Газовая турбина, как тепловой двигатель, объединяет характерные особенности паровой турбины и двигателя внутреннего сгорания, в котором энергия топлива при его горении превращается непосредственно в механическую работу.
Рабочим телом газовых турбин, работающих по открытому циклу, являются продукты сгорания топлива, а рабочим телом газовых турбин, работающих по закрытому циклу,— чистый воздух или газ, непрерывно циркулирующий в системе. На судах применяют газотурбинные установки (ГТУ), работающие по открытому циклу, со сгоранием топлива при постоянном давлении (р = const) и ГТУ, работающие по закрытому циклу.
В настоящее время судовые ГТУ выполняют двух типов: 1) турбокомпрессорные и 2) со свободно-поршневыми генераторами газа (СПГГ).
![Схема простейшей газотурбинной установки со сгоранием топлива при p=const Схема простейшей газотурбинной установки со сгоранием топлива при p=const](/images/stories/Glavnye-sudovi-dvigateli/chast-2/150-199/176.gif)
Схема простейшей турбокомирессорной газотурбинной установки, работающей при постоянном давлении сгорания топлива представлена на рис. 101. Компрессор 9 засасывает чистый атмосферный воздух, сжимает его до высокого давления и подает по воздухопроводу 3 в камеру сгорания 2, куда одновременно через форсунку 1 поступает топливо. Топливо, смешиваясь с воздухом, образует рабочую смесь, которая сгорает при р = const. Образовавшиеся продукты сгорания охлаждаются воздухом и направляются в проточную часть турбины. В неподвижных лопатках 4 продукты сгорания расширяются и с большой скоростью поступают на рабочие лопатки 5, где происходит преобразование кинетической энергии газового потока в механическую работу вращения вала. По патрубку 6 отработавшие газы уходят из турбины. Газовая турбина приводит во вращение компрессор 9 и через редуктор 7 гребной винт 8. Для запуска установки используется пусковой двигатель 10, который раскручивает компрессор до минимальной частоты вращения.
На этом же рисунке изображен теоретический цикл рассмотренной ГТУ в координатах р — ? и S — Т: AВ — процесс сжатия воздуха в компрессоре; ВС—сгорание топлива при постоянном давлении в камере сгорания; СД— расширение газа в турбине, ДА — отвод тепла от отработавших газов.
Для повышения экономичности работы ГТУ применяют регенеративный подогрев воздуха, поступающего в камеру сгорания, либо ступенчатое сгорание топлива в нескольких последовательных камерах сгорания, которые обслуживают отдельные турбины. Из-за конструктивной сложности ступенчатое сгорание применяют редко. С целью повышения эффективного к. п. д. установки наряду с регенерацией используют двухступенчатое сжатие воздуха, при этом между компрессорами включают промежуточный охладитель воздуха, что сокращает потребную мощность компрессора высокого давления.
![Принципиальна схема судовой ГТУ Принципиальна схема судовой ГТУ](/images/stories/Glavnye-sudovi-dvigateli/chast-2/150-199/177.gif)
На рис. 102 дана схема простейшей газотурбинной установки со сгоранием топлива при р = const и регенерацией тепла. Воздух, сжатый в компрессоре 1, проходит через регенератор 2 в камеру сгорания 3, где подогревается за счет тепла отработавших газов, покидающих турбину 4 со сравнительно высокой температурой. Действительный цикл этой установки показан на диаграмме S—Т (рис. 103): процесс сжатия воздуха в компрессоре 1—2; нагрев воздуха в регенераторе, сопровождаемый падением давления от р2 до р4 2 — 3; подвод тепла в процессе сгорания топлива 3 — 4; действительный процесс расширения газа в турбинах 4—5; охлаждение газов в регенераторе, сопровождаемое потерей давления р5—р1 5—6; выпуск газов— отвод тепла 6—1. Количество тепла, полученное воздухом в регенераторе, изображается площадью 2'—2—3—3', а количество тепла, отданного отходящими газами в регенераторе, площадью 6'—6—5—5'. Эти площади равны между собой.
В ГТУ закрытого цикла отработавшее рабочее тело не поступает в атмосферу, а после предварительного охлаждения вновь направляется в компрессор. Следовательно, в цикле циркулирует рабочее тело, не загрязненное продуктами сгорания. Это улучшает условия работы проточных частей турбин в результате чего повышается надежность работы установки и увеличивается ее моторесурс. Продукты сгорания не смешиваются с рабочим телом и поэтому для сжигания пригодно топливо любого вида.
![Судовая ГТУ закрытого цикла Судовая ГТУ закрытого цикла](/images/stories/Glavnye-sudovi-dvigateli/chast-2/150-199/178.gif)
На рис. 104 показана принципиальная схема всережимной судовой ГТУ закрытого цикла. Воздух после предварительного охлаждения в воздухоохладителе 4 поступает в компрессор 5, который приводится во вращение турбиной высокого давления 7. Из компрессора воздух направляется в регенератор 3, а затем в воздухонагреватель 6, выполняющий ту же роль, что и камера сгорания в установках открытого типа. Из воздухонагревателя рабочий воздух при температуре 700° С поступает в турбину высокого давления 7, которая вращает компрессор, а затем в турбину низкого давления 2, которая через редуктор 1 приводит в действие винт регулируемого шага. Пусковой электродвигатель 8 предназначен для запуска установки в работу. К недостаткам ГТУ закрытого цикла следует отнести громоздкость теплообменников.
Особый интерес представляют ГТУ закрытого цикла с ядерным реактором. В этих установках в качестве рабочего тела газовых турбин (теплоносителя) применяют гелий, азот, углекислый газ. Эти газы не активируются в ядерном реакторе. Нагретый в реакторе до высокой температуры газ непосредственно направляется на работу в газовую турбину.
Основными достоинствами газовых турбин по сравнению с паровыми являются: малые вес и габариты, так как отсутствуют котельная и конденсационная установка со вспомогательными механизмами и устройствами; быстрый пуск в ход и развитие полной мощности в течение 10—15 мин\ весьма малый расход охлаждающей воды; простота обслуживания.
Основные преимущества газовых турбин по сравнению с двигателями внутреннего сгорания являются: отсутствие кривошипно-шатунного механизма и связанных с ним инерционных сил; малые вес и габариты при больших мощностях (ГТУ по весу легче в 2— 2,5 раза и по длине короче в 1,5—2 раза, чем дизели); возможность работы на низкосортном топливе; меньшие эксплуатационные расходы. Недостатки газовых турбин следующие: небольшой срок службы при высоких температурах газа (так,, при температуре газа 1173° К срок службы 500—1000 ч); меньшая, чем у дизелей, экономичность; значительная шумность при работе.
В настоящее время газовые турбины применяют в качестве главных двигателей морских транспортных судов. В отдельных случаях газовые турбины малой мощности применяют в качестве привода насосов, аварийных электрогенераторов, вспомогательных наддувочных компрессоров и др. Особый интерес представляют газовые турбины как главные двигатели для судов с подводными крыльями и судов на воздушной подушке.
|