Полезная работа L_e , отнесённая к 1 кг рабочего 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_K и больше L_T , т. е. полезная работа увеличивается. Повышение температуры газа перед турбиной также способствует росту полезной работы L¹ _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_m развиваемой 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_Н Р₂ 2 — L_К ; 4Р_Н Р₂ 3 — L_Т ; 4 123 — L_е ; 4¹ 123¹ — L¹ 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.