2.6. Способы повышения экономичности гту

Помимо увеличения степени сжатия воздуха в компрессоре – и температуры газа –перед газовой турбиной, существуют и другие способы повышения экономичности ГТУ:

1. Применение регенерации теплоты отработавших в турбине газов для предварительного подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания;

2. Применение ступенчатого сжатия воздуха в компрессоре с промежуточным его охлаждением;

3. Применение ступенчатого сгорания топлива (промежуточный подогрев газа);

4. Создание сложных многовальных установок, что дает возможность повысить КПД в основном при работе на частичных нагрузках;

5. Создание комбинированных установок, работающих по сложному парогазовому циклу;

6. Применение утилизации теплоты уходящих газов для производства пара и горячей воды (снижение потерь теплоты с уходящими газами).

Регенерация теплоты в цикле ГТУ

Цикл ГТУ с регенерацией предусматривает использование теплоты отработавших в турбине газов для подогрева поступающего в камеру сгорания воздуха. Схема и термодинамический цикл простейшей ГТУ с регенерацией теплоты изображены на рис. 57.

Атмосферный воздух с параметрами поступает в компрессор, где происходит его сжатие до состояния. После сжатия в компрессоре воздух направляется в регенератор –, где ему передается часть теплоты уходящих из двигателя газов; при этом температура воздуха повышается до значения, а давление остается прежним –. Подогретый в регенераторе воздух поступает в камеру сгорания двигателя. На выходе из камеры сгорания горячие газы имеют состояние, характеризующееся параметрами. В газовой турбине происходит расширение газа, в ходе которого совершается полезная работа, при этом параметры газа снижаются до значений. Отработавшие в газовой турбине газы направляются в регенератор, где отдают часть теплоты нагреваемому воздуху, и затем выбрасываются в атмосферу с параметрами.

Для цикла ГТУ с регенерацией характерны следующие термодинамические процессы:

– сжатие воздуха в компрессоре;

– изобарный подвод теплоты к воздуху в регенераторе;

– изобарный подвод теплоты в КС при сжигании топлива;

– расширение газов в газовой турбине;

– изобарный отвод теплоты от продуктов сгорания в регенераторе

и передача теплоты нагреваемому воздуху;

– изобарное охлаждение продуктов сгорания в атмосфере.

Рис. 57. Схема и термодинамический цикл ГТУ с регенерацией теплоты

Подвод теплоты в цикле ГТУ с регенерацией осуществляется двумя частями: сначала по линии– в регенераторе, затем по линии– в камере сгорания двигателя при сжигании топлива. Отвод теплоты также осуществляется двумя частями: сначала по линии– в регенераторе, затем по линии– в атмосферном воздухе. Площадь диаграммысоответствует количеству теплоты, переданной от продуктов сгорания нагреваемому в регенераторе воздуху. В случае идеального теплообмена, если не происходит потерь теплоты в регенераторе в окружающую среду, количество переданной газами теплоты –должно быть равно количеству теплоты, полученной воздухом в регенераторе –(площадьдолжна быть равна площади). Но из-за наличия потерь количество теплоты, фактически полученной воздухом в регенераторе –, всегда меньше теплоты, отданной газами (площадь диаграммы).

Так как по линии подводится меньшее количество теплоты, чем по линии, то в цикле ГТУ с регенерацией для достижения заданной температуры газов на выходе из камеры сгораниянеобходимо затратить меньшее количество топлива.

Отношение количества теплоты, фактически полученной воздухом в регенераторе – к предельному количеству теплоты для идеального случая –характеризует степень использования тепла отработавшего в турбине газа и называетсякоэффициентом регенерации цикла ГТУ:

Количество теплоты, переданное газом воздуху в регенераторе в единицу времени можно вычислить по формуле:

где:

– общий коэффициент теплопередачи в регенераторе;

– площадь поверхности нагрева в регенераторе;

– средняя разность температур в регенераторе;

– расход воздуха;

– средняя теплоемкость воздуха в процессе его нагрева.

Эффективный КПД регенеративной ГТУ:

Таким образом, внедрение в цикл ГТУ регенерации уменьшает потребный запас топлива, но при этом возрастают массогабаритные показатели установки из-за наличия массивного теплообменника – регенератора.

Ступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением воздуха (ПОВ)

Рис. 58. Цикл ГТУ с изотермическим сжатием воздуха.

Из курса термодинамики известно, что максимальным КПД из термодинамических циклов тепловых двигателей обладает цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат (цикл Карно), а работа, затрачиваемая компрессором на сжатие воздуха минимальна при осуществлении изотермического сжатия. Обеспечив в цикле ГТУ изотермическое сжатие воздуха, можно приблизить КПД цикла ГТУ к КПД идеального цикла Карно.

На диаграмме (рис. 58) видно, на какую величину увеличится полезная работа цикла ГТУ при применении изотермического сжатия в компрессоре. Осуществление на практике принципа изотермического сжатия сопряжено с определенными техническими трудностями, поэтому этот процесс обычно заменяют ступенчатым сжатием воздуха с промежуточным его охлаждением в воздухоохладителях между ступенями сжатия.

Схема ГТУ с трехступенчатым сжатием и двухступенчатым промежуточным охлаждением воздуха (схема ПОВ) изображена на рис. 59, а термодинамический цикл такой установки – на рис. 60.

Рис. 59. Схема ГТУ с трехступенчатым сжатием и двухступенчатым промежуточным

охлаждением воздуха.

Атмосферный воздух с параметрамипоследовательно проходит следующие преобразования: сжатие вКНД, промежуточное охлаждение в воздухоохладителеВО1, сжатие вКСД, промежуточное охлаждение в воздухоохладителеВО2и окончательное сжатие вКВД. Турбина в данной схеме является приводной для всех трех компрессоров и передает мощность на движитель судна.

Термодинамический цикл ГТУ, построенной по приведенной схеме, состоит из следующих процессов (рис. 60):

	–	сжатие воздуха в КНД;
	–	изобарное охлаждение воздуха в промежуточном охладителе воздуха – ВО1;
	–	сжатие воздуха в КСД;
	–	изобарное охлаждение воздуха в промежуточном охладителе воздуха – ВО2;
	–	окончательное сжатие воздуха в КВД;
	–	подвод теплоты в камере сгорания двигателя;
	–	расширение газов в газовой турбине;
	–	изобарное охлаждение газов в атмосфере (условный замыкающий процесс).

Рис. 60. Термодинамический цикл ГТУ со

ступенчатым сжатием и промежуточным

охлаждением воздуха (ПОВ).

Увеличивая количество ступеней сжатия и проме-жуточных охладителей до бесконечности, можно вплот-ную приблизится к процессу термодинамического сжатия. Но использование большого числа компрессоров и охладителей влечет за собой значительное усложнение установки, увеличение ее массогабаритных показателей и удорожание (с каждым последующим увеличением ступеней сжатия воздуха и промежуточного охлаждения КПД цикла меняется менее значительно). По этой причине в судовых ГТУ наиболее целесообразным считается применениедвухступенчатого сжатия воздуха с однократным его промежуточным охлаждением.

Из диаграммы (рис. 60) видно, что применение ПОВ не только сопряжено с уменьшением работы, затрачиваемой на сжатие воздуха в компрессоре, но одновременно влечет за собой увеличение затрат теплоты на подогрев воздуха в камере сгорания: при использовании цикла с ПОВ по линии необходимо подвести большее количество теплоты, чем при однократном сжатии воздуха (линия) без охлаждения. Отсюда следует, что КПД цикла с ПОВ в чистом виде будет всегда меньше КПД исходного циклапри той же степени повышения давления. По этой причине ГТУ, выполненные по схеме ПОВ, используются только в совокупности с регенерацией тепла в цикле. Наличие регенерации значительно увеличивает эффективность ступенчатого сжатия и промежуточного охлаждения и является необходимым условием повышения КПД установки.

Промежуточный подогрев газа в цикле ГТУ (ППГ)

Увеличение полезной работы цикла может быть достигнуто не только за счет уменьшения работы, затрачиваемой на сжатие воздуха, но и за счет увеличения работы расширения в газовой турбине. Работа расширения будет максимальной, если процесс будет осуществлен изотермически. Увеличение полезной работы цикла ГТУ при изотермическом расширении газа показано на рис. 61.

