Газотурбинное топливо

Газотурби'нное то'пливо,углеводородные газы или жидкое нефтяное топливо, используемые в газовых турбинах.Газообразное Г. т. (природные газы) применяют главным образом в газотурбинных установках, работающих на станциях перекачки газов магистральных газопроводов; жидкие Г. т. - в транспортных (автомобильных, тепловозных, судовых) и крупных стационарных газовых турбинах. К нефтяным Г. т. относятся дистилляты, получаемые при перегонке нефти, переработке продуктов крекинга, дистилляты замедленного коксования мазутов и др. продукты вторичной переработки нефти. Основные требования, предъявляемые к Г. т., - низкое содержание ванадия (2-6)-10 ^-4% и малая зольность. В Г. т. добавляют присадки,снижающие коррозию лопаток, отложение нагаров и золы. Промышленность СССР выпускает два вида Г. т.: с t _заст- 5°С (для локомотивных газотурбинных двигателей) и - 12°С (для др. транспортных и стационарных газовых турбин).

  Н. Г. Пучков.

Газотурбинный автомобиль

Газотурби'нный автомоби'ль,автомобиль, оборудованный газотурбинным двигателем . Преимущества силовой установки Г. а. - малая масса, небольшие размеры, отсутствие специального жидкостного или воздушного охлаждения, динамическая уравновешенность, быстрый запуск при низких температурах воздуха, возможность использования различных видов жидкого и газообразного топлива, незначительная токсичность отработавших газов, высокие тяговые качества и простота конструкции.

  Работы по созданию Г. а. (предназначаемых главным образом для эксплуатации в местностях с низкими среднегодовыми температурами, а также в качестве тягачей большегрузных автопоездов, многоместных автобусов и тяжёлых самосвалов) находятся в стадии эксперимента как в СССР, так и за рубежом (концерны «Форд», «Дженерал моторс» и «Интернэшонал» в США, фирма «Лейленд» в Великобритании). Первый экспериментальный Г. а. в СССР создан в 1958.

  Лит.:Газотурбинные автомобили за рубежом (обзор), М., 1966.

  А. А. Душкевич.

Газотурбинный двигатель

Газотурби'нный дви'гатель(ГТД), тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины. Рабочий процесс ГТД может осуществляться с непрерывным сгоранием топлива при постоянном давлении или с прерывистым сгоранием топлива при постоянном объёме.

  В 1791 английский изобретатель Дж. Барбер впервые предложил идею создания ГТД с газогенератором,поршневым компрессором , камерой сгорания и газовой турбиной.Русский инженер П. Д. Кузьминский в 1892 разработал проект, а в 1900 построил ГТД со сгоранием топлива при постоянном давлении, предназначенный для небольшого катера. В этом ГТД была применена многоступенчатая газовая турбина. Испытания не были завершены из-за смерти Кузьминского. В 1900-04 немецкий инженер Ф. Штольце пытался создать ГТД, но неудачно. В 1906 французский инженер Р. Арманго и Ш. Лемаль построили ГТД, работавший на керосине, со сгоранием топлива при постоянном давлении, но из-за низкого кпд он не получил промышленного применения. В 1906 русский инженер В. В. Караводин спроектировал, а в 1908 построил бескомпрессорный ГТД с 4 камерами прерывистого сгорания и газовой турбиной, который при 10 000 об/минразвивал мощность 1,2 квт(1,6 л. с.). В 1908 по проекту немецкий инженера Х. Хольцварта был построен ГТД прерывистого горения. К 1933 кпд ГТД с прерывистым горением составлял 24%, однако они не нашли широкого промышленного применения. В России в 1909 инженер Н. В. Герасимов получил патент на ГТД, который был использован им для создания реактивной тяги (турбореактивный ГТД); в 1913 М. Н. Никольской спроектировал ГТД мощностью 120 квт(160 л. с.) с трёхступенчатой газовой турбиной; в 1923 В. И. Базаров предложил схему ГТД, близкую к схемам современных турбовинтовых двигателей; в 1930 В. В. Уваров при участии Н. Р. Брилинга спроектировал, а в 1936 построил ГТД с центробежным компрессором. В 30-е гг. большой вклад в создание авиационных ГТД внесли советский конструктор А. М. Люлька (ныне академик АН СССР), английский изобретатель Ф. Уиттл, немецкий инженер Л. Франц и др. В 1939 в Швейцарии был построен и испытан ГТД мощностью 4000 квт(5400 л. с.) .Его создателем был словацкий учёный А. Стодола. В 1939 в Харькове, в лаборатории, руководимой В. М. Маковским, изготовлен ГТД мощностью 736 квт(1000 л. с.) .В качестве топлива использован газ, получаемый при подземной газификации угля. Испытания этого ГТД в Горловке были прерваны Великой Отечественной войной. Большой вклад в развитие и совершенствование ГТД внесли советские учёные и конструкторы: 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 др. За рубежом в 40-е гг. над созданием ГТД работали фирмы «Юнкерс», «БМВ» (Германия), «Бристол Сидли», «Роллс-Ройс» (Великобритания), «Дженерал электрик» и «Дженерал моторс» (США), «Рато» (Франция) и др.

