Тепловые схемы сложных газотурбинных двигателей.

4.2.1 Цикл ГТД с регенерацией теплоты выпускных газов

В ГТД простого цикла (рисунок 4.1) выпускные газы имеют высокую температуру и уносят с собой в окружающую среду большое количество неиспользованной теплоты. Эти потери можно существенно уменьшить, если в цикл турбины ввести регенерацию выпускных газов – использовать их теплоту для подогрева сжатого компрессором воздуха. В этом случае в камеру сгорания подводится подогретый воздух, что обеспечивает более эффективное сгорание топлива и повышает КПД установки.

Регенерация практически осуществляется введением в схему установки теплообменного аппарата – регенератора, включаемого в поток воздуха после компрессора в камеру сгорания, а по потоку газа – за последней турбиной перед выпускным трактом (рисунок 4.2).

Рисунок 4.2 Тепловая схема ГТУ с регенерацией:

1 – гребной винт; 2-редуктор; 3-регенератор; 4-силовая турбина; 5-турбина компрессора; 6-камера сгорания; 7-подведение топлива; 8-компрессор.

Воздух, сжатый компрессором, поступает в регенератор и нагревшись подается в камеру сгорания. Из камеры сгорания газы последовательно поступают в турбину компрессора и силовую турбину, где расширяется почти до атмосферного давления. Отработанные в турбинах газы направляются к регенератору, где отдают свою теплоту воздуху. Мощность, развиваемая турбокомпрессором, затрачивается на привод компрессора, а силовой турбины – на вращение гребного винта.

В такой ГТУ:

1. Регенерация повышает КПД цикла и уменьшает затраты топлива за счет его сгорания в подогретом воздухе.

2. Уменьшаются потери теплоты с уходящими газами.

3. Однако, затраты давления воздуха и газа уменьшают полезную работу расширения в цикле и увеличивают затраты воздуха.

Таким образом, регенерация является экономически эффективной, но приводит к усложнению установки. Введение регенерации, кроме того, повышает гидравлическое сопротивление в газовоздушном тракте, а это приводит к снижению КПД двигателя.

4.2.2 Цикл ГТД с промежуточным подогревом и охлаждением.

Полезная работа ГТД получается за счет работы турбины. Поэтому какие-либо меры, направленные на увеличение работы расширения в турбине или уменьшения работы в компрессоре, должны увеличивать полезную работу ГТД.

В реальном двигателе работа сжатия в компрессоре может быть уменьшена за счет применения двухступенчатого сжатия воздуха и его промежуточного охлаждения на пути между ступенями при постоянном давлении. При этом работа, затраченная в другой ступени сжатия, уменьшается пропорционально снижению температуры воздуха в воздухоохладителе. Это способствует уменьшению общей работы сжатия в двухступенчатом компрессоре.

Работу в турбине можно также увеличивать путем использования в ней ступенчатого расширения газов с промежуточным подогревом их между ступенями.

Такая схема ГТУ приведена на рисунке 4.3.

Воздух сжимается в КНД и охлаждается в воздухоохладителе ВО. В КВД происходит дальнейшее сжатие воздуха. В результате температура воздуха в конце может быть близкой к начальной.

После КВД воздух подается в КСВД, где в результате сжигания топлива получается высокотемпературный газ. Имеющий высокую температуру и давление газ подается к ТВД, где расширяется и подается в КСНД, в которой его температура повышается за счет сжигания топлива. Подогретый таким образом газ подводится к ТНД, где расширяется. В камеру сгорания КСНД дополнительный воздух для горения не подводится. В судовых ГТД промежуточное охлаждение воздуха находит применение, а промежуточный подогрев газов из-за сложности и низкой надежности практически не применяется.

Рисунок 4.3 Тепловая схема ГТУ с промежуточным охлаждением и подогревом:

1-двигатель; 2-редуктор; 3-ТНД; 4-камера сгорания низкого давления; 5-ТВД; 6-камера сгорания высокого давления; 7-КВД; 8-КНД;

9-воздухоохладитель.

Принципиальные схемы ГТД, изображенные на рисунках 4.1 и 4.3, называют блочными, так как в них компрессор и потребитель (турбина) имеют жесткую связь. При таком соединении совместная работа этих двух потребителей энергии возможна только на одном режиме при постоянной частоте вращения. Это означает, что блочный ГТД пригоден для привода электрогенератора, водометного движителя или винта регулируемого шага.

На практике чаще всего в одном ГТД применяют две или три турбины и один или два компрессора. При этом силовой является свободная турбина.