Turbina a gas Il dispositivo e il principio di funzionamento. Attrezzatura industriale

"Turbocharging", "turbojet", "turboelica", - questi termini sono saldamente inclusi nel lessico degli ingegneri del XX secolo, impegnati nella progettazione e nella manutenzione di veicoli e impianti elettrici stazionari. Vengono utilizzati anche nelle aree correlate e nella pubblicità, quando vogliono dare al nome del prodotto un tocco di potenza ed efficienza speciali. Nell'aviazione, nei razzi, nelle navi e nelle centrali elettriche, le turbine a gas sono più comunemente utilizzate. Come è organizzato? Funziona con il gas naturale (come suggerisce il nome) e che tipo di gas sono? Cosa rende una turbina diversa da altri tipi di motori a combustione interna? Quali sono i suoi vantaggi e svantaggi? Un tentativo di rispondere a queste domande nel modo più completo possibile è fatto in questo articolo.

Leader di ingegneria russo

La Russia, a differenza di molti altri stati indipendenti formatisi dopo il crollo dell'URSS, riuscì a mantenere in gran parte l'industria metalmeccanica. In particolare, la società "Saturno" è impegnata nella produzione di centrali elettriche speciali. Le turbine a gas di questa azienda sono utilizzate nella costruzione navale, nelle materie prime e nell'energia. Prodotti high-tech, richiede un approccio speciale durante l'installazione, il debugging e il funzionamento, oltre a conoscenze speciali e costose attrezzature per la manutenzione programmata. Tutti questi servizi sono disponibili per i clienti della società "ODK - Gas Turbines", quindi oggi è chiamato. Non ci sono così tante imprese di questo tipo nel mondo, anche se a prima vista il principio di organizzare i prodotti principali è semplice. L'esperienza accumulata è di grande importanza, che consente di tenere conto di molti dettagli tecnologici, senza i quali è impossibile ottenere un funzionamento duraturo e affidabile dell'unità. Qui ci sono solo una parte della gamma di prodotti UEC: turbine a gas, centrali elettriche, unità di trasferimento del gas. Tra i clienti ci sono Rosatom, Gazprom e altre "balene" dell'industria chimica ed energetica.

La produzione di macchine così complesse richiede in ogni caso un approccio individuale. Il calcolo della turbina a gas è attualmente completamente automatizzato, ma i materiali e le caratteristiche degli schemi elettrici di ogni singolo caso sono importanti.

Tutto è iniziato così semplicemente ...

Ricerche e coppie

I primi esperimenti per trasformare l'energia traslazionale di una corrente in una forza rotazionale furono effettuati dall'umanità in tempi antichi, usando una convenzionale ruota idraulica. Tutto è molto semplice, il liquido scorre dall'alto verso il basso, le lame sono posizionate nel suo flusso. La ruota, equipaggiata con loro attorno al perimetro, gira. Funziona anche mulino a vento. Poi arrivò l'era del vapore e la rotazione della ruota accelerò. A proposito, il cosiddetto "eolipil", inventato dall'antico Heron greco circa 130 anni prima di Cristo, era motore a vapore lavorando esattamente su questo principio. In sostanza, fu la prima turbina a gas nota alla scienza storica (dopotutto, il vapore è uno stato di acqua gassosa aggregata). Oggi, è ancora consuetudine separare questi due concetti. L'invenzione di Heron poi ad Alessandria ha reagito senza molto entusiasmo, anche se con curiosità. Apparecchiature industriali a turbina apparvero solo alla fine del XIX secolo, dopo la creazione dello svedese di Gustaf Laval, la prima unità di potenza attiva al mondo dotata di un ugello. Approssimativamente nella stessa direzione, l'ingegnere Parsons ha lavorato, fornendo alla sua auto diversi passaggi funzionalmente connessi.

