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 использовалась энергия восходящего горячего газового потока.
Позднее, в 15 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.
1й патент на проект газотурбинной установки (ГТУ) был выдан в 1791 г в Англии Д.Барберу.
В патенте Барбера, хотя и в примитивной форме, были представлены все основные элементы современных ГТУ: 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 19 веке продолжались попытки многочисленных ученых и изобретателей различных стран создать ГТУ, пригодную для практического использования.
Однако эти попытки были обречены на неудачу вследствие низкого уровня науки и техники.
Металлы, которые могли бы длительное время противостоять температурам порядка 500 оС и выше еще не были получены.
Свойства, газов и паров были изучены недостаточно.
Состояние газодинамики не могло обеспечить создания хороших проточных частей турбины и компрессора.
В России также предпринимались попытки создать ГТУ, в частности, инженер-механиком русского военно-морского флота П. 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.
В 1900 - 1904 гг в Германии инженером Штольце была построена и испытана ГТУ, в которой понижение температуры рабочих газов перед поступлением их в турбину осуществлялось за счет большого избытка воздуха, подававшегося компрессором в камеру горения.
Испытания установки не дали положительных результатов.
Вся мощность, развивавшаяся газовой турбиной, расходовалась только на привод компрессора.
Полезная мощность установки была равна 0.
В 1905 - 1906 гг французскими инженерами Арманго и Лемалем были построены 2 ГТУ, работавшие на керосине.
Снижение температуры газов перед турбинами примерно до 560 °С достигалось впрыскиванием воды.
Мощность газовой турбины 1й ГТУ равнялась 25 л.с., 2й - 400 л.с.
От 2й установки впервые была получена полезная мощность.
КПД установки был чрезвычайно низок и не превышал 3 - 4 %, хотя КПД собственно турбины достигал уже 70 - 75 %.
Над созданием ГТУ работал также немецкий ученый доктор Хольцварт, который провел обширные экспериментальные работы, основанные на глубоких теоретических исследованиях.
Начиная с 1908 г по проектам Хольцварта было построено несколько ГТУ. Наибольший КПД, который был получен в опытах с турбинами Хольцварта за период до 1927 г составил 14 %.
Те немногие, фактически работавшие ГТУ, которые были построены за рассмотренный период времени, либо обладали низким КПД, либо были конструктивно очень сложны и мало надежны в эксплуатации, что, естественно, являлось препятствием для их практического использования.
Реальное применение газовых турбин началось в 1950х гг.
Первые практически эксплуатировавшиеся газовые турбины выполнялись утилизационными.
Они работали на газах, отходивших от двигателей внутреннего сгорания, и приводили в действие воздуходувку, осуществлявшую наддув того же двигателя (увеличение воздушной зарядки цилиндров).
Подобная система впервые была применена в авиации и позволила уменьшить падение мощности мотора с увеличением высоты полета.
1я газотурбинная электростанция (ГТЭС) с турбоагрегатом мощностью 5000 кВт была введена в эксплуатацию в 1939 г в Швейцарии.
ГТЭС была выполнена по простейшей схеме и работала при температуре газа перед турбиной порядка 560 °С.
Позднее, в 1950х гг, в Швейцарии же была построена и эксплуатировалась ГТЭС в местечке Бецнау с турбоагрегатами мощностью в 12 и 25 МВт при начальной температуре газа 650 °С.
Тепловая схема установок была усложнена, что обеспечило более высокий КПД.
С 1950х гг начинается быстрое развитие газотурбостроения во всех странах, имевших развитую турбостроительную промышленность.
В стационарном применении ГТУ наметились 2 основные направления: использование на магистральных газопроводах (МГП) и для выработки электроэнергии на электростанциях.
На МГП газотурбинные агрегаты применяются для привода компрессоров, перекачивающих газ.
На отечественных заводах (НЗЛ, УТЗ, ЛМЗ) был освоен выпуск подобных турбонагнетателей первоначально мощностью 4 МВт, затем 5, 6, 10, 16, 25 МВт и более мощных.
Суммарная мощность ГТУ, выпущенных для этих целей только заводами Советского Союза и России, превышает многие миллионы кВт.
ГТУ на электростанциях, как основной тип двигателя для привода электрогенераторов, используются главным образом в тех районах, где имеется природный газ, а так же, учитывая их возможности к быстрому пуску, для покрытия пиковых нагрузок, возникающих в энергосистемах в относительно кратковременные периоды наибольшего потребления энергии.
На ЛМЗ, в частности, освоен выпуск турбоагрегатов мощностью 100 МВт.
Предпринимались попытки применения газотурбинных агрегатов в новых технологических процессах - с использованием в качестве топлива для ГТУ продуктов подземной газификации угля.
С этой целью на ЛМЗ были изготовлены 2 турбоагрегата мощностью по 12 МВт, смонтированы на Шацкой электростанции (Рязанская область) и запущены в эксплуатацию.
Однако работы, проводившиеся в течение ряда лет, показали, что путь использования в газотурбинных агрегатах низкокалорийных продуктов подземной газификации в энергетике неперспективен с экономической точки зрения.
Паротурбинные установки с обычной схемой использования топлива экономичнее и надежнее.
Поэтому в 1961 г работы по освоению сжигания продуктов перегонки твердого топлива в газотурбинных агрегатах были прекращены, а Шацкая электростанция остановлена.
Еще одно из направлений по применению ГТУ для выработки электроэнергии - использование авиационных газотурбинных агрегатов.
Эти агрегаты имеют высокое техническое совершенство, компактны, надежны, не требуют охлаждающей воды, быстро запускаются в работу (1-3 мин) и при минимальных работах по реконструкции могут быть использованы для привода электрогенераторов как для передвижных автоматизированных энергоустановок небольшой мощности (1000 - 3000 кВт), так и для более мощных, в том числе пиковых.
Мобильные установки монтируются на трейлерах и могут быть доставлены практически в любой район для обслуживания строительных объектов и снятия пиковых нагрузок.
Стандартные обозначения ГТУ, принятые в отечественной практике (как пример): ГТ-35-770-2, ГТ-50-800, ГТ-100-750-1, ГТ-45-950. Здесь первые цифры - мощность в МВт, вторые - температура газа перед турбиной, гр.С и третья - номер модели.
В газотурбостроении промышленно развитых стран, так же, как и в паротурбостроении, практически существует единый мировой уровень по тенденциям развития, мощностям турбоагрегатов и их параметрам.
