- •Часть I. Дизельные и газотурбинные установки
- •Часть I. Дизельные и газотурбинные установки.Учебное пособие.
- •Isbn5-7723-0403-8 © Севмашвтуз, 2003 г.
- •1. Краткая историческая справка возникновения и
- •2. Назначение, классификация и состав судовой
- •3. Основные показатели судовых энергетических
- •4. Основы термодинамики. Термодинамические
- •Глава 1.
- •1.1. Классификация двигателей внутреннего сгорания
- •1.2. Особенности судовых дизельных установок
- •1.3. Принцип действия дизельных двигателей.
- •1.4. Конструкция основных узлов дизельных
- •1.5. Топлива и масла, применяемые в судовых
- •1.6. Основные показатели работы дизельного
- •1.7. Потери энергии в дизельном двигателе.
- •1.8. Способы повышения мощности дизелей.
- •1.9. Основные компоновочные схемы дизельных
- •1.10. Системы дизельных энергетических установок
- •1.11. Передача мощности на гребной вал. Размещение
- •Глава 2.
- •2.1. Классификация газотурбинных двигателей
- •2.2. Основные понятия и определения газотурбинных
- •2.3. Общее устройство и принцип действия гтд
- •2.4. Идеальный термодинамический цикл гту.
- •2.5. Потери энергии в газотурбинной установке.
- •2.6. Способы повышения экономичности гту
- •2.7. Системы газотурбинных установок
- •2.8. Основные характеристики гту
- •2.9. Гту замкнутого и полузамкнутого циклов
- •2.10. Передача мощности на движитель.
- •Часть I. Дизельные
- •164500, Г. Северодвинск, ул. Воронина, 6
2.9. Гту замкнутого и полузамкнутого циклов
Кроме рассмотренных выше ГТУ открытого цикла существуют ГТУ замкнутого (закрытого) и полузамкнутого циклов.
Замкнутыми ГТУназывают такие установки, в которых рабочее тело непрерывно циркулирует по замкнутому контуру, не обновляясь. Схема простейшей ГТУ замкнутого цикла изображена на рис. 78:
Рис.
78. Схема простейшей ГТУ замкнутого
(закрытого) цикла.
ПНГ
– поверхностный нагреватель газа; ПОГ
– поверхностный охладитель газа; К
– компрессор; ГТ
– газовая турбина; ТУХ
– выброс продуктов сгорания в атмосферу.
Таким образом рабочий газ, циркулирующий в установке, нигде не соприкасается ни с атмосферным воздухом, ни с продуктами сгорания топлива. Давление газа, поступающего в компрессор, может иметь любое значение, отличное от атмосферного, что позволяет существенно повысить мощность установки только за счет повышения давления циркулирующего в контуре газа без изменения размеров самих турбомашин.
Рис.
79. Схемы ГТУ закрытого (замкнутого)
цикла с одним (а)
и двумя (б)
аккумуляторами
рабочего тела.
КлС
– клапан сброса рабочего тела; КлД
– клапан добавки рабочего тела; А
– аккумулятор рабочего тела; АНД
– аккумулятор низкого давления; АВД
– аккумулятор высокого давления; ПК
– подкачивающий компрессор.
а
б
Мощность установки уменьшают открытием клапана сброса рабочего тела (рис 79.а). При этом часть газа перетекает с напора компрессора в аккумулятор рабочего тела до тех пор, пока давление в аккумуляторе не сравняется с давлением газа на выходе из компрессора. Массовый расход газа в цикле при этом уменьшается, уменьшая мощность ГТУ.
Увеличение мощности ГТУ осуществляют закрытием клапана сброса и открытием клапана добавки рабочего тела. При этом часть газа из аккумулятора перетекает во всасывающий трубопровод компрессора до тех пор, пока давление в аккумуляторе не сравняется с давлением всасывания компрессора. Расход циркулирующего рабочего тела в цикле увеличивается, обеспечивая максимальную мощность установки.
В схеме ГТУ с двумя аккумуляторами рабочего тела (рис. 79.б) аккумулятор разделен на две части – высокого и низкого давления. Наличие перекачивающего компрессора позволяет получать в аккумуляторе высокого давления любое давление рабочего тела, позволяющее менять мощность установки в более широком диапазоне.
Преимуществами ГТУ закрытого цикла по сравнению с ГТУ открытого цикла являются:
возможность получения большой мощности при использовании повышенного давления газа;
малое снижение КПД на режимах частичных нагрузок, так как мощность установки можно регулировать путем добавления и выпуска рабочего тела без существенного изменения его температуры (схемы замкнутых ГТУ с аккумуляторами рабочего тела – рис. 79);
возможность использования дешевых сортов топлива, в том числе и твердого, так как рабочее тело не загрязняется продуктами сгорания.