La nascita delle turbine a gas

Un secolo prima, una certa brillante idea si presentò a un certo John Barber. Perché è necessario riscaldare prima il vapore, non è più facile utilizzare direttamente il gas di scarico generato durante la combustione del carburante e quindi eliminare inutili intermediazioni nel processo di conversione dell'energia? Così è stata la prima vera turbina a gas. Il brevetto del 1791 espone l'idea di base di usarlo in una carrozza senza cavalli, ma i suoi elementi sono ora utilizzati in moderni razzi, carri armati e motori di automobili. L'inizio del processo di costruzione dei motori a reazione fu dato nel 1930 da Frank Whittle. Ha avuto l'idea di usare una turbina per spingere l'aereo. Successivamente, è stato sviluppato in numerosi progetti turboprop e turbojet.

Turbina a gas Nikola Tesla

Il famoso scienziato-inventore si è sempre avvicinato alle questioni studiate fuori dagli schemi. Sembrava ovvio a tutti che le ruote con lame o lame "catturassero" il movimento del mezzo meglio degli oggetti piatti. Tesla, nella sua solita maniera, ha dimostrato che se il sistema del rotore è assemblato da dischi, disposti su un asse in serie, quindi a causa del rilevamento degli strati limite con un flusso di gas, non girerà peggiore e in alcuni casi addirittura migliore di un'elica a più pale. È vero che la direzione dell'ambiente mobile deve essere tangenziale, che non è sempre possibile o auspicabile negli aggregati moderni, ma il design è notevolmente semplificato - non ha bisogno di lame. Una turbina a gas secondo lo schema Tesla non è stata ancora costruita, ma forse l'idea è solo in attesa del suo tempo.

Schema schematico

Ora sul dispositivo base della macchina. È un set di sistema rotante, montato sull'asse (rotore) e sulla parte fissa (statore). Sull'albero è posizionato un disco con lame funzionanti che formano una griglia concentrica, le quali sono influenzate dal gas fornito sotto pressione attraverso appositi ugelli. Quindi il gas espanso entra nella girante, anch'essa dotata di pale chiamate operai. Per l'aspirazione della miscela aria-carburante e scarico (scarico) sono connessioni speciali. Anche nello schema generale coinvolto un compressore. Può essere eseguito secondo un principio diverso, a seconda della pressione di lavoro richiesta. Per il suo lavoro dall'asse dell'energia è preso, andando a comprimere l'aria. La turbina a gas funziona grazie al processo di combustione della miscela aria-carburante, accompagnata da un significativo aumento di volume. L'albero ruota, la sua energia può essere utile. Questo schema è chiamato single-circuit, ma se si ripete, allora è considerato multi-stage.

Vantaggi delle turbine aeronautiche

Verso la metà degli anni Cinquanta apparve una nuova generazione di aerei, compresi quelli passeggeri (in URSS, questa è l'IL-18, An-24, An-10, Tu-104, Tu-114, Tu-124, ecc.), Nella progettazione di quali motori a pistoni di aerei sono stati finalmente e irrevocabilmente sostituiti da motori a turbina. Questo indica una maggiore efficienza di questo tipo di centrale elettrica. Le caratteristiche di una turbina a gas superano i parametri dei motori a carburatore per molti aspetti, in particolare, in termini di potenza / peso, che è di fondamentale importanza per l'aviazione, oltre che non meno importanti indicatori di affidabilità. Minor consumo di carburante, meno parti mobili, migliori parametri ambientali, rumorosità e vibrazioni ridotte. Le turbine sono meno importanti per la qualità del carburante (che non è il caso dei sistemi di alimentazione), sono più facili da mantenere, non richiedono molto olio lubrificante. In generale, a prima vista sembra che non consistano di metallo, ma di solide virtù. Ahimè, non lo è.

Ci sono motori a turbina a gas e svantaggi

Durante il funzionamento, la turbina a gas si riscalda e trasferisce il calore agli elementi di costruzione circostanti. Ciò è particolarmente critico, ancora una volta, nell'aviazione, quando si utilizza un layout ridisegnato che presuppone il lavaggio a getto della parte inferiore del gruppo di coda. Sì, e l'alloggiamento del motore stesso richiede un isolamento speciale e l'uso di materiali refrattari speciali che possono resistere alle alte temperature.