  Наибольшее промышленное применение получили ГТД с непрерывным сгоранием топлива при постоянном давлении. В таком ГТД ( рис. 1 ) сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, туда же подаётся топливо, которое, сгорая, нагревает воздух; затем в газовой турбине энергия газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую работу, большая часть которой расходуется на сжатие воздуха в компрессоре. Остальная часть работы передаётся на приводимый агрегат. Работа, потребляемая этим агрегатом, является полезной работой ГТД.

  Полезная работа L _e, отнесённая к 1 кграбочего тела, равна разности между работой L _t развиваемой турбиной при расширении в ней газа, и работой L _k, расходуемой компрессором на сжатие в нём воздуха. Графически рабочий цикл ГТД может быть представлен в PV-диаграмме, где Р -давление, V -объём ( рис. 2 ). Чем выше кпд компрессора и турбины, тем меньше L _Kи больше L _T,т. е. полезная работа увеличивается. Повышение температуры газа перед турбиной также способствует росту полезной работы L ¹ _c(линия 3'4' на рис. 2 ). Экономичность ГТД характеризуется его эффективным кпд, который представляет собой отношение полезной работы к количеству тепла, затраченного на создание этой работы.

  В современных ГТД кпд компрессоров и турбин соответственно составляет 0,88-0,9 и 0,9-0,92. температура газа перед турбиной в транспортных и стационарных ГТД составляет 1100-1200 К, а в авиационных достигает 1600 К. Достижение таких температур стало возможным благодаря изготовлению деталей ГТД из жаропрочных материалов и применению охлаждения его элементов. При достигнутом совершенстве проточной части и температуре газов 1000 К кпд двигателя, работающего по простейшей схеме, не превышает 25%. Для повышения кпд тепло, содержащееся в выходящем из турбины газе, используется в рабочем цикле ГТД для подогрева сжатого воздуха, поступающего в камеру сгорания. Теплообмен между отходящими газами и сжатым воздухом, поступающим в камеру сгорания, происходит в регенеративных теплообменниках, а рабочий процесс ГТД, в котором утилизируется тепло выходящих из турбины газов, называется регенеративным. Повышению кпд способствуют также подогрев газа в процессе его расширения в турбине, совместно с использованием тепла выходящих газов, и охлаждение воздуха в процессе его сжатия в компрессоре ( рис. 3 ). При этом полезная работа возрастает благодаря увеличению работы L _mразвиваемой турбиной, и уменьшению работы L _K, потребляемой компрессором. Схема такого ГТД в 30-е гг. была предложена советским учёным Г. И. Зотиковым. Компрессор и турбина низкого давления находятся на одном валу, который не связан с валом привода, например, генератора, гребного винта. Их частота вращения может изменяться в зависимости от режима работы, что существенно улучшает экономичность ГТД при частичных нагрузках.

