Газотурбінний двигун (ГТД), тепловий двигун, в якому газ стискується і нагрівається, а потім енергія стислого і нагрітого газу перетвориться в механічну роботу на валу газової турбіни. Робочий процес ГТД може здійснюватися з безперервним згоранням палива при постійному тиску або з переривистим згоранням палива при постійному об'ємі.
В 1791 англійський винахідник Дж. Барбер вперше запропонував ідею створення ГТД з газогенератором, поршневим компресором, камерою згорання і газовою турбіною . Російський інженер П. Д. Кузьмінський в 1892 розробив проект, а в 1900 побудував ГТД із згоранням палива при постійному тиску, призначений для невеликого катера. У цьому ГТД була застосована багатоступінчаста газова турбіна. Випробування не були завершені із-за смерті Кузьмінського. У 1900—04 німецький інженер Ф. Штольце намагався створити ГТД, але невдало. У 1906 французький інженер Р. Арманго і Ш. Лемаль побудували ГТД, що працював на гасі, із згоранням палива при постійному тиску, але із-за низького ккд(коефіцієнт корисної дії) він не отримав промислового вживання. У 1906 російський інженер В. В. Караводін спроектував, а в 1908 побудував безкомпрессорний ГТД з 4 камерами переривистого згорання і газовою турбіною, який при 10 000 об/мін розвивав потужність 1,2 квт (1,6 л. с.). У 1908 за проектом німецький інженера Х. Хольцварта був побудований ГТД переривистого горіння. До 1933 ккд(коефіцієнт корисної дії) ГТД з переривистим горінням складав 24%, проте вони не знайшли широкого промислового вживання. У Росії в 1909 інженер Н. В. Герасимов отримав патент на ГТД, який був використаний ним для створення реактивної тяги (турбореактивний ГТД); у 1913 М. Н. Никольськой спроектував ГТД потужністю 120 квт (160 л. с. ) з триступінчатою газовою турбіною; у 1923 В. І. Базаров запропонував схему ГТД, близьку до схем сучасних турбогвинтових двигунів; у 1930 В. В. Уваров за участю Н. Р. Брілінга спроектував, а в 1936 побудував ГТД з відцентровим компресором. У 30-і рр. великий вклад до створення авіаційних ГТД внесли радянський конструктор А. М. Люлька (нині академік АН(Академія наук) СРСР), англійський винахідник Ф. Уїттл, німецький інженер Л. Франц і ін. У 1939 в Швейцарії був побудований і випробуваний ГТД потужністю 4000 квт (5400 л. с. ) . Його творцем був словацький учений А. Стодола. У 1939 в Харкові, в лабораторії, керованій Ст М. Маковським, виготовлений ГТД потужністю 736 квт (1000 л. с. ) . Як паливо використаний газ, що отримується при підземній газифікації вугілля. Випробування цього ГТД в Горловці були перервані Великою Вітчизняною війною. Великий внесок у розвиток і вдосконалення ГТД внесли радянські учені і конструктори: А. Р. Івченко, Ст Я. Клімов, Н. Д. Ковалів, І. І. Кулагин, Т. М. Мелькумов, А. А. Мікулін, Би. С. Стечкин, С. До. Туманський, Я. І. Шнее, Л. А. Шубенко—Шубін і ін. За кордоном в 40-і рр. над створенням ГТД працювали фірми «Юнкерс», «БМВ» (Німеччина), «Брістол Сидлі», «Роллс-ройс» (Великобританія), «Дженерал електрик» і «Дженерал моторс» (США), «Рато» (Франція) і ін.
Найбільше промислове вживання отримали ГТД з безперервним згоранням палива при постійному тиску. У такому ГТД ( мал. 1 ) стисле атмосферне повітря з компресора поступає в камеру згорання, туди ж подається паливо, яке, згораючи, нагріває повітря; потім в газовій турбіні енергія газоподібних продуктів згорання перетвориться в механічну роботу, велика частина якої витрачається на стискування повітря в компресорі. Остання частина роботи передається на агрегат, що приводиться. Робота, споживана цим агрегатом, є корисною роботою ГТД.
Корисна робота L e , віднесена до 1 кг робочого тіла, дорівнює різниці між роботою L t турбіною, що розвивається, при розширенні в ній газу, і роботою L до , що витрачається компресором на стискування в нім повітря. Графічно робочий цикл ГТД може бути представлений в PV -діаграмме, де Р — тиск, V — об'єм ( мал. 2 ). Чим вище ккд(коефіцієнт корисної дії) компресора і турбіни, тим менше L K і більше L T , тобто корисна робота збільшується. Підвищення температури газу перед турбіною також сприяє зростанню корисної роботи L 1 з (лінія 3''4'' на мал. 2 ). Економічність ГТД характеризується його ефективним ккд(коефіцієнт корисної дії), який є відношенням корисної роботи до кількості тепла, витраченого на створення цієї роботи.
