29.История и развитие газотурбинных установок. П.Д. Кузьминский. Трудности начального периода (Штольце, Хольцварт , Шюле, Караводин).Цикл Брайтона. Идея газотурбинного наддува ДВС (Бюхи). Создание ракетных и турборакетных двигателей. Ф.А.Цандер. Работы в Германии, США, СССР. В.М. Маковский и ГТУ-750

1)История и развитие газотурбинных установок. П.Д. Кузьминский

Идея использования энергии горячих дымовых газов для совершения механической работы известна человечеству очень давно. По имеющимся данным она была высказана и реализована еще Героном Александрийским, которым был построен прибор, где для целей вращения использо-валась энергия восходящего горячего газового потока. Позднее, в ХV веке, Леонардо да Винчи была высказана идея «дымового вертела» для обжарки туш животных. Принцип действия «дымового вертела» совершенно подобен принципу .действия ветряной мельницы. «Дымовой вертел» размещался в дымоходе, и вращение его создавалось дымовыми газами, проходившими через колесо с насаженными на него лопастями . Подобное устройство было осуществлено в средние века. Первый патент на проект газотурбинной установки был выдан в 1791 году в Англии Джону Барберу. В патенте Барбера, хотя и в примитивной форме, были представлены все основные элементы современных газотурбинных установок: имелись воздушный и газовый компрессоры, камера горения и активное турбинное колесо. Для работы предполагалось использовать продукты перегонки угля, дерева или нефти. Для понижения температуры рабочих газов предполагалось впрыскивание воды в камеру горения.

В России также предпринимались попытки создать газотурбинную установку, в частности, инженер-механиком русского военно-морского флота П.Д.Кузьминским. Он разработал, а затем и осуществил небольшую газопаровую турбинную установку, состоявшую из камеры сгорания, в которую кроме воздуха и топлива, подавался водяной пар, получавшийся в змеевике, окружавшем камеру. Газопаровая смесь затем поступала в многоступенчатую турбину радиального типа. Горение топлива (керосина) происходило при постоянном давлении порядка 10 кгс/см2. При испытаниях, несмотря на принятые меры, камера горения быстро прогорала и выходила из строя. Создать длительно действующую установку не удалось.

2)Трудности начального периода (Штольце, Хольцварт , Шюле, Караводин):

Трудность состояла в том что они либо обладали низким КПД, либо были конструктивно очень сложны и мало надежны в эксплуатации, что, естественно, являлось препятствием для их практического использования.

• В период 1900 — 1904 гг. в Германии инженером Штольце была построена и испытана газотур-бинная установка, в которой понижение температуры рабочих газов перед поступлением их в тур-бину осуществлялось за счет большого избытка воздуха, подававшегося компрессором в камеру горения. Испытания установки не дали положительных результатов. Вся мощность, развивавшая-ся газовой турбиной, расходовалась только на привод компрессора. Полезная мощность установки была равна нулю.

• Начиная с 1908 г. по проектам Хольцварта было построено несколько газотурбин-ных установок. Наибольший КПД, который был получен в опытах с турбинами Хольцварта за пе-риод до 1927 г. составил 14 %.

•  В 1930 В. Шюле (Германия предложил газо-паротурбинную установку с расчётным кпд 28%.

• Идея создания пульсирующих воздушно-реактивных двигателей (ПуВРД) была запатентована в 1906 г. русским инженером В.В. Караводиным.  До 1925 г. ряд опытных ГТУ был создан Г. Хольцвартом. Несмотря на высокие для того времени параметры, ГТУ Хольцварта, равно как и установка В.В. Караводина, вследствие ряда недостатков не нашла применения в промышленности. 

3)Цикл Брайтона

Цикл Брайтона/Джоуля — термодинамический цикл, описывающий рабочие процессы газотурбинного, турбореактивного и прямоточного воздушно-реактивного двигателей внутреннего сгорания, а также газотурбинных двигателей внешнего сгорания с замкнутым контуром газообразного (однофазного) рабочего тела.

Цикл назван в честь американского инженера Джорджа Брайтона, который изобрёл поршневой двигатель внутреннего сгорания, работавший по этому циклу.

Иногда этот цикл называют также циклом Джоуля — в честь английского физика Джеймса Джоуля, установившего механический эквивалент тепла.

Идеальный цикл Брайтона состоит из процессов

• 1—2 Изоэнтропическое сжатие.

• 2—3 Изобарический подвод теплоты.

• 3—4 Изоэнтропическое расширение.

• 4—1 Изобарический отвод теплоты.

4) Идея газотурбинного наддува ДВС (Бюхи):

в 1905 году швейцарский инженер Альфред Бюхи запатентовал принцип сжатия воздуха за счет энергии выхлопных газов. Вместо того, чтобы выбрасывать их безо всякого использования в выхлопную трубу, было предложено направить их на привод специального устройства, служащего для наддува воздуха в цилиндры. Это устройство получило название турбокомпрессор (в дальнейшем – ТК), а оснащенный им двигатель стали именовать мотором с газотурбинным наддувом. Поскольку ТК работает на дармовой энергии, которую двигатель производит попутно с основной, полезной энергией, то ТК, в отличие от механического нагнетателя, не отнимает от мотора ни йоты мощности. КПД ДВС с газотурбинным наддувом всегда выше, чем у «атмосферника». Энергия, получаемая при сгорании топлива, используется более эффективно, поэтому удельная топливная экономичность такого мотора лучше.