Схема и цикл простейшей газотурбинной установки

Газотурбинные установки (ГТУ) на судах работают, как правило, по открытому циклу. Их рабочим телом является газ, в основном, образующийся при сгорании органического топлива (жидкого или газообразного). ГТУ могут работать с изобарическим или изохорическим процессами подвода теплоты, но в настоящее время на судах преимущественно применяются установки с изобарическим процессом подвода теплоты в цикле.

На рисунке 2.1 представлена схема простейшей ГТУ, работающей по открытому циклу, а на рисунке 2.2 ее цикл. Рабочим телом в ГТУ, работающей по открытому циклу, является воздух, который подается из атмосферы по воздушному трубопроводу 5 к компрессору 1. В компрессоре идет процесс повышения давления воздуха, который для идеального цикла является изоэнтропийным. При этом параметры воздуха изменяются от р₁, Т ₁ до р₂, Т₂. С давлением р₂ и температурой Т₂ воздух поступает в камеру сгорания 3, куда одновременно подается топливо 7 (рис. 2.1). Тепло, выделяющееся при горении топлива, аккумулируется воздухом и его температура изобарически повышается до Т₃. После камеры сгорания воздух в смеси с продуктами горения топлива направляется в турбину 2, где изоэнтропийно расширяется до атмосферного давления р₄=р₁ и отводится в окружающую среду с температурой Т₄ < Т₃ по газоходу 6.

Полученная в процессе расширения в турбине механическая энергия частично передается компрессору с помощью вала 4, а частично отдается потребителю 8 (гребному винту, электрогенератору и т. п.).

Удельное количество теплоты q ₁, подводимое в цикле с топливом, определяется условиями перехода воздуха из состояния с параметрами р₂, Т₂ в состояние с параметрами р₃, Т₃. Удельное количество теплоты q ₂, отводимое из цикла с рабочим телом, определяется разностью энтальпий при выходе из турбины и при входе в компрессор. Таким образом, открытый цикл замыкается процессом охлаждения отработавшего в установке рабочего тела – газа при смешении его с атмосферным воздухом. В процессе этого смешения параметры атмосферного воздуха не изменяются, т. к. количество выбрасываемого в атмосферу газа бесконечно мало по сравнению с количеством атмосферного воздуха.

Рисунок 2.1 – Принципиальная схема простейшей газотурбинной установки открытого цикла

Рисунок 2.2 – Идеальный цикл ГТУ:

а) vp -диаграмма; б) sT -диаграмма

На рисунке 2.3 изображена схема простейшей газотурбинной установки, работающей по закрытому циклу. От установки открытого цикла она отличается наличием охладителя воздуха 5, а также поверхностного подогревателя воздуха 3 вместо смесительной камеры сгорания.

Рабочим телом в установке, работающей по закрытому циклу, служит чистый воздух или другой газ, который не смешивается с продуктами горения топлива. Топливо сжигается в топочном пространстве поверхностного подогревателя 3, куда для его окисления подеется дополнительный воздух. Выделяющееся при сжигании топлива тепло передается рабочему телу через поверхность, обычно образуемую пучками трубок малого диаметра. Продукты горения топлива после перегрева рабочего тела выбрасываются в атмосферу.

Рисунок 2.3 – Принципиальная схема ГТУ закрытого цикла

Как следует из рисунка 2.3, отработавший в турбине 2 газ не выбрасывается в атмосферу, а охлаждается в поверхностном охладителе 5 до состояния, соответствующего входу в компрессор 1. Таким образом, закрытый цикл замыкается процессом охлаждения воздуха, который, циркулируя в тракте установки, нигде не соприкасается с атмосферой.

В закрытом цикле давление воздуха при входе в компрессор и при выходе из турбины может иметь любое значение, отличное от атмосферного давления. Это позволяет увеличить массовый расход воздуха (рабочего тела) в цикле и получать в установках, работающих по закрытому циклу большие мощности, чем в установках, работающих по открытому циклу, при тех же габаритах турбин, компрессоров, газоходов. Однако наличие поверхностного подогревателя, часто называемого «воздушным котлом» и поверхностного охладителя воздуха делает установку закрытого цикла более сложной по сравнению с установкой открытого цикла. В связи с меньшим КПД поверхностного подогревателя по сравнению с КПД камеры сгорания, вследствие потери части тепла, выбрасываемого с продуктами горения топлива в атмосферу, КПД установки, работающий по закрытому циклу, при прочих равных условиях всегда несколько ниже КПД установки, работающей по открытому циклу. По этим причинам ГТУ закрытого цикла не получили широкого практического применения.

ГТУ закрытого цикла могут использоваться ядерных энергетических установках с газоохлаждаемыми реакторами. В этом случае в качестве рабочего тела используются газы, имеющие малое сечение захвата нейтронов. Тогда в представленной на рисунке 2.3 схеме поверхностный подогреватель рабочего тела 3 заменяется активной зоной газоохлаждаемого реактора.