Рис. 61. Цикл ГТУ с изотермическим расширением газа в газовой турбине.

Но изотермическое расширение, как и изотермическое сжатие, в реальных установках осуществить технически сложно, поэтому его заменяют процессом ступенчатого сжигания топлива в камерах сгорания, последовательно расположенных по ходу движения газа между турбинами (цикл с промежуточным подогревом газа – ППГ).

Схема ГТУ с трехступенчатым сжиганием топлива показана на рис. 62, а термодинамический цикл такой установки – на рис. 63.

Рис. 62. Схема ГТУ с трехступенчатым промежуточным подогревом газа (ППГ) в камерах

сгорания.

Воздух, сжатый в компрессоре до параметров, поступает в камеру сгорания высокого давления –КСВД. Из нее образовавшаяся смесь продуктов сгорания и избыточного воздуха поступает вТВД, совершает полезную работу расширения и направляется в камеру сгорания среднего давления –КССД. Вследствие большого коэффициента избытка воздуха топливо вКССДсгорает без дополнительной подачи воздуха. ИзКССДгорячие газы поступают вТСД, расширяются в ней и направляются в камеру сгорания низкого давления –КСНД, где осуществляется еще одна ступень подогрева газа. После последнего подогрева вКСНДгорячие газы окончательно расширяются вТНДи выбрасываются в атмосферу.

Рабочий цикл ГТУ, построенной по схеме ППГ, состоит из следующих термодинамических процессов:

	–	сжатие воздуха в компрессоре;
	–	изобарный подвод теплоты (сгорание топлива) в КСВД;
	–	расширение газов в ТВД;
	–	изобарный подвод теплоты в КССД (повторное сгорания топлива);
	–	расширение газов в ТСД;
	–	изобарный подвод теплоты в КСНД;
	–	окончательное расширение газов в ТНД;
	–	изобарное охлаждение газов в атмосфере (условный замыкающий процесс.

При рассмотрении цикла ППГ видно: увеличение числа ступеней подогрева (камер сгорания и турбин) до бесконечности приближает процесс расширения газа к изотермическому. Однако для судовых ГТУ число ступеней промежуточного подогрева газа редко делают более двух из-за значительного усложне-ния и удорожания установки. Дальнейшее увеличение числа промежуточных ступеней подогрева дает менее существенное повышение КПД из-за роста гидравли-ческих сопротивлений по ходу движения газа.

Рис. 63. Термодинамический цикл ГТУ с

трехкратным промежуточным подогревом газа.

Промежуточный подогрев газа оказывает примерно такое же влияние на КПД цикла ГТУ без регенерации, как и ступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением воздуха. Однако при наличии в цикле регенерацииприменение схемыППГ дает более ощутимый экономический эффект, чем схема с ПОВ.

В практике газотурбостроения при создании мощных ГТУ нередко применяют сочетание циклов ПОВ и ППГ в одной установке. Такая комбинация схем, несмотря на усложнение установки, позволяет не только значительно повысить КПД, но и еще в большей степени увеличить оптимальную степень повышения давления и, в итоге, резко увеличить единичную мощность ГТУ. Схема такой установки и ее термодинамический цикл показаны на рис. 64.

Рис. 64. Схема и термодинамический цикл ГТУ с двухступенчатым сжатием и

промежуточным охлаждением воздуха и двухступенчатым подогревом газа.

При рассмотрении цикла установки с комбинацией ПОВ и ППГ нетрудно заметить, что общий сложный цикл состоит из трех простых: основного цикла и присоединенных к нему циклов ПОВ и ППГ. Так как КПД идеального цикла ГТУ зависит только от степени сжатия воздуха в компрессоре – , то КПД основного цикла всегда выше, чем каждого из присоединенных. Таким образом, присоединенные циклы понижают общую степень сжатия сложного цикла и в чистом виде, без применения регенерации теплоты, несколько снижают общий КПД установки. Однако использование регенерации в совокупности с циклами ПОВ и ППГ позволяет значительно повысить КПД и экономичность ГТУ.

Разделение приводов движителя и компрессора. Конструктивные схемы двухвальных ГТУ

Под конструктивной схемой ГТУ обычно понимают характеристику взаимного расположения основных ее элементов и принципиальное конструктивное решение, с помощью которого это взаимное расположение реализуется.