  ГТД могут работать на газообразном топливе (природном газе, попутных и побочных горючих газах, газогенераторных газах, газах доменных и сажевых печей и подземной газификации); на жидком топливе (керосине, газойле, дизельном топливе, мазуте); твёрдом топливе (угольной и торфяной пыли). Тяжёлые жидкие и твёрдые топлива находят применение в ГТД, работающих по полузамкнутому и замкнутому циклу ( рис. 4 ). В ГТД замкнутого цикла рабочее тело после совершения работы в турбине не выбрасывается, а участвует в следующем цикле. Такие ГТД позволяют увеличивать единичную мощность и использовать в них ядерное топливо. ГТД нашли широкое применение в авиации (см. Авиационный двигатель ) в качестве основных двигателей силовых установок самолётов, вертолётов, беспилотных летательных аппаратов и т. п. ГТД используют на тепловых электростанциях для привода электрогенераторов; на передвижных электростанциях, например в энергопоездах; для привода компрессоров (воздушных и газовых) с одновременной выработкой электрической и тепловой энергии в нефтяной, газовой, металлургической и химической промышленности; 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 (лебёдок, насосов и др.); на объектах военной техники в качестве энергетических и тяговых силовых установок. Область применения ГТД расширяется. В 1956 мощность ГТД во всём мире составила 900 Мвт,к 1958 она превысила 2000 Мвт,а к началу 1968 достигла 40 000 Мвт(без авиации и военной техники). Наибольшая единичная мощность выпускаемых в СССР ГТД составляет 100 Мвт(1969). Достигнутый эффективный кпд двигателей - 35%.

  Развитие ГТД идёт по пути совершенствования его элементов (компрессора, турбины, камеры сгорания, теплообменников и др.), повышения температуры и давления газа перед турбиной, а также применения комбинированных силовых установок с паровыми турбинами и свободнопоршневыми генераторами газа. Эксплуатация таких установок в стационарной энергетике и на транспорте показала, что при утилизации тепла отходящих газов и высоком совершенстве основных элементов их эффективный кпд достигает 42-45%.

  Лит.:Бикчентай Р. Н., Лоноян Г. С., Поршаков Б. П., Применение газотурбинных установок в промышленности, М., 1959; Уваров В. В. и Чернобровкин А. П., Газовые турбины, М., 1960; Шнеэ Я. И., Газовые турбины, М., 1960; Основы проектирования и характеристики газотурбинных двигателей, [пер. с англ.], М., 1964; Газотурбинные установки. Атлас конструкций и схем, М., 1967; Simmons С. R., Gas turbine manual, L., 1968.

  См. также лит.при ст. Авиационная газовая турбина.

  С. З. Копелев.

Рис. 4. Схема газотурбинного двигателя, работающего по замкнутому циклу: 1 - поверхностный нагреватель; 2 - турбина; 3 - компрессор; 4 - охладитель; 5 - регенератор; 6 - аккумулятор воздуха; 7 - вспомогательный компрессор.

Рис. 2. Рабочий цикл газотурбинного двигателя в PV-диаграмме: 1Р _НР ₂2 - L _К; 4Р _НР ₂3 - L _Т; 4 123 - L _е; 4 ¹123 ¹- L ¹ ₂.

Рис. 1. Газотурбинный двигатель: 1 - центробежный компрессор; 2 - камера сгорания; 3 - топливная форсунка; 4 - сопловой аппарат; 5 - рабочее колесо турбины; 6 - выхлопной патрубок.

Рис. 3. Схема газотурбинного двигателя с регенерацией тепла, охлаждением воздуха в процессе сжатия и подогревом газа в процессе расширения: 1 - пусковой двигатель; 2, 3, 4 - компрессоры низкого, среднего и высокого давления; 5 - камера сгорания; 6, 7 - турбины высокого и низкого давления; 8 - регенератор; 9 - охладитель воздуха.

Газотурбовоз

Газотурбово'з,локомотив с газотурбинным двигателем (ГТД) или комбинированным двигателем, свободнопоршневым генератором газа (СПГГ), соединённым с газовой турбиной. Почти все существующие Г. имеют одновальную газотурбинную установку открытого цикла с электрической передачей ( рис. 1).

