Состав и конструктивные схемы газотурбинных двигателей

Большие преимущества газотурбинных установок по сравнению с другими типами судовых двигателей, а также возможность использования в них атомной энергии, побудили проектные организации приступить к широкому проектированию судовых газотурбинных установок. На некоторых судах эти установки уже осуществлены. Эксплуатация газотурбинных установок дала хорошие результаты. Все это позволяет предполагать, что газотурбинные установки займут должное место в качестве главных двигателей на судах морского флота.

К преимуществам газотурбинных установок по сравнению с ди­зельными установками относятся:

1) возможность получения больших мощностей на валу;

2) меньшие габариты и масса при одинаковых мощностях;

3) возможность сжигания в камерах сгорания дешевых (тяжелых) сортов топлива;

4) меньшие расходы на смазку и ремонт;

5) простота устройства и обслуживания.

По сравнению с паротурбинными установками газотурбинные установки имеют следующие преимущества:

1) отсутствие паровых котлов и сложного котельного оборудования (насосы, вентиляторы, системы обслуживающие котлы);

2) лучшие пусковые качества;

3) отсутствие конденсаторов и связанных с ним систем;

4) меньшие габариты и масса при одинаковых мощностях;

5) меньшие удельные расходы топлива;

6) низкие давления рабочего тела в цикле, а следовательно большая безопасность при случайном повреждении трубопровода.

Сжигание топлива в газотурбинной установке может осуществляться либо при постоянном давлении, либо при постоянном объеме.

Газотурбинные установки со сгоранием при постоянном объеме, вследствие присущих им недостатков, не нашли распространения и в настоящее время не строятся.

Повысить КПД газотурбинной установки можно несколькими способами, но все они усложняют установку и увеличивают ее массу.

К таким способам относятся:

1) ступенчатый подвод теплоты;

2) регенерация теплоты, т. е. возврат теплоты рабочему телу;

3) ступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением рабочего тела.

Ступенчатый подвод теплоты имеет целью приблизить этот процесс к более выгодному изотермическому подводу теплоты (как в цикле Карно). Практически этот процесс осуществляется применением ступенчатого сгорания между ступенями многоступенчатой газовой турбины, для чего перед каждой из промежуточных ступеней устанавливается камера сгорания, где отработавшие в предыдущей ступени газы получают дополнительное тепло за счет сгорания топлива.

Турбины со ступенчатым сгоранием могут выполняться с двумя и более ступенями.

Преимущество турбины со ступенчатым подводом теплоты состоит, в основном, в том, что она позволяет получить большую мощность установки. Исследования многоступенчатых газовых турбин со ступенями сгорания показывают, что при двух ступенях сгорания мощность турбины повышается на 22%, а при трех ступенях — на 30%. Однако большого увеличения термического КПД такие установки не дают, если нет регенерации теплоты. Поэтому газотурбинные установки со ступенчатым подводом теплоты без регенерации не получили заметного распространения.

Сущность регенерации теплоты заключается в максимальном использовании в установке теплоты уходящих отработавших газов. В газовых турбинах теплота отработавших газов используется в подогревателях воздуха, идущего в камеру сгорания. Воздухоподогреватель, являющийся регенератором, выполняется в виде трубчатого теплообменного аппарата, где для улучшения теплопередачи осуществляется противоток воздуха и газов.

Наибольший эффект регенерация будет иметь, если сжатие газа производить по изотерме. Однако изотермическое сжатие практически неосуществимо, к нему лишь приближаются устройством ступенчатого сжатия воздуха в компрессоре с промежуточным охлаждением.

В настоящее время на судах применяются два типа газотурбинных двигателей: промышленного типа и авиационного типа.

В современных газотурбинных установках промышленного типа для повышения КПД применяются все три приведенных мероприятия, т. е. ступенчатое сгорание, регенерация и ступенчатое охлаждение. Схема такой установки приведена на рисунке 33.

Работа газотурбинного двигателя заключается в следующем.

Компрессор низкого давления (КНД) 2, вращаемый турбиной низкого давления (ТНД) 9, засасывает атмосферный воздух через приемный патрубок 1 и сжимает его. Из напорного патрубка КНД 16 сжатый воздух по воздуховоду 3 подается к воздухоохладителю 4, который прокачивается забортной водой. Охлажденный воздух поступает в компрессор высокого давления (КВД) 5, вращаемый турбиной высокого давления (ТВД) 8. Далее по воздуховоду 3 сжатый воздух подается в регенератор 6, проходя через который нагревается за счет теплоты отработавшего в турбинах газа.

После регенератора воздух поступает в камеру сгорания 7. Часть воздуха, поступившего в камеру сгорания, подается в жаровые трубы, где происходит  горение  топлива,  а  остальная  часть  воздуха,  проходя  между жаровыми трубами и корпусом камеры сгорания, охлаждает их и смешивается с продуктами сгорания, образующимися в жаровых трубах. В результате смешения из камеры сгорания выходит газ с пониженной температурой. Из камеры сгорания газ поступает в ТВД и далее в ТНД, а затем, пройдя регенератор и утилизационный котел, удаляется в атмосферу.

Мощность ТВД используется на сжатие воздуха и привод вспомогательных механизмов, а мощность ТНД – на сжатие воздуха и на вращение гребного винта, привод которого осуществляется через фланец отбора мощности 13.

Для запуска ГТУ предусматривается пусковой электродвигатель 14, соединенный с КВД гидротрансформатором 15 и зубчатой передачей. При запуске воздух засасывается в КВД из приемного патрубка КНД по

Рисунок 33 – Принципиальная схема газотурбинного двигателя

промышленного типа

 

воздухопроводу с противопомпажным клапаном 12, который перед включением стартерного двигателя открывается.

На рисунке 34 представлена конструктивная схема газотурбинного двигателя авиационного типа М80. Двигатель выполнен трехблочным. Компрессор низкого давления 2 приводится турбиной низкого давления 7, а компрессор высокого давления 3 приводится турбиной высокого давления 6. Вал привода компрессора низкого давления проходит внутри вала привода компрессора высокого давления, что обеспечивает сигарообразную форму двигателя. Для обеспечения безударного натекания воздуха на рабочие лопатки первой ступени КНД на входе в двигатель устанавливается направляющий аппарат 1. Между компрессором высокого давления и турбиной высокого давления установлена камера сгорания 5, оснащенная форсункой 4. Потребитель механической энергии приводится силовой турбиной 8 через фланец отбора мощности 9. Попарное соединение в блоках газовых турбин и потребителей механической энергии позволяет проще согласовывать их характеристики. Весь двигатель монтируется на раме12. Запуск двигателя осуществляется стартерным двигателем 11, который через коробку приводов 10 раскручивает блок низкого давления.

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите преимущества газотурбинных установок по сравнению с дизельными установками.

2. Назовите способы повышения КПД газотурбинной установки.

3. Назовите основные отличия газотурбинных установок промышленного типа от газотурбинных установок авиационного типа.

4. Какие процессы происходят в регенераторе газотурбинного двигателя?

5. Объясните причину повышения экономичности газотурбинного двигателя при введении промежуточного охлаждения воздуха.