К недостаткам ГТУ закрытого цикла относят:
усложнение схемы установки за счет применения охладителя и нагревателя газа и применения повышенного давления в контуре;
большие размеры поверхностного нагревателя газа;
ограничение температуры газа перед газовой турбиной жаропрочностью элементов нагревателя газа;
пониженный КПД установки на расчетном режиме по сравнению с ГТУ открытого цикла вследствие меньшего КПД поверхностного нагревателя по сравнению с КПД камер сгорания, больших потерь теплоты с уходящими газами и повышенного расхода энергии на собственные нужды.
Из-за своих недостатков замкнутые ГТУ, работающие на органическом топливе, не получили распространения в качестве судовых энергетических установок. Но использование преимуществ замкнутого цикла ГТУ возможно и достаточно перспективно в судовых ядерных одноконтурных и двухконтурных газотурбинных установках с высокотемпературными газоохлаждаемыми реакторами − ВТГР. В ЯГТУ нагрев рабочего тела осуществляется в активной зоне ВТГР, которая заменяет собой поверхностный нагреватель газа. Более подробно принцип действия и конструктивные схемы ЯГТУ, работающих по замкнутому циклу, будут рассмотрены в главе, посвященной ядерным энергетическим установкам.
ГТУполузамкнутого циклаисключают некоторые недостатки замкнутых ГТУ и могут выполняться по нескольким конструктивным схемам: с разделенными контурами и с соединенными контурами.
В схеме полузамкнутой ГТУ с разделенными контурамимогут быть значительно уменьшены размеры поверхностного нагревателя газа за счет подачи в него воздуха для сжигания топлива под повышенным давлением (рис. 80.а). В состав установки дополнительно входит наддувоч-ный агрегат, состоящий из компрессора и газовой турбины. Надувочная турбина работает на газах, уходящих из поверхностного нагревателя газа, и помимо привода компрессора совершает полезную работу (на схеме – выработка электроэнергии в электрогенераторе). Наддувочный компрессор забирает атмосферный воздух и подает его под повышенным давлением в нагреватель газа. За счет увеличения давления воздуха значительно интенсифицируется процесс сгорания топлива в нагревателе и процесс теплообмена, что позволяет существенно сократить размеры поверхностного нагревателя газа.
Рис.
80. Схема полузамкнутых ГТУ с разделенными
(а)
и с соединенными (б)
контурами.
НТ
– наддувочная турбина; НК
– наддувочный компрессор; ЭГ
– электрогенератор; –поверхностный
нагреватель газа;
– поверхностный охладитель газа; –камера сгорания.
Другой тип полузамкнутой ГТУ–ГТУ с соединенными контурами, имеет еще меньшие габариты из-за отсутствия поверхностного нагревателя газа (рис. 80.б). Вместо поверхностного нагревателя газа здесь используется камера сгорания. В основной компрессор поступают охлажденные в поверхностном охладителе газа продукты сгорания топлива. После сжатия в компрессоре они поступают в камеру сгорания, куда подается топливо и воздух из наддувочного компрессора. Наддувочный компрессор подает в камеру сгорания столько воздуха, сколько требуется для сгорания поступающего в нее топлива. При сгорании топлива происходит нагрев рабочего тела, циркулирующего по контуру. Основная часть горячих газов из камеры сгорания поступает в главную пропульсивную газовую турбину, совершая полезную работу. Оставшаяся часть газа поступает в газовую турбину наддувочного агрегата, приводящую в действие наддувочный компрессор.
Таким образом в рассмотренной схеме ГТУ агрегат большой мощности работает по замкнутому циклу при повышенном давлении и имеет малые удельные массу и габариты. Дополнительный турбокомпрессор выполнен по открытой схеме. Расход рабочего тела через него в 5 ÷ 6 раз меньше, чем в основном контуре.
Применение схемы полузамкнутой ГТУ с соединенными контурами решает вопрос исключения массивного поверхностного нагревателя газа, но предполагает применение топлива повышенного качества во избежание коррозии и загрязнения не только дополнительной, но и основной газовой турбины.
Выше были рассмотрены простейшие схемы замкнутых и полузамкнутых ГТУ. Конструктивно в схемах замкнутых и полузамкнутых ГТУ могут использоваться те же средства и способы повышения КПД цикла, что и в обычных ГТД:
использование регенерации тепла в цикле;
многоступенчатое сжатие газа с промежуточным его охлаждением;
многоступенчатый промежуточный подогрев газа;
разделение приводов компрессора и пропульсивной турбины.
С учетом этого, более сложные схемы ГТУ замкнутого и полузамкнутого циклов могут иметь в своем составе регенераторы, промежуточные охладители, камеры сгорания и другие элементы, характерные для аналогичных установок открытого цикла. При этом термодинамические циклы аналогичных замкнутых, полузамкнутых и открытых ГТУ не отличаются друг от друга.