  Г. появились впервые в США в 1948, в 1969 на железной дороге Юнион Пасифик эксплуатировалось до 50 Г. с ГДТ мощностью 3300 квт(4500 л. с.) и 6300 квт(8500 л. с.). Отдельные Г. были изготовлены также в Великобритании, Швеции, Швейцарии и Чехословакии. Первые советские Г. находятся в эксплуатации с 1965.

  Силовая установка Г. с электрической передачей состоит из газовой турбины, компрессора, генератора постоянного тока и тяговых электродвигателей. Генератор обеспечивает питание электрической энергией тяговых электродвигателей, устанавливаемых обычно по одному на каждую движущую ось локомотива.

  Вид передачи мощности от вала газовой турбины к движущим колёсам Г. определяется типом ГТД и его назначением. При одновальном ГТД применяется электрическая передача тепловозного типа; т. н. жёсткие передачи, использование которых возможно в Г. при многовальном двигателе, бывают механические (главный редуктор, карданы, осевые редукторы) или электрические переменного тока (синхронные генераторы, асинхронные короткозамкнутые двигатели). На Г. имеется также пусковая установка, обычно дизельная - 150-240 квт(200-300 л. с.) .Её основное назначение - довести скорость вращения генератора до величины, при которой компрессор начинает подавать воздух в камеру сгорания. Кроме того, эта установка передвигает локомотив, когда он следует без состава, и питает ряд вспомогательных агрегатов. Газотурбинная установка Г. обычно работает на тяжёлом жидком топливе или газе.

  Г. имеют ряд преимуществ не только перед паровозами, но по некоторым показателям и перед тепловозами. Так, удельная масса Г., т. е. масса па единицу мощности, составляет около 50% массы паровоза и 75% массы тепловоза; компактность газотурбинной установки позволяет уменьшить длину локомотива примерно в 2 раза по сравнению с тепловозом равной мощности; силовая установка Г. не требует водоснабжения; простота конструкции газотурбинного агрегата обеспечивает надёжность и бесперебойность его работы, облегчает обслуживание и текущий ремонт. Управление Г. сводится к регулированию подачи горючего в камеру сгорания. Надлежащий режим электрической передачи обеспечивается автоматически.

  Г. Коломенского тепловозостроительного завода Г1-01 ( рис. 2) отличается высокой надёжностью ГТД, простотой ухода и ремонта, возможностью работы на тяжёлом топливе.

  Развитие газотурбовозостроения пока не вышло из опытной стадии, главным образом из-за сравнительно невысокого кпд (примерно в 2 раза ниже кпд тепловоза). Ведутся работы над повышением кпд Г. Например, Луганским тепловозостроительным заводом построен опытный Г. с СПГГ мощностью 2200 квт (3000 л. с.). Силовая установка состоит из 4 электрических генераторов, работающих на одну газовую турбину, гидромеханической передачи и вспомогательного оборудования. Подобные опытные Г. созданы также во Франции и Швеции. Кпд таких Г. может достигать 30-32%.

  Лит.:Белоконь Н. И., Газотурбинные локомотивы, «Железнодорожный транспорт», 1955, № 4: Локомотивные газотурбинные установки, М., 1962; Бартош Е. Т., Газотурбовозы, М., 1963; Вопросы создания мощных газотурбинных локомотивов. [Сб. ст.], М.,.1966.

  Е. Т. Бартош.

Рис. 1. Схема одновальной газотурбинной установки открытого цикла: 1 - воздушный компрессор; 2 - газовая турбина; 3 - камера сгорания; 4 - атмосферный воздух; 5 - отработавшие газы; 6 - топливо.

Рис. 2. Расположение силового оборудования газотурбовоза Г1-01: 1 - компрессор; 2 - турбина; 3 - камеры сгорания; 4 - редуктор; 5 - главные генераторы; 6 - вспомогательный дизель; 7 - высоковольтные камеры; 8 - холодильник газотурбинного двигателя; 9 - топливный бак; 10 - тормозной компрессор.

