Большая энциклопедия техники

В настоящее время существует множество разновидностей газогенераторов: ракетного двигателя, автомобильный, для электростанций.

Газогенератор жидкостного ракетного двигателя – агрегат, в котором за счет сгорания или разложения (термического, каталитического и др.) топлива или его компонентов вырабатывается горячий газ (температура 200—900 °С). Он служит рабочим телом для привода турбонасосного агрегата, наддува топливных баков, работы системы управления и др. В газогенераторе чаще всего совместно используются компоненты основного топлива при значениях коэффициента избытка окислительных элементов, отличных от единицы. Иногда в газогенераторах разлагается один из компонентов основного топлива (окислитель или горючее), например несимметричный диметилгидразин. Иногда применяется и вспомогательное ракетное топливо. В зависимости от состава вырабатываемого газа различают восстановительный или окислительный газогенератор. Основные элементы у таких газогенераторов – смесительная головка и корпус.

Автомобильный газогенератор – двигатель автомобиля, который работает на газе, получаемом из твердого топлива в газогенераторе, смонтированном на его шасси. В СССР работы по созданию автомобильного газогенератора были начаты в 1923 г. Серийный выпуск автомобильного газогенератора (ЗИС-13) был освоен в 1938 г. В качестве топлива используются древесные чурки (преимущественно твердых пород, влажностью 20—25%) либо бурый уголь. Также возможно применение древесного угля, торфа, полукокса, антрацита и др. Автомобильный газогенератор предназначен для эксплуатации в районах, отдаленных от мест производства жидкого топлива. Широко применялся во время Великой Отечественной войны 1941—1945 гг., когда ощущался острый недостаток жидкого топлива для нужд автомобильного транспорта. Газогенераторная установка автомобиля состоит из газогенератора, очистительно-охладительного и газосмесительных устройств. Работая на генераторном газе, двигатель развивает значительно меньшую мощность, чем при работе на бензине, это происходит из-за меньшей теплоты сгорания газовоздушной смеси по сравнению с бензовоздушной. Но такие потери мощности могут быть частично компенсированы повышением степени сжатия двигателя (в связи с меньшей склонностью генераторного газа к детонации). Улучшение динамических качеств автомобиля может быть получено изменением передаточного отношения главной передачи. Большая масса газогенераторной установки (примерно 350 кг) снижает ее полезную грузоподъемность.

Например, автомобильный газогенератор на базе автомобиля ЗИЛ-164 (грузоподъемность – 3500 кг, мощность двигателя – 47 кВт) расходует на 100 км пробега 100—140 кг березовых чурок влажностью 25%.

Газодизель

Газодизель – газовый двигатель внутреннего сгорания, относящийся к типу дизелей, в котором воспламенение смеси воздуха и газа происходит при участии запального топлива.

В рабочем цикле четырехтактного газодизеля различают:

1) процесс впуска, в это время происходит перемещение поршня из крайнего верхнего положения в крайнее нижнее положение, а затем вновь в крайнее верхнее положение, впускной клапан закрывается, а горючая смесь, представленная газом, поступает в цилиндр;

2) процесс сжатия, этот процесс протекает с момента закрытия впускного клапана и до момента, когда топливо оказывается в камере сгорания;

3) процесс сгорания, данный процесс в газодизеле обусловлен поступлением в цилиндр жидкого топлива, получившего название запального;

4) процесс расширения, во время этого этапа работы газодизеля происходит преобразование энергии расширяющихся газов в тепловую энергию, за счет чего стенки цилиндра нагреваются;

5) процесс выпуска, при открытом выпускном клапане происходит освобождение цилиндра от отработавших газов.

Применение газодизеля осуществляется главным образом на газоперекачивающих станциях.

Газотурбинный двигатель (ГТД)

Газотурбинный двигатель – разновидность теплового двигателя, в котором происходят сжатие газа и повышение его температуры, в результате чего энергия газа переходит в механическую энергию.

Рабочий процесс газотурбинного двигателя может осуществляться в двух вариантах: с непрерывным сгоранием топлива при постоянном давлении или с прерывистым сгоранием топлива при постоянном объеме.

