Схемы и циклы ГТУ

Газотурбинные установки могут действовать по открытому или замкнутому циклу. В первом случае рабочей средой является газ - продукт сгорания топлива, который после совершения работы безвозвратно уходит в атмосферу. Во втором случае продукт сгорания топлива (как и в цикле паровой турбины) служит только для нагревания рабочей среды путем теплообмена, причем рабочей средой может быть воздух или какой-либо газ, непрерывно циркулирующий в системе.

Газотурбинная установка состоит из следующих основных элементов:

1. компрессора, нагнетающего сжатый воздух в камеру сгорания или в случае закрытого цикла - рабочую среду в турбину;

2. камеры сгорания для сжигания топлива и ввода теплоты в рабочую среду; турбины.

В открытом цикле компрессор должен нагнетать воздух в камеру сгорания под относительно высоким давлением, так как в открытом цикле продукт сгорания является рабочей средой, поступающей в турбину. В закрытом цикле продукт сгорания топлива является только нагревателем рабочей среды. Поэтому высокое давление в ней не обязательно.

В настоящее время на судах в качестве главных двигателей применяют ГТУ, работающие по открытому циклу, у которых сгорание топлива осуществляется при постоянном давлении (Рис. 1). Через патрубок 6 в компрессор 7 засасывается воздух, там он сжимается до определенного давления (примерно до 0,4 МПа). Сжатый воздух из компрессора подается непрерывным потоком в камеру сгорания 2, куда через форсунку 1 поступает топливо. В камере при постоянном давлении топливо сгорает. Выделяющиеся при сгорании газы высокой температуры охлаждаются путем смешения с воздухом и направляются в газовую турбину 4. Здесь приобретенная при расширении газа (смеси продуктов сгорания и воздуха) кинетическая энергия преобразуется на лопатках в механическую энергию. Патрубок 5 служит для выпуска отработавших газов в атмосферу.

Турбина в этой схеме вращает одновременно гребной винт 9 через редуктор 8 и компрессор 7. Отношение давлений на входе и выходе турбины и компрессора одинаково, но турбина выполняет большую работу, чем компрессор. Это происходит потому, что температура газов в турбине выше температуры воздуха в компрессоре. Пуск установки осуществляется пусковым двигателем 3, который сообщает компрессору необходимую минимальную частоту вращения, после чего в камеру сгорания подается топливо, и установка начинает работать.

Рис. 1. Схема газотурбинной установки простейшего типа

Термический КПД ГТУ, работающий по этой схеме, относительно низкий. Добиться его повышения можно несколькими способами, например, регенерацией теплоты, т.е. возвратом теплоты в цикл ступенчатым сжатием.

Схема ГТУ с регенерацией теплоты показана на Рис. 2. Отработавший газ из турбины 4 поступает в регенератор-подогреватель 2, где он проходит между трубками и подогревает воздух, поступающий из компрессора 3 в камеру сгорания 1.

Термический КПД ГТУ при регенерации тем выше, чем более нагрет воздух. Степень регенерации - отношение действительного нагрева воздуха к теоретически возможному, при котором температура воздуха достигает температуры газов на выпуске из турбины. В ГТУ с открытым циклом степень регенерации достигает обычно 75 - 85%, а в установках с замкнутым циклом - 90%. Регенерация наиболее эффективна, если дополнительно осуществляется ступенчатое сжатие воздуха в компрессорах, между которыми установлены промежуточные воздухоохладители.

В судовых газотурбинных установках обычно применяют не более двух промежуточных воздухоохладителей Увеличение их числа усложняет установку, не принося существенных выгод.

В газотурбинных установках, работающих по замкнутому циклу, имеется воздухоподогреватель, в котором нагревают воздух или другой газ, служащий рабочим телом для газовой турбины. В этом случае одна и та же порция рабочего воздуха (циркуляционного воздуха) проходит через турбину и воздухоподогреватель, в результате чего получается замкнутый цикл рабочего тела.