В сучасних ГТД ккд(коефіцієнт корисної дії) компресорів і турбін відповідно складає 0,88—0,9 і 0,9—0,92. температура газу перед турбіною в транспортних і стаціонарних ГТД складає 1100—1200 До, а в авіаційних досягає 1600 К. Достіженіє таких температур стало можливим завдяки виготовленню деталей ГТД з жароміцних матеріалів і вживанню охолоджування його елементів. При досягнутій досконалості проточної частини і температурі газів 1000 До ккд(коефіцієнт корисної дії) двигуна, що працює за простою схемою, не перевищує 25%. Для підвищення ккд(коефіцієнт корисної дії) тепло, що міститься в газі, що виходить з турбіни, використовується в робочому циклі ГТД для підігрівання стислого повітря, що поступає в камеру згорання. Теплообмін між газами, що відходять, і стислим повітрям, що поступає в камеру згорання, відбувається в регенеративних теплообмінниках, а робочий процес ГТД, в якому утилізувався тепло газів, що виходять з турбіни, називається регенеративним. Підвищенню ккд(коефіцієнт корисної дії) сприяють також підігрівши газу в процесі його розширення в турбіні, спільно з використанням тепла газів, що виходять, і охолоджування повітря в процесі його стискування в компресорі ( мал. 3 ). При цьому корисна робота зростає завдяки збільшенню роботи L m турбіною, що розвивається, і зменшенню роботи L K , споживаною компресором. Схема такого ГТД в 30-і рр. була запропонована радянським вченим Р. І. Зотіковим. Компресор і турбіна низького тиск знаходиться на одному валу, який не пов'язаний з валом приводу, наприклад, генератора, грібного гвинта. Їх частота обертання може змінюватися залежно від режиму роботи, що істотно покращує економічність ГТД при часткових навантаженнях.
ГТД можуть працювати на газоподібному паливі (природному газі, попутних і побічних горючих газах, газогенераторних газах, газах доменних і саж печей і підземної газифікації); на рідкому паливі (гасі газойлі, дизельному паливі, мазуті); твердому паливі (вугільному і торф'яному пилу). Важкі рідкі і тверді палива знаходять вживання в ГТД, що працюють по напівзамкненому і замкнутому циклу ( мал. 4 ). У ГТД замкнутого циклу робоче тіло після здійснення роботи в турбіні не викидається, а бере участь в наступному циклі. Такі ГТД дозволяють збільшувати одиничну потужність і використовувати в них ядерне паливо. ГТД знайшли широке вживання в авіації (див. Авіаційний двигун ) як основні двигуни силових установок літаків, вертольотів, безпілотних літальних апаратів і т. п. ГТД використовують на теплових електростанціях для приводу електрогенераторів; на пересувних електростанціях, наприклад в енергопоїздах; для приводу компресорів (повітрі і газових) з одночасним виробленням електричної і теплової енергії в нафтовому, газовому металургійній і хімічній промисловості; як тягові двигуни газотурбовозів, автобусів, легкових і вантажних автомобілів, гусеничних тракторів, танків; як силові установки кораблів, катерів, підводних човнів і для приводу допоміжних машин і механізмів (лебідок, насосів і ін.); на об'єктах військової техніки як енергетичні і тягові силові установки. Сфера застосування ГТД розширюється. У 1956 потужність ГТД у всьому світі склала 900 Мвт, до 1958 вона перевищила 2000 Мвт, а до початку 1968 досягла 40 000 Мвт (без авіації і військової техніки). Найбільша одинична потужність що випускаються в СРСР ГТД складає 100 Мвт (1969). Досягнутий ефективний ккд(коефіцієнт корисної дії) двигунів — 35%.
Розвиток ГТД йде по шляху вдосконалення його елементів (компресора, турбіни, камери згорання, теплообмінників і ін.), підвищення температури і тиску газу перед турбіною, а також вживання комбінованих силових установок з паровими турбінами і свободнопоршневимі генераторами газу. Експлуатація таких установок в стаціонарній енергетиці і на транспорті показала, що при утилізації тепла газів, що відходять, і високій досконалості основних елементів їх ефективний ккд(коефіцієнт корисної дії) досягає 42—45%.
Літ.: Бікчентай Р. Н., Лоноян Р. С., Поршаков Би. П., Вживання газотурбінних установок в промисловості, М., 1959; Уварів Ст Ст і Чернобровкин А. П., Газові турбіни, М., 1960; Шнее Я. І., Газові турбіни, М., 1960; Основи проектування і характеристики газотурбінних двигунів, [пер. з англ.(англійський)], М., 1964; Газотурбінні установки. Атлас конструкцій і схем, М., 1967; Simmons С. R., Gas turbine manual, L., 1968.
