книги из ГПНТБ / Эпельман Т.Е. Судовые теплоэнергетические установки и их оборудование учеб. пособие

также иметь в виду, что выражения (55) и (56) определяют показатели только главной энергетической установки, так как не учитывают до­ полнительные расходы энергии на судовые нужды.

Эффективный к. п. д. ГТУ существенно зависит от температуры газов в начале расширения в турбине. В простейших ГТУ открытого

лежит в пределах цеу = 0,22—0,26 и удельный эффективный расход топлива соответственно Ьеу = 0,40—0,33 кг/(кВт-ч).

Повышение экономичности таких установок может быть достигнуто путем применения более высоких температур, что в свою очередь ухуд­ шает другие показатели ГТУ (надежность, срок службы, стоимость изготовления и др.).

§ 13

ГТУ открытого цикла со сложными тепловыми схемами

/

Регенерация тепла отработавших газов. Одним из способов повышения экономичности ГТУ является регенерация тепла, т. е. возвращение в цикл некоторой части тепла, выбрасываемого в простейшей установке вместе с отработавшими газами в атмосферу. Наиболее удобно возвращаемое в цикл тепло передать сжатому в компрессоре воздуху перед поступлением его в камеру сгорания.

90

На рис. 51 приведена тепловая схема, а на рис. 52 термодинами­ ческий цикл ГТУ с регенерацией тепла. Для простоты в цикле учтены внутренние потери только в турбине и компрессоре.

(см. рис. 46) наличием регенератора — поверхностного теплообменного аппарата, в котором отработавшими в турбине газами подогре­ вается воздух, поступающий в камеру сгорания.

Цикл ГТУ с регенерацией по изображению не отличается от про­ стого цикла, однако процессы подвода и отвода тепла частично пере­

В камере сгорания теперь необходимо сообщить 1 кг рабочего тела тепла меньше, чем ^ х в простом цикле на величину qr, и, следо­ вательно, расход топлива на установку при той же полезной мощно­ сти уменьшается. Относительный выигрыш от применения регенера­ ции в цикле при тех же степенях повышения давления и температуры составит

?1

Чв Qi — Qr

91

или, если пренебречь изменением удельной теплоемкости,

зуется степенью регенерации, представляющей собой отношение ко­ личества тепла, сообщенного воздуху в регенераторе, к количеству тепла, которое было/бы передано, если бы газы охладились до темпе­ ратуры Г 2 - Если принять в регенера­ торе одинаковыми удельные теплоем­

в цикле и, следовательно, несколько улучшает такие показатели, как коэффициент полезной работы и удельный расход рабочего тела.

На рис. 53 приведена зависимость внутреннего к- п. д. ГТУ с реге­ нерацией тепла от степени повышения давления при различных г и т без учета потерь в трубопроводах.

Применение регенерации тепла уходящих газов, повышая эконо- • мичность, в то же время усложняет установку и увеличивает ее массу и габарит. Относительные размеры и масса регенератора в значитель­ ной мере определяются значением степени регенерации г, достигая

Промежуточное охлаждение воздуха. В ГТУ мощность, потребляе­ мая компрессором, составляет существенную долю от всей мощности, развиваемой газовой турбиной, и при простой тепловой схеме может достигать 60—70%. Следствием этого являются низкие коэффициенты полезной работы и высокие удельные расходы рабочего тела.

92

Мощность, расходуемую в ГТУ на привод компрессора, можно существенно уменьшить, если ввести промежуточное охлаждение воздуха в процессе сжатия. В этом случае компрессор разделяется на два отсека —^компрессор низкого давления (КНД) и компрессор высокого давления (КВД), между которыми устанавливают промежу­ точный охладитель воздуха. Охлаждающей средой в промежуточном охладителе является вода.

Тепловая схема и цикл ГТУ с промежуточным охлаждением воз­

Одновременно с этим к рабочему телу требуется подвести большее количество тепла для получения той же максимальной температуры

это мероприятие может привести к некоторому увеличению к. п. д. Промежуточное охлаждение воздуха особенно эффективно в уста­ новках с регенерацией тепла отработавших газов. Снижение темпера­ туры воздуха на выходе из К Н Д увеличивает располагаемую разность температур Г 4 — Г 2 в регенераторе и тем самым создает условия для более полного использования тепла отработавших газов, а увеличение удельной работы снижает расход рабочего тела и габарит установки. Следует иметь в виду, что введение в установку дополнительных элементов — промежуточного охладителя воздуха и регенератора — связано с увеличением гидравлических сопротивлений воздушногазового тракта, учитываемых коэффициентом т]с . Особенно сущест­ венно сказываются на к. п. д. установки гидравлические потери в ре­ генераторе как по воздушной, так и по газовой стороне, зависящие в большой мере от степени регенерации. Повышенные гидравлические

93

потери могут сильно снизить возможности реализации выигрыша от применения регенерации.