Схема ГТУ замкнутого цикла показана на Рис. 3. Циркулирующий по замкнутому контуру воздух при давлении, например 0,1 МПа, поступает в компрессор 1, сжимается до давления 0,5 МПа и подается в регенератор 4, где подогревается воздухом, отработавшим в турбине 2. Из регенератора воздух направляется в нагреватель 3, где посредством теплоты, выделяемой топливом при его сгорании, нагревается до начальной температуры перед турбиной. Нагретый и сжатый воздух входит в газовую турбину 2, где, расширяясь, расходует свою внутреннюю энергию на получение механической работы, используемой для привода компрессора и гребного винта. Из турбины воздух выходит со сравнительно высокой температурой, и поэтому он направляется в регенератор 4, где отдает часть своей теплоты для подогрева воздуха, поступающего в подогреватель. Затем воздух дополнительно охлаждается забортной водой в воздухоохладителе 5 и при давлении 0,1 МПа снова подается в компрессор. При охлаждении воздух уменьшается в объеме, благодаря чему уменьшаются габаритные размеры и вес компрессора и воздухопровода.

Рис. 2. Схема газотурбинной установки с регенерацией теплоты отработавших газов

Рис. 3. Схема ГТУ замкнутого цикла

Нагрузка ГТУ регулируется добавлением в систему сжатого воздуха из баллона 6 или удалением части воздуха в баллон 7. При этом массовый расход воздуха, а, следовательно, и мощность установки изменяются пропорционально давлению воздуха в замкнутом цикле.

Установки с замкнутым циклом по сравнению с установками с открытым циклом менее экономичны, так как имеют ряд дополнительных потерь в теплообменниках, поэтому в качестве главных двигателей они не применяются. Однако установки с замкнутым циклом применяются в качестве автономных газотурбоприводов электрогенераторов.

Газопаротурбинные установки Экономичность ГТУ можно заметно повысить, если отработавшие газы с высокой температурой направить в котел, а получаемый в нем пар использовать для бытовых, технологических нужд (например, для обогрева танков на танкерах), выработки электроэнергии в утилизационном турбогенераторе или для получения дополнительной мощности, передаваемой паровой турбиной гребному винту. В первых трех случаях степень утилизации теплоты отходящих газов ограничивается потребностями в электроэнергии или паре.

При использовании дополнительной утилизации паровой турбиной степень утилизации теплоты может быть существенно увеличена, поскольку дополнительная мощность, получаемая в паровой части установки, не имеет ограничений с точки зрения ее использования. Такая установка (Рис. 4) получила название газрпаротурбинной (ГПТУ).

Воздух засасывается из атмосферы и сжимается компрессором 2. Сжатый воздух подается в камеру сгорания 3, оттуда рабочие газы направляются в газовую турбину 4. После расширения в турбине уходящие газы, имеющие еще высокую температуру (400 - 600⁰С), поступают в котел 1, где их теплота используется для получения пара. Из котла пар направляется в паровую турбину 2, затем проходит через конденсатор 7. Далее насос 9 перекачивает образовавшийся конденсат в котел; конденсат служит питательной водой. Вращающий момент паровой турбины и ГТУ через редуктор 5 передается гребному винту 6. На практике могут применяться различные более или менее усложненные модификации приведенной схемы.

Рис. 4. Схема газопаротурбинной установки

Утилизация теплоты уходящих газов в котле обеспечивает газотурбинной установке значительно больший выигрыш, чем в дизельэнергетической. Это объясняется тем, что температура уходящих газов в ГТУ выше, а удельный расход газов в несколько раз больше, чем в дизелях. Согласно исследованиям благодаря утилизации теплоты отходящих газов увеличивается мощность ГТУ примерно на 25% и снижается удельный расход топлива на 20%.

В газопаровой установке с высоконапорным паровым котлом (Рис. 5) сжатый в компрессоре 1 воздух подается в топку высоконапорного котла 2, который работает под высоким давлением. Образовавшиеся в топке при сжигании топлива газы вначале омывают поверхности нагрева котла, вырабатывая пар, а затем, охладившись до температуры, допустимой для лопаточного аппарата, поступают в турбину 3, расширяются до атмосферного давления. Мощность турбины расходуется на привод компрессора и гребного винта. Пар, получаемый в котле, используется в паровой турбине или на другие нужды.

Рис. 5. Схема газопаровой установки с высоконапорным котлом

В котле газопаровой установки используются газы с высокими давлением и температурой, поэтому котел этой установки в несколько раз меньше обычного котла той же паропроизводительности. Это обстоятельство имеет большое значение для судовых энергетических установок.

Дата добавления: 2013-12-12