2. Судовые газотурбинные установки

2.1. Принцип действия

Газотурбинным называется такой тепловой двигатель, в котором потенциальная энергия рабочего тела превращается в механическую энергию в газовой турбине. Рабочим телом в газовой турбине служит любой газ (воздух, продукты сгорания, гелий, азот и др.) или их смеси.

Газотурбинный двигатель с зубчатой передачей и навешенными или расположенными на общей с ним раме вспомогательными механизмами и устройствами называется газотурбинным агрегатом.

Газотурбинный агрегат с обслуживающими его системами образует газотурбинную установку (ГТУ).

Схема простейшего судового газотурбинного двигателя (ГТД) (открытого цикла) с горением топлива при постоянном давлении представлена на Рис. 25, а соответствующие процессы термодинамического цикла в диаграмме T-S изображены на Рис. 26.

Рис. 25. Схема ГТУ открытого цикла

В состав ГТД входят три основных элемента: газовая турбина 5, компрессор 3 и камера сгорания 4. Помимо этого на схеме изображено: гребной винт 7, редуктор 6, муфта 2 и пусковой электродвигатель 1.

Компрессор засасывает атмосферный воздух, сжимает его до определенного давления р и подает в камеру сгорания. Сюда же топливным насосом непрерывно подается топливо, которое сгорает в среде сжатого воздуха.

Образующиеся при этом продукты сгорания (газы) при высокой температуре и давлении поступают в газовую турбину, где, расширяясь вращают ротор точно так же, как пар вращает ротор паровой турбины. Отработавшие газы выбрасываются в атмосферу, в силу этого цикл называем открытым.

Газовая турбина большую часть своей мощности затрачивает на привод компрессора, а оставшуюся часть (полезная мощность) отдает гребному винту 7.

Вращение от газовой турбины к гребному винту передается через зубчатую передачу (редуктор) 6.

Запуск установки производится от пускового электродвигателя 1, который может быть соединен с общим для турбины и компрессора валом при помощи специальной муфты 2. Электродвигатель сообщает компрессору требуемую частоту вращения, после чего в камеру сгорания подается через форсунку топливо, и установка начинает работать.

ГТУ работает по циклу, изображенному на Рис. 26.

Рис. 26. Цикл ГТУ

Здесь:

1-2’- адиабатный процесс сжатия в компрессоре;

1-2 - действительный процесс сжатия в компрессоре с учетом внутренних потерь;

2-3 - подвод теплоты в камере сгорания;

3-4’- адиабатный процесс расширения в турбине;

3-4 - действительный процесс расширения в турбине;

4-1 - условный замыкающий процесс, соответствующий охлаждению газов, покидающих турбину.

2.2. Сложные циклы

На Рис. 27 представлена схема ГТУ с промежуточным охлаждением воздуха и регенерацией теплоты и изображен её цикл в диаграмме T-S.

Рис. 27. Схема и цикл ГТУ с промежуточным охлаждением

и регенерацией теплоты

Линии 1 - 2’ и 1’ - 2 соответствуют процессам сжатия в ком­прессоре низкого давления 1 и в компрессоре высокого давления (КВД) 3 с учетом внутренних потерь в компрессоре. Линия 2' - 1' - процессу отвода теплоты при постоянном давлении в промежуточном воздухо­охладителе 2. Промежуточный воздухоохладитель повышает экономичность двигателя, так как сжатие воздуха в КВД происходит при более низкой температуре. Линия 2 - 5 подогрев воздуха в регенераторе 5. Регенератор - теплообменный аппарат, в котором отработавшие в турбине газы нагревают воздух, поступающий в камеру сгорания. При наличии регенератора для достижения той же температуры газа перед турбиной требуется сжигать меньшее количество топлива в камере сгорания, чем в ГТД без регенератора. Линия 5 - 3 - подвод теплоты в камере сгорания 4. Линия 3-4 расширения газов в турбине 6. 4 - 6 - отвод теплоты от газов в регенераторе и 6-1 охлажде­ние продуктов сгорания в атмосфере, условное замы­кание цикла.

За счёт использования части теплоты с уходящими газами для подогрева сжатого воздуха, перед его поступлением в камеру сгорания, повышается эффективность действия ГТУ.

Возможно также осуществить промежуточный подогрев. Схема ГТУ с промежуточным подогревом и регенерацией теплоты представлена на Рис. 28.

Рис. 28. Схема и цикл ГТУ с промежуточным подогревом и регенерацией теплоты

Линия 1 - 2 соответствует процессу сжатия в компрессоре 1. Линия 2 - 5 - подогрев воздуха в регенераторе 5. Линия 5 - 3 - подвод теплоты в первой камере сгорания 2. Линия 3 - 4’ расширения газов в турбине высокого давления 3. Линия 4’ - 3’ - подвод теплоты во второй камере сгорания 4. Линия 3’ - 4 - расширение газов в турбине низкого давления 6. 4 - 6 - отвод теплоты от газов в регенераторе и 6 - 1 охлаждение продуктов сгорания в атмосфере, условное замыкание цикла.

Рассмотрим цикл с промежуточным охлаждением, промежуточным подогревом и регенерацией теплоты, представленный на рис. 29.

Линии 1 - 2’ и 1’ - 2 соответствуют процессам сжатия в ком­прессоре низкого давления 1 и в компрессоре высокого давления 7. Линия 2' - 1' - процессу отвода теплоты при постоянном давлении в промежуточном воздухоохладителе 8. Линия 2 - 5 подогрев воздуха в регенераторе 5. Линия 5 - 3 - подвод теплоты в первой камере сгорания 2. 3 - 4’ расширения газов в турбине высокого давления 3. Линия 4’ - 3’ - подвод теплоты во второй камере сгорания 4. Линия 3’ - 4 - расширение газов в турбине низкого давления 6. 4 - 6 - отвод теплоты от газов в регенераторе и 6 - 1 охлаждение продуктов сгорания в атмосфере, условное замыкание цикла.

Рис. 29. Схема и цикл с промежуточным охлаждением, промежуточным подогревом и регенерацией теплоты