Промежуточный подвод тепла. Наряду с рассмотренными выше путями повышения экономичности ГТУ — применением регенерации и промежуточного охлаждения воздуха — можно назвать еще один— промежуточный подогрев газа в процессе расширения его в турбине. Промежуточный подогрев газа осуществляется в дополнительной камере сгорания, расположенной между турбинами. Так как в первую камеру сгорания (высокого давления) воздух подается с большим из­ бытком, газы после турбины высокого давления имеют достаточное количество свободного кислорода, чтобы можно было сжечь еще неко­ торое количество топлива в камере сгорания низкого давления.

Практического применения установки с такой схемой пока не получили вследствие их сложности и трудностей в регулировании и управлении, обусловленных дополнительной камерой сгорания.

§ И

ГТУ замкнутого цикла

Как указывалось ранее, в установках замкнутого цикла осуществляется циркуляция рабочего тела по замкнутому кон­ туру, образованному элементами ГТУ и трубопроводами. По замкну­ тому принципу может быть организован любой из рассмотренных циклов.

В качестве примера на рис. 56 изображена тепловая схема ГТУ замкнутого цикла с промежуточным охлаждением и регенерацией.

Вотличие от аналогичной схемы ГТУ открытого цикла здесь камера сгорания заменена нагревателем, а на замыкающей ветви между реге­ нератором и компрессором низкого давления установлен конечный охладитель рабочего тела. Конечный охладитель играет в термодина­ мическом цикле роль холодного источника, которому рабочее тело должно отдать некоторое количество тепла, чтобы вернуться в исход­ ное состояние с параметрами перед компрессором низкого давления.

Воткрытом цикле этому процессу условно соответствовал выпуск отработавших газов в атмосферу.

ГТУ замкнутого цикла по сравнению с установками открытого цикла имеют следующие преимущества:

1) рабочее тело не смешивается с продуктами сгорания, поэтому отсутствует загрязнение проточных частей турбин и компрессоров,

атакже теплообменных поверхностей регенераторов и охладителей;

2)топливо может использоваться органическое, в том числе и низкосортное, или ядерное;

принят выше атмосферного, что приводит к уменьшению объемных расходов рабочего тела и сокращению габаритов элементов ГТУ;

5) регулирование мощности удобно производить изменением коли­ чества рабочего тела, циркулирующего в установке.

94

ливе продукты сгорания выбрасываются в атмосферу со сравнительно

Рис. 56. ГТУ замкнутого цикла с регенерацией и проме­ жуточным охлаждением воздуха.

/ — КНД; 2 — конечный охладитель; 3 — ТНД; 4 — ТВД; 5 — нагреватель; 6 — регенератор; 7 — К.ВД; 8 — охладитель возДуха.

4) для восполнения утечки рабочего тела необходимо иметь спе­ циальную компрессорную станцию и резервуары сжатого рабочего тела.

В случае использования ядерной энергии установка может быть одноконтурной, когда функции нагревателя выполняет непосред­ ственно сам реактор, или двухконтурной. В двухконтурной установке тепло, выделяющееся в реакторе, воспринимается промежуточным теплоносителем, циркулирующим в первичном контуре, а затем в нагревателе передается рабочему телу, циркулирующему во вто­ ричном контуре. Двухконтурные установки сложнее по устройству, но позволяют более просто решить проблему биологической защиты. В качестве рабочего тела, что особенно важно для одноконтурных установок, следует использовать инертные газы, облегчающие обес­ печение биологической защиты.

95

§ 15

ГТУ с СПГГ

Принципиальная схема ГТУ со свободнопоршневым генератором газа представлена на рис. 57.

Воздух, засасываемый из атмосферы, сжимается в компрессорных полостях 2 и 6 свободнопоршневого генератора газа при движении поршней навстречу друг другу и подается в воздушную емкость 3, откуда он при соответствующем положении поршней через продувоч­ ные окна поступает в цилиндр двигателя 4. Поршни компрессоров жестко соединены с поршнями двигателя, движущимися в противопо­ ложных направлениях и образующими в средней части цилиндра

него или заднего хода. Мощность развиваемая турбиной, через зуб­

с СПГГ. Линия /—2 изображает процесс сжатия воздуха в компрес­ соре, а 2—3 •— в цилиндре двигателя; 3—4—5 — подвод тепла, вна­ чале при постоянном объеме, I а затем при постоянном давлении; 5—6— расширение в цилиндре двигателя; 6—2 — отвод тепла при постоянном объеме (соответствует выпуску газов в ресивер); 2—7 — подвод тепла при постоянном давлении в количестве, равном отведенному в процессе 6—2; 7—8 — расширение в турбине; 8^-1 — отвод тепла при постоянном давлении (выпуск газов в атмосферу).

