Принципиальные схемы ГТУ

Одновальная ГТУ

Это самая простая схема (рис. 4). Для привода ЦБН не применяется, так как газотурбинный двигатель устойчиво работает в узком диапазоне своего номинального (расчетного) режима. В этом же режиме, то есть с такой же частотой вращения будет вращаться и ротор нагнетателя. По этой причине невозможно регулировать в необходимых пределах производительность нагнетателя, которая зависит от частоты его вращения.

Роторы компрессора, турбины и нагнетателя, механически соединены друг с другом в одно целое. Режимы работы нагнетателя ограничены узким диапазоном устойчивой частоты вращения ГТУ на номинальном режиме.

Рис. 4. Схема одновальной ГТУ

Двухвальная ГТУ

Является основным типом привода (рис. 5). Ротор компрессора со своей турбиной высокого давления (ТВД), так называемый газогенератор, и ротор нагнетателя со своей турбиной низкого давления (ТНД) не имеют жесткой механической связи друг с другом и могут вращаться с разной частотой. В этом случае частота вращения ротора нагнетателя может изменяться в широких пределах, а частота вращения ротора газогенератора оставаться близкой к своему номинальному (расчетному) режиму.

Рис. 5. Схема двухвальной ГТУ

Механическая связь между ТВД и ТНД отсутствует. Это допускает широкий диапазон изменения частоты вращения ротора нагнетателя при сохранении оптимальных оборотов вала турбокомпрессорной части (ОК + ТВД).

Двухкаскадная трехвальная ГТУ

Позволяет достигать высоких степеней сжатия (выше 10) с большей эффективностью, чем в двухвальной схеме.

В данной схеме (рис. 6) ротор газогенератора состоит из двух валов-каскадов: высокого и низкого давления. Компрессор низкого и компрессор высокого давления (КНД и КВД) приводятся во вращение каждый своей турбиной (ТНД – турбиной низкого давления, ТВД – турбиной высокого давления) с разной частотой, оптимальной для своего каскада. Ротор нагнетателя приводится во вращение своей турбиной нагнетателя – это третий вал. СТ – свободная турбина. Приведенная схема является основной для авиационных двигателей 4-го поколения.

Рис. 6. Схема двухкаскадной трехвальной ГТУ

Позволяет эффективно достигать высоких степеней сжатия и отказаться от дополнительной противопомпажной механизации компрессора. Отличается увеличенным диапазоном устойчивой работы и повышенным к.п.д.

Двухвальная ГТУ с регенерацией тепла

Позволяет уменьшить бесполезные потери тепла с выхлопными газами. Высокая температура выхлопных газов (порядка 500 ⁰С) используется для нагрева в теплообменнике воздуха после компрессора перед его подачей в камеру сгорания. Это снижает расход топлива. Схема двухвальной ГТУ с регенерацией тепла приведена на рис. 7.

Рис. 7. Схема двухвальной ГТУ с регенерацией тепла

Такие схемы эффективны в ГТУ с небольшой степенью сжатия (4-5), у которых температура воздуха за компрессором не велика (порядка 200 ⁰С) и прирост температуры в теплообменнике сравнительно большой.

Степень регенерации – это отношение тепла, полученного рабочим телом в регенераторе, к теплу, необходимому для его нагрева до температуры отработавших газов:

т. е., отношение прироста температуры рабочего тела в регенераторе к разнице температур рабочего тела за ТНД и за ОК.

Пример расчета степени регенерации для ГПА типа ГТК-10-4:

В ГТУ с высокой степенью сжатия температура воздуха за компрессором достигает в результате самого сжатия (300-500) ⁰С, приближаясь к температуре выхлопных газов, что делает нецелесообразным использование регенеративной схемы.

Регенератор увеличивает к.п.д. ГТУ на 3 % - 4 % вследствие частичного использования тепла выхлопных газов для нагрева сжатого в компрессоре воздуха перед его подачей в камеру сгорания.

Влияние параметров атмосферного воздуха на мощность ГТУ

Температура наружного воздуха оказывает самое значительное влияние на мощность ГТУ (до ±20%).

При понижении температуры наружного воздуха (Т_нв) мощность ГТУ растет по следующим причинам:

– плотность воздуха возрастает, растет его массовый расход через двигатель (эффект дополнительного наддува);

– чем ниже температура воздуха, тем меньше работы требуется для его сжатия, то есть от турбины отбирается меньше мощности на привод компрессора.

В итоге – возрастает степень сжатия компрессора и массовый расход воздуха через него, что приводит к увеличению мощности двигателя.

При повышении Т_нв – мощность соответственно падает. Практически это означает, что в холодное время года заданный режим ГПА достигается при меньших оборотах турбокомпрессора по сравнению с тем же режимом в жаркое время года.

Атмосферное давление влияет на мощность ГТУ существенно меньше. Механизм влияния тот же самый: чем ниже атмосферное давление, тем ниже плотность воздуха, а значит и его массовый расход через двигатель – мощность снижается.

Влажность воздуха увеличивает мощность ГТУ. Содержащаяся в воздухе влага испаряется при сжатии, снижая температуру в проточной части компрессора. Ситуация аналогична снижению температуры наружного воздуха.

Вопросы для самопроверки

1. Какие типы ГПА вы знаете? Расскажите их преимущества и недостатки.

2. Что такое ГТУ? Дать определение. Пояснить схему на рис. 3.

3. Что такое круговой термодинамический процесс?

4. Какие принципиальные схемы ГТУ вы знаете? Где они применяются?

5. Как влияют параметры атмосферного воздуха на мощность ГТУ?