Рабочее тело (горячий газ) для выработки полезной работы в газовой турбине можно получить не только при сжигании топлива в камерах сгорания ГТД, но и другими способами – например, при сжигании топлива в цилиндрах дизельного двигателя. На этом принципе основана работа ГТУ с со свободнопоршневыми генераторами газа – СПГГ.
Устройство и принцип работы ГТУ с СПГГ показаны на рис. 17. В центральной части агрегата расположен дизельный цилиндр с двумя противоположно движущимися поршнями. Поршни выполнены комбинированными и состоят из дизельной и компрессорной частей. Диаметр компрессорного поршня примерно в три раза больше диаметра дизельного. Вокруг дизельного цилиндра располагается воздушный ресивер. В периферийной части СПГГ находятся компрессорные цилиндры, и отделенные от них компрессорными поршнями буферные полости.
Пуск установки начинается с подачи в буферные полости пускового воздуха при разведенных в крайние положения поршнях (положение НМТ –наружная мертвая точка). Давление пускового воздуха воздействует на компрессорные поршни, вынуждая их сходиться к внутренней мертвой точке ВМТ. При этом за счет давления, создаваемого в компрессорных цилиндрах, воздух нагнетается через клапаны в ресивер, и из него через продувочные окна попадает в дизельный цилиндр, продувая его полость и наполняя свежим зарядом воздуха.
После перекрытия дизельными поршнями продувочных и выпускных окон начинается сжатие воздуха в цилиндре. При нахождении поршней вблизи внутренней мертвой точки происходит впрыскивание топлива через форсунку, его воспламенение и сгорание. Впрыск топлива в цилиндр производится при давлении воздуха около 3,0 МПа, а воспламенение – при значении давления около 6,0 МПа. В конце сжатия давление в дизельном цилиндре составляет примерно 7,5 МПа и продолжает расти за счет горения топлива. Максимальное давление газа в дизельном цилиндре составляет около 11,5 МПа, а температура газа – 1700 °C.
Под действием давления газа поршни расходятся. При этом происходит сжатие воздуха в буферных полостях и всасывание очередной порции атмосферного воздуха через клапаны в компрессорные цилиндры. Когда давление газов уравновесится давлением воздуха в буферных полостях, замедленное движение поршней к НМТ обеспечивается за счет сил инерции движущихся поршней. При этом продолжается сжатие воздуха, находящегося в буферных полостях. При подходе к НМТ дизельные поршни сначала открывают выпускные окна, а затем продувочные. При открытии выпускных окон продукты сгорания под воздействием остаточного повышенного давления покидают цилиндр, и через выхлопной патрубок направляются сначала в газовый ресивер, а затем в проточную часть газовой турбины. Из воздушного ресивера через продувочные окна воздух под давлением около 0,5 МПа начинает поступать в дизельный цилиндр, продувая его от остатков продуктов сгорания и наполняя свежим зарядом воздуха.
Обратное движение поршней к ВМТ сначала осуществляется за счет давления воздуха в буферных полостях, а затем под действием сил инерции движущихся масс поршней. При этом воздух в компрессорных цилиндрах сжимается и выталкивается через клапаны в воздушный ресивер. Одновременно происходит сжатие воздуха в дизельном цилиндре.
Термодинамический цикл ГТУ с СПГГ по своей сути аналогичен циклу дизельного двигателя с изобарным наддувом (за исключением процесса охлаждения воздуха в воздухоохладителе), и состоит из следующих процессов (рис. 18):
Поскольку работа дизельной части установки полностью тратится на сжатие воздуха в компрессоре, площадь диаграммы b −1− 8 − a − b равна площади 1− 2 − 3 − 4 − 5 −1. Площадь диаграммы 1−6 −7 − 8 −1 численно равна полезной работе, совершаемой газовой турбиной (полезной работе установки).
Обычно для работы одной газовой турбины устанавливается несколько (от 4 до 12) СПГГ. Рабочие газы из всех СПГГ собираются в общий газовый (выхлопной) ресивер и подаются в одну газовую турбину. Относительно низкие параметры газа позволяют при этом использовать более простую и надежную конструкцию газовой турбины.
Частота циклов при работе СПГГ обычно составляет 10 ÷ 15 с–1. При этом возможна некоторая неравномерность движения поршневых групп, поэтому их обычно соединяют между собой механизмом синхронизации.
ГТУ с СПГГ имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами энергетических установок:
- достаточно высокий термический КПД цикла, достигающий 42 ÷ 44 %, что в совокупности с КПД газовой турбины ~ 85 % дает эффективный КПД установки, равный 35 ÷ 37 %;
- невысокий удельный вес;
- низкую начальную температуру газа (450 ÷ 500 °C) и меньшее число оборотов газовой турбины (3000 ÷ 5500 об/мин), что позволяет применить в конструкции проточной части ГТД более дешевые и менее жаропрочные материалы, и снижает массогабаритные показатели установки;
- высокую живучесть установки. При выходе из строя одного или даже нескольких СПГГ работа остальных обеспечивает достаточную скорость хода судна;
- широкий диапазон регулирования мощности газовой турбины за счет включения / отключения части СПГГ;
- примерно вдвое меньшую стоимость по сравнению с малооборотными дизельными двигателями аналогичной мощности.
Недостатками ГТУ с СПГГ являются сравнительно небольшая мощность отдельных генераторов газа (до 1000 кВт); более низкий КПД по сравнению с дизельными двигателями, достаточно сложная и разветвленная система газопроводов (особенно при большом числе генераторов газа) и бóльшая чувствительность к содержанию воды в топливе.
Литература
Судовые энергетические установки. Комбинированные и ядерные установки. Болдырев О.Н. [2007]