Даже при ограниченном наборе элементов: числе компрессоров (ступеней сжатия), газовых турбин (ступеней расширения), воздухоохладителей (ступеней промежуточного охлаждения воздуха), камер сгорания (ступеней подогрева газа) и регенерации, число теоретически возможных конструктивных схем оказывается весьма большим. Опыт отечественного и зарубежного газотурбостроения показывает, что наиболее эффективными для судовых условий являются только некоторые компоновочные схемы ГТУ.

Выше были рассмотрены конструктивные схемы ГТУ с блокированными компрессором и пропульсивной турбиной (компрессор, газовая турбина и потребитель были соединены жесткой связью – находились на одном валу). При таком соединении совместная работа компрессора и потребителя возможна только на одном расчетном режиме, когда частота вращения потребителя постоянна и является оптимальной для работы компрессора. Подобные ситуации имеют место, если потребителем энергии судовой ГТУ является электрогенератор или водометный движитель. Если же ГТУ работает на гребной винт, то любое возмущение, вносимое в режим работы винта, тут же сказывается на режиме работы турбокомпрессора. А так как от вала компрессора получают вращение навешенные на него приводы топливных насосов и других вспомогательных механизмов, то изменение режима работы турбокомпрессора тут же сказывается на расходах топлива, воздуха и, соответственно, работе всего ГТД в целом. На режимах частичных нагрузок применение схемы с блокированным компрессором влечет снижение КПД установки при любом способе регулирования.

Для всережимных судовых ГТУ должна быть предусмотрена возможность работы при любой мощности на выходном валу при согласованных между собой на каждом режиме частотах вращения гребного вала и компрессора. Это может достигаться следующими способами:

• применением винтов с поворотными лопастями (винтов регулируемого шага) при постоянной частоте вращения главного двигателя;

• разделением приводов компрессора и движителя.

Разделение приводов имеет в своей основе применение нескольких турбин, последовательно включенных в газовый тракт установки. Одна из турбин является пропульсивной (передающей мощность на движитель), другие турбины являются приводными для компрессоров. Расположение этих турбин может быть осуществлено разными способами – при прямомилиперекрестном соединении турбомашин.

Схема двухвальной ГТУ с прямым соединением турбомашин

Схема с прямым соединением турбомашин (рис. 65.а) является простейшей среди двухвальных установок. Конструктивно турбина разделена на две части: турбину высокого давления –ТВДи турбину низкого давления –ТНД. ТВД является приводной для компрессора, а ТНД, не связанная с ними механически – пропульсивной турбиной. Эта схема отличается хорошими пусковыми характеристиками, но недостаточно экономична на режимах пониженных нагрузок. Такие простейшие схемы двигателей обычно применяются на легких быстроходных судах.

Схема двухвальной ГТУ с перекрестным соединением турбомашин

В отличие от предыдущей схемы в ГТУ с перекрестным соединением турбомашин (рис. 65.б) пропульсивной являетсяТВД, аТНДприводит в действие компрессор. У таких схем имеются неудовлетворительные показатели работы на режимах, отличных от расчетных, поэтому их целесообразно применять только в совокупности с ВРШ.

Схема прямоточной ГТУ с двухкаскадным сжатием воздуха

Так как термодинамические циклы с блокированными и свободными пропульсивными турбинами эквивалентны (способ получения технической работы не влияет на изображение цикла), то для схем ГТУ со свободной пропульсивной турбиной также характерны рассмотренные выше способы повышения КПД. Одним из способов повышения КПД цикла является повышение степени сжатия воздуха – . Но получение в однокаскадном осевом компрессоре высоких степеней сжатия сопряжено с конструктивно-технологическими трудностями и приводит к усложнению эксплуатации установки. Высокие степени сжатия довольно просто могут быть получены при использовании двухкаскадного сжатия воздуха: в этом случае общая степень сжатиястановится равной произведению степеней сжатия КНД и КВД.

В прямоточном ГТД с двухкаскадным сжатием воздуха (рис. 65.в) два последовательно расположенных компрессораКНДиКВДприводятся в действие двумя последовательно расположенными турбинамиТВДиТСД (соблюдается прямое соединение турбомашин: ТВД является приводной для КВД, а ТСД – приводной для КНД). Пропульсивной является турбина, расположенная последней по ходу движения газов –ТНД.

