Газотурбинные энергетические установки.

Газотурбинные установки (ГТУ) находят широкое применение на тех судах; для которых особенно существенны преимущества этих установок- малая удельная масса, компактность, высокая маневренность, возможность быстрой агрегатной защиты и др. в настоящее время по экономичности ГТУ пока уступают отдельным ЭУ. Достаточно широко ГТУ используются на судах с динамическими принципами поддержания и в военно-морском флоте.

Простейший ГТД открытого цикла с горением топлива при постоянном давлении работает следующим образом (рис 4).

Компрессор 5, приводимый в действие турбиной 11, через приемную трубу 4 засасывает из атмосферы воздух, сжимает его до определенного давления, например до 5∙10 кПа, и непрерывно нагнетает его в камеру сгорания 9. В нее через форсунку 8 с помощью насоса 3 подается топливо. Образую­щиеся в процессе сгорания топлива газы высокой температу­ры, обычно превышающей 1000 С, направляется в турбину 11, где кинетическая энергия их преобразуется в механическую работу. По условию прочности отдельных деталей нельзя до­пустить, чтобы в газовую турбину поступали газы такой вы­сокой температуры. Поэтому в камеру сгорания подается воздуха в несколько раз больше теоретически необходимого для сжигания топлива. Потребность большого избытка возду­ха в ГТУ приводит к значительной относительной мощности, затрачиваемой на его сжатие в компрессоре, который по­требляет до 70% мощности турбины.

Рис. 4. Конструктивная схема простейшего ГТД открытого цикла

1. Гребной винт 2. Редуктор 3. Топливный насос 4. Приемная труба 5. Компрессор 6. Соединительная муфта

7. Пусковое устройство 8. Форсунка 9. Камера сгорания 10. Выхлопной трубопровод 11. Турбина

Сжатый воздух, поступающий из компрессора в камеру сгора­ния, разделяется на два потока. Один поток, составляющий 30 ÷ 40%, вводится в активную зону горения, другой, состав­ляющий 60 ÷ 70%, охлаждает пламенную трубу, смешивается с продуктами сгорания вне активной зоны горения и понижают температуру газа до значения, требуемого на входе в тур­бину. Выпускные газы по трубопроводу 10 уходят в атмосфе­ру. Развиваемая турбиной мощность частично затрачивается на привод компрессора и через редуктор 2 используется для привода гребного винта 1.

Пуск установки производится с помощью пускового устройст­ва 7, соединенного посредством специальной муфты 6 с ро­тором компрессора. В период запуска топливо воспламеняет­ся от электросвечи.

Система пуска состоит из пускового двигателя (стартера), муфты включения, запального устройства и пускорегулирующей аппаратуры. В качестве пускового двигателя могут служить электростартеры, воздушные турбины, ДВС, но наиболее распространены электростартеры. Если запуск ГТД требует большой мощности (67÷75 кВт) используют пусковые газотурбинные двигатели или несколько электростартеров.

Присоединение стартера к приводу вала ГТД осуществляется посредством муфты включения, которая автоматически отключается при достижении определенной частоты вращения ротора двигателя.

Запальное устройство состоит из пусковой форсунки и электрической запальной свечи.

Основным недостатком данного ГТД является низкий КПД из-за больших тепловых потерь во внешнюю среду, т.к. охлаждение рабочего тела происходит при смешивании с атмосферным воздухом.

=24,5 ; =0,37 кг/кВтч.

Одним из способов повышения КПД ГТД является усложнение рабочего цикла, наиболее широко применяются циклы ГТД с регенерацией и промежуточным охлаждением, тогда =31,5%, =0,270 кг/кВтч.

Усложнение рабочего цикла приводит к увеличению массогабаритных показателей и снижению надежности ГТД. Использование ГТУ с теплоутилизирующим контуром (ГТУ с ТУК) позволяет избегать этих недостатков. Примером может служить установка М-25 сухогрузного судна «Капитан Смирнов», состоящая из ГТД и паровой турбины, пар для которой вырабатывается утилизационным парогенератором за счет теплоты отработанных газов ГТД. Схема отечественной парогазовой установки ГТУ М-25 дана на рис. 5

 

 

Рис.5 Схема ГТУ с ТУК (ГТУ М-25)

1— утилизационный парогенератор; 2 — ГТД; 3 — паровая турбина; 4 —конденсатор паровой турбины; 5 —конденсатный насос;

6—теплый ящик; 7 — питательный насос; 8 — циркуляционный насос утилизационного котла 9 — сепаратор пара

Судно «Капитан Смирнов» имеет два главных газотурбинных агрегата М-25, работающих каждый на ВФШ, их суммарная мощность обеспечивает судну скорость около 27 узлов. Агрегат М-25 имеет мощность 18400кВт при частоте вращения 130 об/мин на выходном валу. Отношение мощности паровой турбины к мощности ГТД

Применение ТУК повышает КПД установки и уменьшает удельный расход топлива

Дальнейшее развитие ГТД связывают с освоением более высоких температур рабочего тела, для чего требуется создание более жаропрочных материалов, что решается в настоящее время введением в конструкцию турбины элементов металлокерамики.

В ГТУ закрытого цикла (рис.6.) в рабочем процессе участвует одно рабочее тело, совершающее кругооборот в изолированном от атмосферы замкнутом тракте. Рабочее тело воздух или какой либо инертный газ сжимается в компрессо­ре 4 и направляется через нагреватель 6, который повышает его температуру при постоянном давлении до 650-750 С, в турбину 3. Здесь рабочее тело расширяется до давления, близкого к давлению перед компрессором. Далее оно охлаж­дается забортной водой в охладителе 5 до начальной темпе­ратуры цикла. Мощность турбины расходуется на привод ком­прессора и через редуктор 2 используется для привода гребного винта 1. В качестве нагревателя в обычных ГТУ применяют воздушный котел, работающий на органическом то­пливе, в ядерных ГТУ - ядерный реактор.

Рис.6. Принципиальная схема ГТУ закрытого цикла