Цикл ГТУ с СПГГ состоит как бы из двух циклов: цикла 2—3—4—5—6—2, осуществляемого в цилиндре двигателя, и цикла 1—2—7—8—/, свойственного ГТУ с турбокомпрессором. Полезная работа суммарного цикла ГТУ с СПГГ измеряется суммой площадей этих двух циклов. Работа в цилиндре двигателя в данном случае

96

представляется как полезная, а сжатие в компрессоре совершается как бы за счет части работы турбины. Фактически в ГТУ с СПГГ работа, совершаемая в цилиндре двигателя (площадь 2—3—4—5— 6—2), полностью расходуется на сжатие в компрессоре (площадь

мощность СПГГ, что затрудняет создание мощных судовых устано­ вок. Увеличение количества СПГГ, обслуживающих турбину, затруд­ няет расположение установки на судне и усложняет ее обслужи­ вание.

§ 16

ГТУ с утилизацией тепла

Как следует из § 13, возможности использования тепла отработавших в турбине газов посредством регенерации ограни­ чиваются температурой воздуха в конце сжатия в компрессоре. Сам регенератор — довольно громоздкий теплообменный аппарат, по­ скольку коэффициенты теплопередачи от газов к воздуху сравни­ тельно низкие.

Повысить экономичность ГТУ также можно, если отработавшие газы с высокой температурой направить в парогенератор, а генери­ руемый в нем пар использовать для судовых и технологических нужд, выработки электроэнергии в утилизационном турбогенераторе или для получения дополнительной мощности, передаваемой движи­ телю.

В первых двух случаях степень утилизации тепла отходящих газов ограничивается потребностями судна в электроэнергии или паре на различные нужды. При использовании дополнительной утилиза­ ционной пропульсивной турбины степень утилизации тепла может быть существенно увеличена, поскольку дополнительная мощность, получаемая в паровой части установки, не имеет ограничений с точки

зрения ее использования. Лимитирующими факторами здесь могут быть габариты и массы элементов теплоутилизационного контура и минимально допустимая на выходе из парогенератора температура газов, исключающая коррозию поверхностей нагрева.

Принципиальная тепловая схема такой газотурбинной установки, получившей наименование ГТУ с теплоутилизационным контуром (ГТУ с ТУК), показана на рис. 59Мощность паровой турбины по­ средством зубчатой передачи суммируется с мощностью газовой турбины винта. Пар, отработавший в паровой турбине, конденси­ руется в конденсаторе, а конденсат снова подается питательным насо­ сом в парогенератор.

На совмещенной для газа и пара диаграмме Т—s (рис. 60): 4—5 — процесс охлаждения газов в парогенераторе, а—b—с— d— процесс подогрева воды, парообразования и перегрева пара.

Уравнение баланса тепла в парогенераторе без учета потерь в окру­ жающую среду

Эффективный к. п. д. ГТУ с ТУК

1ег -)- р/е п

'ley '

98

В паровой части с термодинамической точки зрения целесообраз­ нее применить вместо воды какую-либо низкокипящую жидкость, на­ пример типа фреонов, однако это ведет к некоторым осложнениям иного характера: большим затратам энергии на привод насоса, недо­ статочной стойкости рабочего тела при высоких температурах, особым требованиям к уплотнениям механизмов и систем и др. В настоящее время в отечественном судостроении получают применение ГТУ с ТУК с реализацией в теплоутилизационном контуре пароводяного цикла.

Глава IV

ОСНОВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ СУДОВЫХ ГТУ

§ 17

Газовые турбины

Особенности процесса и условия работы. Сущность явлений в проточной части газовой турбины и сам рабочий процесс в принципе аналогичны явлениям и рабочему процессу в паровой турбине. Вместе с тем газовой турбине присущи и некоторые специфи­ ческие особенности. Основные из них следующие.

Начальное давление рабочего тела в газовой турбине существенно ниже давления пара перед паровой турбиной и составляет при откры­ том цикле 0,8—1,6 МН/м2 . Давление в конце расширения выше, поскольку газовые турбины работают с выпуском в атмосферу, а не в конденсатор. Эти отличия приводят к тому, что располагаемый теплоперепад в газовой турбине оказывается в 2—3 раза меньше, чем в паровой и составляет всего 420—500 кДж/кг. Поэтому и общее число ступеней в газовой турбине получается также меньше, чем в па­ ровой.

При заданной мощности величина теплоперепада в турбине опре­ деляет массовый расход рабочего тела. Поскольку на турбину винта в газотурбинной установке приходится лишь часть указанного выше общего располагаемого теплоперепада, массовый расход рабочего тела в газовой турбине при той же мощности значительно превышает расход пара в паровой турбине. Значительно большим в газовой тур­ бине оказывается и объемный расход рабочего тела через первые ступени, где к тому же давления ниже, чем в паровой турбине. Это обстоятельство способствует повышению к. п. д. первых ступеней турбины, так как лопатки получаются достаточно длинными.

В газовых турбинах, как правило, сопловое регулирование не применяется и отсутствует регулировочная ступень; подвод рабочего тела в главных турбинах всегда полный.

В ГТУ турбина разделяется на несколько отсеков, например ТВД и ТНД, приводящие в действие соответственно компрессор высокого