Идею создания газотурбинного двигателя с газогенератором, поршневым компрессором, камерой сгорания и газовой турбиной впервые предложил в 1791 г. английский изобретатель Дж. Барбер. Через 100 лет русский инженер П. Д. Кузьминский в 1892 г. разработал проект, а в 1900 г. построил газотурбинный двигатель, он был предназначен для небольшого катера. В этом газотурбинном двигателе была применена газовая турбина с большим количеством ступеней (многоступенчатая). Из-за смерти Кузьминского испытания не были доведены до логического завершения. Немецкий инженер Ф. Штольце пытался создать газотурбинный двигатель в период с 1900 по 1904 г. Но его попытки не увенчались успехом. В 1906 г. французские инженеры Р. Арманго и Ш. Лемаль построили газотурбинный двигатель, который работал на керосине, топливо сгорало при постоянном давлении. Но из-за низкого КПД он не получил промышленного применения. Русский инженер В. В. Караводин в 1906 г. спроектировал, а в 1908 г. построил бескомпрессорный 4-камерный газотурбинный двигатель прерывистого сгорания, который при 10 000 об/мин развивал мощность 1,2 кВт (1,6 л. с.). По проекту немецкого инженера Х. Хольцварта в 1908 г. был построен газотурбинный двигатель прерывистого горения. К 1909 г. КПД газотурбинных двигателей с прерывистым горением составлял 24%. Несмотря на этот факт, они не нашли широкого промышленного применения. В России в 1909 г. инженер Н. В. Герасимов получил патент на газотурбинный двигатель. Он был использован им для создания реактивной тяги (турбореактивный газотурбинный двигатель).

Позже, в 1913 г., М. Н. Никольский спроектировал газотурбинный двигатель мощностью 120 кВт (160 л. с.), у которого было три ступени газовой турбины.

В 1923 г. В. И. Базаров предложил схему газотурбинного двигателя, которая максимально близка к схемам современных турбовинтовых двигателей.

В 1930 г. инженеры В. В. Уваров и Н. Р. Брилинг спроектировали, а в 1936 г. построили газотурбинный двигатель с центробежным компрессором. В 1930-е гг. очень большой вклад в создание авиационных газотурбинных двигателей внесли советский конструктор А. М. Люлька (в дальнейшем академик АН СССР), немецкий инженер Л. Франц, английский изобретатель Ф. Уиттл и многие другие. Словацким ученым А. Стодола в 1939 г. в Швейцарии был построен и испытан газотурбинный двигатель мощностью 4000 кВт (5400 л. с.). В 1939 г. в Харьковской лаборатории, руководимой В. М. Маковским, изготовлен газотурбинный двигатель мощностью 736 кВт (1000 л. с.). В качестве топлива использовался газ, который получался при подземной газификации угля. Испытания этого газотурбинного двигателя в Горловке были прерваны Великой Отечественной войной. Огромный вклад в развитие и совершенствование газотурбинных двигателей внесли советские конструкторы и ученые: А. Г. Ивченко, В. Я. Климов, Н. Д. Кузнецов, И. И. Кулагин, Т. М. Мелькумов, А. А. Микулин, Б. С. Стечкин, С. К. Туманский, Я. И. Шнеэ, Л. А. Шубенко-Шубин и многие другие. За рубежом в 1940-е гг. над созданием газотурбинных двигателей работали фирмы «Юнкерс», «БМВ» (Германия), «Бристол Сидли», «Роллс-Ройс» (Великобритания), «Дженерал электрик» и «Дженерал моторс» (США), «Рато» (Франция) и др.

Широкое промышленное применение получили газотурбинные двигатели с непрерывным сгоранием топлива с постоянным давлением. В таком газотурбинном двигателе сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, туда же подается топливо. Сгорая, топливо нагревает воздух, после чего в газовой турбине энергия газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую работу. Большая часть энергии расходуется на сжатие воздуха в компрессоре. Остальная часть работы передается на приводимый агрегат. Работа, которая потребляется этим агрегатом, является полезной работой газотурбинного двигателя.