Le turbine a gas di raffreddamento rappresentano una sfida tecnica difficile. Non è uno scherzo, funzionano nella modalità di un'esplosione praticamente permanente che si verifica nello scafo. L'efficienza in alcune modalità è inferiore a quella dei motori a carburatore, tuttavia, quando si utilizza uno schema a doppio circuito, questo svantaggio viene eliminato, sebbene il progetto sia complicato, come nel caso di includere compressori "boosting" nel circuito. L'accelerazione e la modalità di funzionamento della turbina richiedono del tempo. Più spesso l'unità si avvia e si arresta, più velocemente si consuma.

Applicazione corretta

Bene, nessun sistema è senza difetti. È importante trovare una tale domanda per ciascuno di essi, in cui i suoi meriti si manifesteranno più chiaramente. Ad esempio, serbatoi, come l'americano "Abrams", la base della centrale elettrica che - una turbina a gas. Può essere ricaricato con tutto ciò che brucia, dalla benzina ad alto numero di ottano al whisky, e offre più potenza. L'esempio potrebbe non avere molto successo, poiché l'esperienza in Iraq e in Afghanistan ha dimostrato la vulnerabilità delle pale del compressore alla sabbia. La riparazione delle turbine a gas deve essere effettuata negli Stati Uniti, in fabbrica. Prendi il serbatoio lì, poi torna indietro e il costo del servizio stesso, più i componenti ...

Elicotteri, russi, americani e altri paesi, così come potenti motoscafi, sono meno colpiti dagli zoccoli. Nei razzi liquidi non si può fare a meno di loro.

Anche le moderne navi da guerra e le navi civili hanno motori a turbina a gas. E energia.

Centrali elettriche del trigeneratore

I problemi affrontati dai produttori di aeromobili, non sono così preoccupati per coloro che producono attrezzature industriali per la produzione di energia elettrica. Il peso in questo caso non è così importante e puoi concentrarti su parametri come l'efficienza e l'efficienza complessiva. Le turbine a gas del generatore hanno un telaio massiccio, telaio affidabile e pale più spesse. È abbastanza possibile smaltire il calore prodotto, utilizzando per una varietà di esigenze - dal riciclaggio secondario nel sistema stesso, al riscaldamento di locali residenziali e alla fornitura di energia termica di unità di refrigerazione ad assorbimento. Questo approccio è chiamato trigenerator e l'efficienza in questa modalità si avvicina al 90%.

Centrali nucleari

Per una turbina a gas, non fa una differenza fondamentale ciò che la fonte del mezzo riscaldato dà la sua energia alle sue pale. Può trattarsi di una miscela di aria-carburante bruciata o semplicemente di vapore surriscaldato (non necessariamente acqua), purché fornisca energia ininterrotta. Al loro centro, le centrali elettriche di tutte le centrali nucleari, sottomarini, portaerei, rompighiaccio e alcune navi di superficie militari (l'incrociatore missilistico Peter the Great, per esempio) sono basate su una turbina a vapore (GTU). La sicurezza e le questioni ambientali dettano il circuito chiuso del circuito primario. Ciò significa che l'agente termico primario (nei primi campioni, il piombo ha svolto questo ruolo, ora è stato sostituito con la paraffina), non lascia la zona del vicino-reattore, scorrendo attorno agli elementi del combustibile in un cerchio. La sostanza di lavoro viene riscaldata in circuiti successivi ed evaporata anidride carbonica elio o azoto ruota la ruota della turbina.

Uso diffuso

Le installazioni complesse e di grandi dimensioni sono quasi sempre uniche, la loro produzione viene eseguita in piccoli lotti o vengono realizzati campioni singoli. Molto spesso, le unità prodotte in grandi quantità vengono utilizzate in settori pacifici dell'economia, ad esempio per pompare idrocarburi attraverso condotte. Questi sono quelli fabbricati da ODK con il marchio "Saturn". Turbine a gas stazioni di pompaggio Pienamente coerente con il nome previsto. Pompano davvero gas naturale, usando la propria energia per il proprio lavoro.