Газоубежище

Газоубе'жище,специальное защитное сооружение или помещение, предназначенное для противохимической защиты людей. После 2-й мировой войны 1939-45 подобные сооружения стали называть убежищами.Термин «Г.» из употребления вышел.

Газофракционирующая установка

Газофракциони'рующая устано'вка,служит для разделения смеси лёгких углеводородов на индивидуальные, или технически чистые, вещества.

  Г. у. входит в состав газобензиновых, газоперерабатывающих, нефтехимических и химических заводов. Мощность Г. у. достигает 750 тыс. тсырья в год. Для переработки на Г. у. поступает сырьё - газовые бензины, получаемые из природных и нефтезаводских газов, продукты стабилизации нефтей, газы пиролиза и крекинга.В состав сырья входят в основном углеводороды, содержащие от 1 до 8 атомов углерода в молекуле. Разделение смесей углеводородов осуществляется ректификацией в колонных аппаратах.

  Схема разделения газового бензина в Г. у. включает предварительный нагрев в теплообменнике газового бензина и подачу его в пропановую колонну ( рис. ). Из верхней части колонны отводятся пары пропана, которые конденсируются в конденсаторе-холодильнике и поступают в ёмкость орошения. Часть пропана возвращается на верх колонны как орошение, а избыток отводится в виде готового продукта. Жидкость с низа колонны после подогрева поступает для дальнейшего разделения по такой же схеме в следующую колонну, где из неё выделяется в виде верхнего продукта смесь бутанов, а из нижней части отводится бензин. Аналогичным образом производится разделение бутанов на изобутан и нормальный бутан, а бензина - на изопентан, нормальный пентан, гексаны и т. д. Примерное содержание чистого вещества (в %) в товарном продукте того же наименования при переработке газового бензина: пропан 96; изобутан 95; нормальный бутан 96; изопентан 95; стабильный бензин 74.

  Совершенствование технологической схемы Г. у. направлено на снижение энергетических и капитальных затрат, автоматизацию контроля и управления процессом путём установки хроматографических анализаторов качества продуктов на потоках и электронных вычислительных машин.

  Лит.:Переработка и использование газа, М., 1962; Черный И. Р., Подготовка сырья для нефтехимии, М., 1966.

  А. Л. Халиф.

Схема газофракционирующей установки: 1 - пропановая колонна; 2 - стабилизационная колонна; 3 - изобутановая колонна; 4 - конденсаторы-холодильники; 5 - подогреватели низа колонны; 6 - теплообменники; 7- холодильники.

Газы (агрегатное состояние вещества)

Га'зы(французское gaz; название предложено голланским учёным Я. Б. Гельмонтом ) ,агрегатное состояние вещества, в котором его частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь предоставленный им объём. Вещество в газообразном состоянии широко распространено в природе. Г. образуют атмосферу Земли, в значительных количествах содержатся в твёрдых земных породах, растворены в воде океанов, морей и рек. Солнце, звёзды, облака межзвёздного вещества состоят из Г. - нейтральных или ионизованных (плазмы). Встречающиеся в природных условиях Г. представляют собой, как правило, смеси химически индивидуальных Г.

  Г. обладают рядом характерных свойств. Они полностью заполняют сосуд, в котором находятся, и принимают его форму. В отличие от твёрдых тел и жидкостей, объём Г. существенно зависит от давления и температуры. Коэффициент объёмного расширения Г. в обычных условиях (0-100°С) на два порядка выше, чем у жидкостей, и составляет в среднем 0,003663 град ^-1. В табл. приведены данные о физических свойствах наиболее распространённых Г.

  Любое вещество можно перевести в газообразное состояние надлежащим подбором давления и температуры. Поэтому возможную область существования газообразного состояния графически удобно изобразить в переменных: давление р - температура Т(в р, Т-диаграмме, рис. 1 ). При температурах ниже критической Т _к(см. Критическое состояние ) эта область ограничена кривыми сублимации (возгонки) / и парообразованияII.Это означает, что при любом давлении ниже критического р _ксуществует температура Т(см. рис. 1), определяемая кривой сублимации или парообразования, выше которой вещество становится газообразным. В состояниях на кривой 1(ниже тройной точкиT _p) газ находится в равновесии с твёрдым веществом (твёрдой фазой), а на кривой II(между тройной и критической точкой К.) -с жидкой фазой. Газ в этих состояниях обычно называют паром вещества.