Полезная работа Le, отнесенная к 1 кг рабочего тела, будет равна разности между работой Lt, развиваемой турбиной при расширении в ней газа, и работой Lk, которая расходуется компрессором на сжатие в нем воздуха. Рабочий цикл газотурбинного двигателя может быть представлен графически в PV-диаграмме, где Р – давление, V – объем. Экономичность газотурбинного двигателя характеризуется его эффективным КПД. Он представляет собой отношение полезной работы к количеству тепла, затраченного на создание этой работы. В современных газотурбинных двигателях КПД компрессоров и турбин соответственно составляет 0,88—0,9 и 0,9—0,92. Температура газа перед турбиной в стационарных и транспортных газотурбинных двигателях составляет 1100—1200 К, а в авиационных достигает 1600 К. При достижении таких температур требуется изготовление деталей газотурбинных двигателей из жаропрочных материалов и применение охлаждения его элементов.

При температуре газов 1000 К и достигнутом совершенстве проточной части КПД двигателя, который работает по простейшей схеме, не превышает 25%. Чтобы повысить КПД, тепло, содержащееся в выходящем из турбины газе, используется в рабочем цикле газотурбинного двигателя для подогрева сжатого воздуха, который поступает в камеру сгорания. В регенеративных теплообменниках происходит теплообмен между отходящими газами и сжатым воздухом, поступающим в камеру сгорания. Рабочий процесс такого газотурбинного двигателя, в котором утилизируется тепло выходящих из турбины газов, называется регенеративным. Подогрев газа в процессе его расширения в турбине совместно с использованием тепла выходящих газов и охлаждение воздуха в процессе его сжатия в компрессоре также способствуют повышению КПД. При этом полезная работа возрастает благодаря увеличению работы Lm, развиваемой турбиной, и уменьшению работы Lk, потребляемой компрессором. Такая схема газотурбинного двигателя в 1930-е гг. была предложена советским ученым Г. И. Зотиковым. Турбина низкого давления и компрессор находятся на одном валу, который, в свою очередь, не связан с валом привода (например, генератора, гребного винта). Частота их вращения может изменяться и зависит от режима работы. Это существенно улучшает экономичность газотурбинных двигателей при частичных нагрузках.

Газотурбинные двигатели могут работать на различных видах топлива: на газообразном (природном газе, попутных и побочных горючих газах, газогенераторных газах, газах доменных и сажевых печей и подземной газификации); на жидком (керосине, газойле, дизельном топливе, мазуте); твердом топливе (угольной и торфяной пыли). Тяжелые жидкие и твердые топлива нашли свое применение в газотурбинных двигателях, работающих по полузамкнутому и замкнутому циклу. В газотурбинных двигателях с замкнутым циклом рабочее тело после совершения работы в турбине не выбрасывается в окружающую среду, а участвует в последующем цикле. В таких газотурбинных двигателях увеличивается единичная мощность, что дает возможность использовать в них ядерное топливо. Газотурбинные двигатели нашли широкое применение в авиации (см. «Авиационный двигатель»). Они устанавливаются в качестве основных двигателей силовых установок самолетов, вертолетов, беспилотных летательных аппаратов и т. п. Газотурбинные двигатели очень широко используют на тепловых электростанциях в качестве привода электрогенераторов. Также они используются в качестве тяговых двигателей газотурбовозов, автобусов, легковых и грузовых автомобилей, гусеничных тракторов, танков; как силовые установки кораблей, катеров, подводных лодок и для привода вспомогательных машин и механизмов (лебедок, насосов и др.); на объектах военной техники в качестве энергетических и тяговых силовых установок. Зачастую они встречаются на передвижных электростанциях (энергопоездах), для привода компрессоров (воздушных и газовых) с одновременной выработкой электрической и тепловой энергии в нефтяной, газовой, металлургической и химической промышленности. И, несмотря на столь широкое применение газотурбинного двигателя, область его применения постоянно расширяется. По статистическим данным, в 1956 г. мощность газотурбинных двигателей во всем мире составила 900 МВт, к 1958 г. она превысила 2000 МВт, а к началу 1968 г. достигла 40 000 МВт (без авиации и военной техники).