Рис. 65. Конструктивные схемы ГТД с разделением приводов движителя и компрессора:

а – с прямым соединением турбомашин;

б – с перекрестным соединением турбомашин;

в – с прямым соединением турбомашин и двухкаскадным сжатием воздуха.

Втаких ГТУ удается получить значительные степени сжатия воздуха при большой начальной температуре газа и небольшие потери давлений в газовоздушном тракте, а также обеспечить работу каждого компрессора в оптимальных условиях. Экономичность такого ГТД на режимах пониженных нагрузок снижается меньше, чем у рассмотренных выше схем. Размещение обоих компрессоров и всех турбин в едином корпусе позволяет получить весьма компактный и мощный двигатель. Газотурбинные установки, выполненные по данной схеме, находят широкое применение на судах и кораблях различных классов и назначений, а также в некоторых отраслях стационарной энергетики.

Большинство судовых и корабельных ГТД прямоточного типа проектируются методом конвертации хорошо зарекомендовавших себя типов авиационных двигателей с добавлением необходимых элементов (дополнительного компрессора, турбин и т.д.).

Схема двухвальной ГТУ с регенерацией

В схемах ГТУ с регенерацией и свободной пропульсивной турбиной возможно достижение более высоких КПД, чем в прямоточных типах установок. Успех внедрения регенерации во многом зависит от конструкции теплообменной поверхности регенератора и гидравлического сопротивления теплообменника, определяющего потерю давления в воздушно-газовом тракте. Схема двухвальной ГТУ с регенерацией (рис. 66.а) отличается от одновальной только наличием свободной силовой турбины. Применение регенерации в цикле двухвальной установки также несколько уменьшает снижение КПД двигателя на частичных нагрузках.

Схема ГТУ с полуперекрестным соединением турбомашин

В схеме с полуперекрестным соединением (рис. 66.б) применено такое же количество турбомашин, как и в схеме с двухкаскадным сжатием воздуха. Для увеличения КПД цикла использована совокупность регенерации со схемой ПОВ.

Пропульсивной является турбина среднего давления − ­­­­ТСД, расположенная междуТВДиТНД.ТВД иТНДявляются приводными для компрессоровКВДиКНДсоответственно. Расположение пропульсивной турбины между ТВД и ТНД и наличие регенерации дает возможность улучшить энергетический КПД цикла на режимах частичных нагрузок. Однако использование теплообменников исключает возможность организации прямоточного движения рабочих тел в газовоздушном тракте, что неизбежно приводит к увеличению гидравлических сопротивлений ВГТ. ­Широкого распространения такая схема ГТУ не получила. В мировом газотурбостроении известен единственный случай применения полуперекрестного соединения турбомашин на одном из проектов кораблей Британского ВМФ.

Схема ГТУ с блокированными КНД и движителем

В рассматриваемой схеме ГТУ (рис. 66.в) вместо трех турбин применены две, а функции турбины низкого давления, являющейся приводной для компрессораКНД, совмещены с функциями пропульсивной турбины. За счет исключения одной турбины схема установки значительно упрощается, улучшаются ее массогабаритные показатели. Но блокирование приводаКНДи движителя приводит к обязательному использованию с данной схемой ГТУ винта регулируемого шага.

Рис. 66. Конструктивные схемы регенеративных ГТУ с разделением приводов

движителя и компрессора.

а – двухвальная регенеративная ГТУ с прямым соединением турбомашин;

б – ГТУ с полуперекрестным соединением турбомашин;

в – ГТУ с блокированными КНД и движителем.

Общими признаками для всех принципиальных схем судовых и корабельных ГТУ можно считать:

• прямое или полуперекрестное соединение турбомашин;

• количество последовательно включенных в воздушный тракт компрессоров – не более двух, при общем числе турбин – не более трех;

• размещение проточных частей турбин в одном общем корпусе;

• применение исключительно сосной компоновки турбомашин;

• разделение газогенераторной части на отдельные турбокомпрессорные агрегаты;

• применение промежуточного охлаждения воздуха совместно с регенерацией;

• применение только регенерации при невысоких степенях сжатия воздуха.