  При температурах ниже Т _кможно сконденсировать Г. - перевести его в др. агрегатное состояние (твёрдое или жидкое). При этом фазовое превращение Г. в жидкость или твёрдое тело происходит скачкообразно: весьма малое изменение давления приводит к конечному изменению ряда свойств вещества (например, плотности, энтальпии, теплоёмкостии др.). Процессы конденсации Г., особенно сжижение газов,имеют важное техническое значение.

  При Т> Т _кграница газообразной области условна, поскольку при этих температурах фазовые превращения не происходят. В ряде случаев за условную границу между Г. и жидкостью при сверхкритических температурах и давлениях принимают критическую изохору вещества (кривую постоянной плотности или удельного объёма, см. рис. 1), в непосредственной близости от которой свойства вещества изменяются, хотя и не скачком, но особенно быстро.

  В связи с тем что область газового состояния очень обширна, свойства Г. при изменении температуры и давления могут меняться в широких пределах. Так, в нормальных условиях (при 0° С и атмосферном давлении) плотность Г. примерно в 1000 раз меньше плотности того же вещества в твёрдом или жидком состоянии. При комнатной температуре, но давлении, в 10 ¹⁷раз меньшем атмосферного (предел, достигнутый современной вакуумной техникой ) ,плотность Г. составляет около 10 ^-20 г/см ³.В космических условиях плотность Г. может быть ещё на 10 порядков меньше (~10 ^-30/ см ³).

  С другой стороны, при высоких давлениях вещество, которое при сверхкритических температурах можно считать Г., обладает огромной плотностью (например, в центре некоторых звёзд ~10 ⁹ г/см ³) .В зависимости от условий в широких пределах изменяются и др. свойства Г. - теплопроводность, вязкость и т. д.

  Молекулярно-кинетическая теория Г.Молекулярно-кинетическая теория рассматривает Г. как совокупность слабо взаимодействующих частиц (молекул или атомов), находящихся в непрерывном хаотическом (тепловом) движении. На основе этих простых представлений кинетической теории удаётся объяснить основные физические свойства Г., особенно полно - свойства разреженных Г.

  У достаточно разреженных Г. средние расстояния между молекулами оказываются значительно больше радиуса действия межмолекулярных сил. Так, например, при нормальных условиях в 1 см ³Г. находится~ 10 ¹⁹молекул и среднее расстояние между ними составляет ~ 10 ^-6 см,или ~ 100 , тогда как межмолекулярное взаимодействие не существенно на расстояниях свыше 5-10 . Следовательно, в таких условиях молекулы взаимодействуют лишь при сближении на расстояние действия межмолекулярных сил. Такое сближение принято трактовать как столкновение молекул. Радиус действия межмолекулярных сил в рассмотренном примере в 10-20 раз меньше среднего расстояния между молекулами, так что общий объём, в котором эти силы могут сказываться (как бы «собственный объём» всех молекул), составляет 10 ^-3-10 ^-4от полного объёма Г. Это позволяет считать собственный объём молекул Г. в нормальных условиях пренебрежимо малым и рассматривать молекулы как материальные точки. Газ, молекулы которого рассматриваются как не взаимодействующие друг с другом материальные точки, называется идеальным. При тепловом равновесии идеального Г. все направления движения его молекул равновероятны, а скорости распределены в соответствии с Максвелла распределением.На рис. 2 приведён график этого распределения для азота при температурах 20 и 500°С. Из графика видно, что подавляющее большинство молекул имеет близкие значения скорости (максимум кривой соответствует скорости наиболее вероятной при данной температуре), но существует также известная часть молекул с малыми и очень большими скоростями. При помощи максвелловского распределения может быть определена т. н. средняя квадратичная скорость молекул  связанная с температурой Тгаза соотношением