Ну, а если добавить еще некоторые устройства, то коэффициент полезного действия такой газовой турбины можно довести до 35 %, то есть догнать некоторые типы поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Турбинная установка, о которой только что было рассказано, называется еще установкой открытой схемы. Так она называется потому, что рабочее тело — воздух — поступает из атмосферы (по стрелке «а»), а отработавшие газы тоже выбрасываются в атмосферу (по стрелке «б»).
Посмотрим, как работает газотурбинная установка закрытой схемы.
Газовая турбина внешнего сгорания
Такая турбина тоже имеет компрессор, который нагнетает воздух. Но нагнетание происходит не в камеру сгорания, а в змеевик воздушного котла.
Воздушный котел имеет почти такую же топку, что и паровой котел. Только здесь теплом сгорания топлива нагревается не вода, а воздух, проходящий по трубам змеевика через топку.
Таким образом, компрессор, нагнетая воздух через котел, заставляет этот воздух нагреваться, отчего увеличивается его способность производить работу. Затем воздух проходит в полость турбины, совершает работу, расширяется и дальше не выбрасывается в атмосферу, а проходит через регенератор, холодильник и обратно к компрессору.
Здесь, на рисунке, показана одна из первых газотурбинных установок с регенератором, построенная нашими заводами.
Обратим внимание на два устройства: регенератор и холодильник.
Вы уже знаете, зачем нужен регенератор. Так же как отработавшие газы в турбине внутреннего сгорания, отработавший воздух здесь выходит еще с достаточно высокой температурой и своим теплом может подогреть воздух, поступающий из компрессора в котел. Этот подогрев и происходит в регенераторе.
А вот зачем холодильник?
Но мы ведь уже знаем, что для работы теплового двигателя, кроме «источника тепла», должен иметься и «источник холода». То есть тепло должно не только подводиться, но и отводиться.
Вот холодильник и отводит от рабочего тела то тепло, которое осталось неиспользованным в турбине и регенераторе. При этом воздух перед поступлением в компрессор охлаждается, и мощность, которую надо затратить на привод компрессора, снижается.
Схема газотурбинной установки замкнутого цикла (внешнего сгорания).
Таким образом, рабочий воздух турбины совершает замкнутый путь: холодильник — компрессор — регенератор (подогревается) — котел (нагревается до высокой температуры) — турбина (расширяется и охлаждается, совершая внешнюю работу) — регенератор (отдает тепло воздуху, поступающему в котел) — холодильник.
А что же является «источником холода», охладителем, в разомкнутой схеме? Там ведь нет холодильника!
Так же как и для двигателей внутреннего сгорания, этим источником является здесь наружная атмосфера.
Газотурбинную установку замкнутой схемы можно назвать еще и турбоустановкой внешнего сгорания, так как топливо здесь не соединяется с рабочим воздухом и сгорает в отдельном котле.
Настоящее и будущее газовой турбины
Не правда ли, — газотурбинные установки, с которыми мы только что познакомились, существенно отличаются от дымовой вертушки? А между тем первые промышленные турбины, которые появились лишь в 1936–1937 годах, работали, почти повторяя принцип этой вертушки.
Дело в том, что на некоторых химических заводах при получении основного продукта выделяется много горячих газов, уходящих в атмосферу. Вот и появилась идея — использовать энергию этих газов, поставить на их пути турбину.
Таким образом, первые современные газовые турбины не имели своей камеры сгорания, работали на энергии газов — отходов химического производства — и по существу повторяли «дымовую вертушку» Леонардо да Винчи…
Однако эти «вертушки» были уже весьма мощными двигателями, — они развивали энергию около 7000 лошадиных сил.
Без собственной камеры сгорания работает и еще один тип газовых турбин — газотурбовоздуходувки двигателей внутреннего сгорания.
В 1905 году инженер Бюхи предложил использовать энергию выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания в специальной турбине, которая приводила бы во вращение компрессор — воздуходувку, а та, в свою очередь, нагнетала бы в двигатель воздух для продувки (если двигатель двухтактный) и для наддува.
Что такое продувка, — вы знаете. А вот что такое наддув?
Если в цилиндр двигателя газ или воздух будет не просто засасываться под атмосферным давлением, а принудительно нагнетаться отдельным компрессором, то в цилиндре окажется за тот же такт всасывания больший по весу заряд свежей рабочей смеси, то есть произойдет «наддув» цилиндра.
Значит, и топлива при этом может сгорать больше, и тепла выделиться больше, и давления газов на поршень будут выше, и в целом возрастет мощность двигателя.
Теперь очень много таких двигателей, главным образом дизелей, которые работают с наддувом. В большинстве случаев этот наддув — газотурбинный.
Если говорить об области техники, где газовая турбина уже сегодня заняла прочное место, то речь должна идти именно о газотурбовоздуходувках для дизелей.
Газотурбовоздуходувка для дизелей (верхняя половина корпуса снята).
С помощью наддува удается значительно повысить мощность двигателя — почти в полтора раза, а иногда и больше.
Есть уже сейчас — и не мало — газотурбоустановок полного цикла, то есть работающих так, как было сказано ранее, — по разомкнутой или по замкнутой схеме. А в дальнейшем они будут распространяться всё шире и шире.
Где находят и будут находить применение газотурбоустановки полной схемы?
Посмотрите на рисунок. Вы видите разрез подземной газотурбоэлектростанции мощностью 4000 киловатт (почти 5500 лошадиных сил).
Подземная электростанция с газовой турбиной.
Небольшие размеры и небольшая потребность газотурбоустановок в воде позволяет создавать достаточно мощные электростанции под землей. А такие электростанции имеют оборонное значение, — они не прекратят работу при бомбежке или артиллерийском обстреле. Да и в мирное время очень удобно размещать тепловые электростанции под землей, — не занимают места на поверхности, не шумят, не загрязняют воздух выхлопными газами или дымом, который по подземным коридорам отводится далеко за черту города.
Но даже и для наземных теплоэлектростанций двигатель меньших размеров, конечно, следует предпочесть более громоздким — паровой турбине или двигателям внутреннего сгорания.
Например, в Америке, в штате Техас, работает тепловая электростанция на двигателях внутреннего сгорания, Дело в том, что воды в этом районе мало, — гидростанцию не поставишь, а вот из земли можно добывать естественный, природный, горючий газ. На этом газе и могут работать двигатели внутреннего сгорания. Так как энергия нужна для крупных заводов, то электростанция должна быть достаточно мощной. А мы знаем, что даже современные дизели свыше 7000 лошадиных сил строятся редко, для газовых же двигателей мощность в одном агрегате еще меньше. Вот и пришлось американским предпринимателям сооружать электростанцию, на которой установлено 194 двигателя и столько же электрогенераторов с общей мощностью 350 000 лошадиных сил!
А газовую турбину можно построить больших мощностей в одном агрегате. Уже сейчас есть установки до 50 000 киловатт, а в будущем будут и еще более мощные. Значит, взамен 194 двигателей можно было бы установить 7–8 турбоустановок и получить ту же мощность.
Мощный двигатель, который мог бы работать на подземных газах, технике очень необходим. Особенно нашей социалистической технике.