промежуточным охлаждением при сжатии и с промежуточным подогревом при расширении. Позже подобная ГТУ была создана в Японии (проект "Лунный свет"). В 1994 г. фирма Alstom создала ГТУ GT-26 с промежуточным подогревом. В 2004 г. фирма General Electric построила ГТУ LMS100 с промежуточным охлаждением, что показывает возможности создания высокоэффективных комбинированных ПГУ энергетики будущего.

В заключение следует рассмотреть варианты так называемых комбинированных установок на базе стандартных паротурбинных установок (ПТУ) и ГТД, что образует парогазовые установки (ПГУ) бинарного типа. В бинарных установках топливо подводится только к одной составляющей такой установки - к ГТД, а вторая часть ПГУ получает тепло от газов после турбины ГТД. Причем следует отметить, что в роли ГТД обычно выступает двигатель простого цикла (т.е. работающий по циклу Брайтона), хотя ГТД по циклу Уварова дает по расчетам более эффективную ПГУ как по удельной мощности, так и по к.п.д.

При современном уровне технологии ПГУ с ГТД по циклу Брайтона дает к.п.д. около 60 %, а ПГУ с ГТД по циклу Уварова может дать к.п.д. около 70 % при большей удельной мощности (на 20...30 %), т.е. при меньших расходах воздуха в ГТД.

Резкое уменьшение давления в КВД цикла Уварова можно получить, разделив цикл на две части средней изобарой и назначив у левого цикла нижнее давление равным атмосферному с введением между полученными циклами теплообменного аппарата - межциклового рекуператора. Два полученных цикла сохраняют конфигурацию исходного цикла Уварова с облегчением его реализации и приблизительным сохранением к.п.д. Получаемый цикл можно назвать "квазибинарным", так как в нем требуется введение дополнительной камеры сгорания и промежуточного охладителя. Дополнительное введение паровой турбины (ПТУ) вводит понятие "квазитринарного" цикла с высокой экономичностью (такой цикл описан в журнале "Теплоэнергетика", № 6, 2005 г.).

Следует отметить, что ПТУ представляет собой самостоятельную термодинамическую систему, которая должна быть оптимизирована сама по себе, а сочетание ГТД со стандартной ПГУ дает лишь частное решение, но не оптимальное. Есть еще предложения по комбинированным установкам типа STIG, где осуществляется процесс смешения газа и пара в самой проточной части установки.
Показатели современных простейших ПГУ подобны показателям простых ГТД, но как удельная стоимость, так и к.п.д. заметно выше. Конструктивное оформление ГТД ближайшего будущего, по-видимому, будет сочетать опыт создания авиационных ГТД с опытом создания стационарных ГТД с введенными в них системами промежуточного охлаждения и промежуточного подогрева, позволяющими улучшать характеристики циклов, приближая их к идеальным.

В заключение можно отметить, что ГТД во всех своих вариантах являются весьма важными компонентами промышленного развития земной цивилизации, пока не исчерпаны запасы органического и ядерного топлива, а в дальнейшем ГТД могут работать в составе солнечных и космических установок замкнутого цикла.