СЭУ, Модуль 5.1., Чистяков А.Ю., 06.12.10
Судовые энергетические установки
Модуль 5.1.
5.1.1. Газотурбинные энергетические установки. Классификация газотурбинных двигателей.
Газотурбинным двигателем (ГТД) называют такой тепловой двигатель, в котором происходит преобразование кинетической и тепловой энергии потока продуктов сгорания органического топлива в механическую энергию вращения ротора газовой турбины.
Газотурбинной энергетической установкой (ГТУ) называется комплекс технических средств, предназначенный для преобразования кинетической и тепловой энергии горячего газа в механическую энергию вращения ротора.
Для газотурбинной установки характерны следующие термодинамические процессы:
- сжатие рабочего тела в компрессоре;
- подогрев рабочего тела теплотой, получаемой из внешнего источника;
- преобразование энергии рабочего тела при его расширении в газовой турбине в кинетическую энергию струи газа с последующим преобразованием в ее механическую работу и передача механической работы потребителю;
- охлаждение рабочего тела до состояния, соответствующего входу в компрессор.
Особенностями рабочего процесса в газотурбинном двигателе является непрерывное вращение рабочих лопаток и разгон потока рабочего тела до больших скоростей.
Судовые и корабельные газотурбинные двигатели можно классифицировать по следующим признакам:
по использованию ГТД в составе СЭУ:
- на главные, используемые для обеспечения движения судна;
- вспомогательные, используемые для получения тепловой и электрической энергии (газотурбогенераторы – ГТГ);
В свою очередь главные ГТД разделяются на:
- маршевые, используемые на экономических ходах в целях обеспечения установленной дальности плавания;
- форсажные (ГТД полного хода), предназначенные для обеспечения хода от экономического до полного;
- всережимные, используемые на всех режимах работы ГЭУ;
по конструкции проточной части:
- на активные, в которых преобразование энергии потока газа происходит только в направляющем аппарате;
- реактивные, в которых преобразование энергии потока газа происходит как в направляющем аппарате, так и в каналах рабочих лопаток;
- смешанные, сочетающие в себе как активную, так и реактивную части;
по блокированию турбин и компрессоров:
- с блокированными турбинами и компрессорами;
- со свободной пропульсивной турбиной (турбиной винта);
(в судовых ГТД максимально используемое число компрессоров – 2, максимально используемое число турбин – 3);
по использованию в термодинамическом цикле теплообменных аппаратов:
- без использования теплообменных аппаратов;
- с регенератором;
- с промежуточными охладителями воздуха;
- с промежуточным подогревом газа;
- с котлом-утилизатором;
- комбинированные (с использованием нескольких видов теплообменных аппаратов);
по току рабочего тела в компрессорах и турбинах:
- на прямоточные, в которых воздух и продукты сгорания движутся вдоль оси двигателя последовательно через проточные части компрессоров, камеры сгорания, проточные части турбин, без изменения направления движения;
- непрямоточные: в состав таких двигателей (установок) входят регенераторы, промежуточные охладители воздуха и другие теплообменные аппараты, при протекании через которые воздух и продукты сгорания меняют направление своего движения;
по направлению потока рабочего тела в проточной части:
- на осевые, в которых поток воздуха в компрессоре или газа в турбине движется вдоль оси двигателя;
- радиальные, в которых поток воздуха (газа) при входе в ступень компрессора (турбины) движется вдоль оси двигателя, а выходит из ступени в направлении, перпендикулярном оси двигателя;
- по расположению турбин относительно компрессоров:
- с прямым соединением турбомашин, когда турбина соединена с валом одноименного компрессора (ТВД – КВД, ТНД – КНД);
- с перекрестным соединением турбомашин;
- с полуперекрестным соединением турбомашин;
по расположению пропульсивной турбины:
- с пропульсивной турбиной высокого давления;
- с пропульсивной турбиной среднего давления;
- с пропульсивной турбиной низкого давления;
по возможности осуществления реверса:
- реверсивные двигатели с турбиной заднего хода;
- реверсивные с двухъярусными лопатками и разделением потоков;
- с реверсивными центростремительными турбинами;
- нереверсивные;
по кратности циркуляции рабочего тела:
- с однократной циркуляцией – ГТД открытого цикла, обычно используемые в качестве судовых и корабельных двигателей;
- с многократной циркуляцией – ГТД закрытого цикла, используемые в ядерных газотурбинных установках;
по виду производимой работы:
- ГТД по выработке механической энергии, работающие на водяной или воздушный винт, либо приводящие в действие электрогенераторы;
- ГТД по выработке газодинамической энергии – турбореактивные двигатели;
по роду используемого топлива:
- ГТУ, работающие на природном органическом топливе;
- ГТУ, использующие ядерное топливо. Такие установки называются ЯГТУ – ядерными газотурбинными установками. Они в свою очередь могут быть одноконтурными и многоконтурными. Вместо камеры сгорания нагрев газа происходит в активной зоне газоохлаждаемого ядерного реактора, а после совершения работы в газовой турбине газ направляется в регенератор и охладитель;
по роду рабочего тела:
- с использованием воздуха (как правило, ГТД открытого цикла);
- с использованием инертных газов – водорода, гелия, азота, углекислого газа – для перспективных ЯГТУ закрытого цикла.
ГТД прямоточного типа (рис. 5.1.1. и 5.1.2.) получили широкое распространение в составе СЭУ на судах и кораблях различных классов и назначений, а также в некоторых отраслях стационарной энергетики. Эти ГТД, несмотря на меньшие значения КПД, обладают малыми массогабаритными показателями, большими значениями удельных мощностей, просты в эксплуатации, обладают отличными маневренными характеристиками. Все эти свойства прямоточных ГТД определили их применение на скоростных судах с динамическими принципами поддержания (СВП и СПК), используемых в качестве скоростных пассажирских судов.
ГТД непрямоточного типа (рис. 5.1.3.) характеризуются значительно большей массой, чем прямоточные установки. Наиболее важным свойством установок непрямоточного типа следует считать высокую экономичность, приближающуюся к экономичности дизельных установок, меньшие расходы топлива и возможность работы на тяжелых и дешевых сортах топлива. Поэтому такие типы ГТУ устанавливают в первую очередь на судах транспортного флота.
Рис. 5.1.1. Прямоточный судовой ГТД и ГТД авиационного типа (турбовинтовой двигатель)
1 – вал отбора мощности; 2 – воздухозаборник;
3 – входной направляющий аппарат; 4 – передняя коробка приводов; 5 – основная коробка приводов;
6 – КНД; 7 – КВД; 8 – камера сгорания; 9 – ТВД;
10 – ТСД; 11 – ТНД; 12 – выходной спрямляющий аппарат; 13 – наружный кожух двигателя;
14 – выхлопной патрубок; 15 – кожух выхлопного патрубка; 16 – диффузорные каналы;
17 – фундаментная рама; 18 – редуктор; 19 – обтекатель.
Рис. 5.1.2. Конструкция прямоточного судового ГТД
1 – обтекатель с носовым подшипником;
2 – поворотный входной направляющий аппарат;
3 – компрессор низкого давления; 4 – компрессор высокого давления; 5 – камера сгорания; 6 – турбина высокого давления; 7 – турбина низкого давления;
8 – силовая (пропульсивная) турбина; 9 – рама;
10 – пусковой электродвигатель; 11 – коробка приводов; 12 – входной диффузор.
Рис. 5.1.3. Схема и основные конструктивные узлы непрямоточного судового ГТД.
1 – входной патрубок; 2 – компрессор низкого давления; 3 – воздухопроводы; 4 – воздухоохладитель; 5 – компрессор высокого давления; 6 – регенератор;
7 – камера сгорания; 8 – турбина высокого давления;
9 – турбина низкого давления; 10 – выхлопной патрубок; 11 – газоходы; 12 – противопомпажный клапан; 13 – вал отбора мощности; 14 – пусковой электродвигатель; 15 – гидротрансформатор;
16 – улиточные патрубки.