Под конструктивной схемой ГТУ (газотурбинная установка) обычно понимают характеристику взаимного расположения основных ее элементов и принципиальное конструктивное решение, с помощью которого это взаимное расположение реализуется.
Даже при ограниченном наборе элементов: числе компрессоров (ступеней сжатия), газовых турбин (ступеней расширения), воздухоохладителей (ступеней промежуточного охлаждения воздуха), камер сгорания (ступеней подогрева газа) и регенерации, число теоретически возможных конструктивных схем оказывается весьма большим. Опыт отечественного и зарубежного газотурбостроения показывает, что наиболее эффективными для судовых условий являются только некоторые компоновочные схемы ГТУ.
Для всережимных судовых ГТУ должна быть предусмотрена возможность работы при любой мощности на выходном валу при согласованных между собой на каждом режиме частотах вращения гребного вала и компрессора. Это может достигаться следующими способами:
- применением винтов с поворотными лопастями (винтов регулируемого шага) при постоянной частоте вращения главного двигателя;
- разделением приводов компрессора и движителя.
Разделение приводов имеет в своей основе применение нескольких турбин, последовательно включенных в газовый тракт установки. Одна из турбин является пропульсивной (передающей мощность на движитель), другие турбины являются приводными для компрессоров. Расположение этих турбин может быть осуществлено разными способами – при прямом или перекрестном соединении турбомашин.
Схема двухвальной ГТУ с прямым соединением турбомашин
Схема с прямым соединением турбомашин (рис. 67.а) является простейшей среди двухвальных установок. Конструктивно турбина разделена на две части: турбину высокого давления – ТВД и турбину низкого давления – ТНД. ТВД является приводной для компрессора, а ТНД, не связанная с ними механически – пропульсивной турбиной. Эта схема отличается хорошими пусковыми характеристиками, но недостаточно экономична на режимах пониженных нагрузок. Такие простейшие схемы двигателей обычно применяются на легких быстроходных судах.
Схема двухвальной ГТУ с перекрестным соединением турбомашин
В отличие от предыдущей схемы в ГТУ с перекрестным соединением турбомашин (рис. 67.б) пропульсивной является ТВД, а ТНД приводит в действие компрессор. У таких схем имеются неудовлетворительные показатели работы на режимах, отличных от расчетных, поэтому их целесообразно применять только в совокупности с ВРШ.
Схема прямоточной ГТУ с двухкаскадным сжатием воздуха
Так как термодинамические циклы с блокированными и свободными пропульсивными турбинами эквивалентны (способ получения технической работы не влияет на изображение цикла), то для схем ГТУ со свободной пропульсивной турбиной также характерны рассмотренные выше способы повышения КПД. Одним из способов повышения КПД цикла является повышение степени сжатия воздуха – π К. Но получение в однокаскадном осевом компрессоре высоких степеней сжатия сопряжено с конструктивно-технологическими трудностями и приводит к усложнению эксплуатации установки. Высокие степени сжатия довольно просто могут быть получены при использовании двухкаскадного сжатия воздуха: в этом случае общая степень сжатия π К становится равной произведению степеней сжатия КНД и КВД.
В прямоточном ГТД с двухкаскадным сжатием воздуха (рис. 67.в) два последовательно расположенных компрессора КНД и КВД приводятся в действие двумя последовательно расположенными турбинами ТВД и ТСД (соблюдается прямое соединение турбомашин: ТВД является приводной для КВД, а ТСД – приводной для КНД). Пропульсивной является турбина, расположенная последней по ходу движения газов – ТНД.
В таких ГТУ удается получить значительные степени сжатия воздуха при большой начальной температуре газа и небольшие потери давлений в газовоздушном тракте, а также обеспечить работу каждого компрессора в оптимальных условиях. Экономичность такого ГТД на режимах пониженных нагрузок снижается меньше, чем у рассмотренных выше схем. Размещение обоих компрессоров и всех турбин в едином корпусе позволяет получить весьма компактный и мощный двигатель. Газотурбинные установки, выполненные по данной схеме, находят широкое применение на судах и кораблях различных классов и назначений, а также в некоторых отраслях стационарной энергетики.
Большинство судовых и корабельных ГТД прямоточного типа проектируются методом конвертации хорошо зарекомендовавших себя типов авиационных двигателей с добавлением необходимых элементов (дополнительного компрессора, турбин и т.д.).
Схема двухвальной ГТУ с регенерацией
В схемах ГТУ с регенерацией и свободной пропульсивной турбиной возможно достижение более высоких КПД, чем в прямоточных типах установок. Успех внедрения регенерации во многом зависит от конструкции теплообменной поверхности регенератора и гидравлического сопротивления теплообменника, определяющего потерю давления в воздушно-газовом тракте. Схема двухвальной ГТУ с регенерацией (рис. 68.а) отличается от одновальной только наличием свободной силовой турбины. Применение регенерации в цикле двухвальной установки также несколько уменьшает снижение КПД двигателя на частичных нагрузках.
Схема ГТУ с полуперекрестным соединением турбомашин
В схеме с полуперекрестным соединением (рис. 68.б) применено такое же количество турбомашин, как и в схеме с двухкаскадным сжатием воздуха. Для увеличения КПД цикла использована совокупность регенерации со схемой ПОВ.
Пропульсивной является турбина среднего давления − ТСД, расположенная между ТВД и ТНД. ТВД и ТНД являются приводными для компрессоров КВД и КНД соответственно. Расположение пропульсивной турбины между ТВД и ТНД и наличие регенерации дает возможность улучшить энергетический КПД цикла на режимах частичных нагрузок. Однако использование теплообменников исключает возможность организации прямоточного движения рабочих тел в газовоздушном тракте, что неизбежно приводит к увеличению гидравлических сопротивлений ВГТ. Широкого распространения такая схема ГТУ не получила. В мировом газотурбостроении известен единственный случай применения полуперекрестного соединения турбомашин на одном из проектов кораблей Британского ВМФ.
Схема ГТУ с блокированными КНД и движителем
В рассматриваемой схеме ГТУ (рис. 68.в) вместо трех турбин применены две, а функции турбины низкого давления, являющейся приводной для компрессора КНД, совмещены с функциями пропульсивной турбины. За счет исключения одной турбины схема установки значительно упрощается, улучшаются ее массогабаритные показатели. Однако блокирование привода КНД и движителя приводит к обязательному использованию с данной схемой ГТУ винта регулируемого шага.
Общими признаками для всех принципиальных схем судовых и корабельных ГТУ можно считать:
- прямое или полуперекрестное соединение турбомашин;
- количество последовательно включенных в воздушный тракт компрессоров – не более двух, при общем числе турбин – не более трех;
- размещение проточных частей турбин в одном общем корпусе;
- применение исключительно сосной компоновки турбомашин;
- разделение газогенераторной части на отдельные турбокомпрессорные агрегаты;
- применение промежуточного охлаждения воздуха совместно с регенерацией;
- применение только регенерации при невысоких степенях сжатия воздуха.
Литература
Судовые энергетические установки. Дизельные и газотурбинные установки. Болдырев О.Н. [2003]
