Замкнутыми ГТУ называют такие установки, в которых рабочее тело непрерывно циркулирует по замкнутому контуру, не обновляясь. Схема простейшей ГТУ замкнутого цикла изображена на рис. 80.
Рабочим телом в установке, работающей по замкнутому циклу, служит чистый воздух или иной газ. В поверхностный нагреватель газа поступают топливо и воздух. Выделяющееся при сжигании топлива тепло передается рабочему телу через поверхность нагрева, обычно образуемую пучками труб. Продукты сгорания, отдав часть тепла нагреваемому рабочему телу, выбрасываются в атмосферу с температурой ТУХ.
В установке, работающей по замкнутому циклу, отработавшее в турбине рабочее тело не выбрасывается в атмосферу, а охладившись в поверхностном охладителе газа, направляется на всасывание в компрессор. Сжатое в компрессоре рабочее тело поступает в поверхностный нагреватель газа, получает в нем теплоту, образовавшуюся при сжигании топлива, и в нагретом виде направляется в газовую турбину, где совершает полезную работу.
Таким образом рабочий газ, циркулирующий в установке, нигде не соприкасается ни с атмосферным воздухом, ни с продуктами сгорания топлива. Давление газа, поступающего в компрессор, может иметь любое значение, отличное от атмосферного, что позволяет существенно повысить мощность установки только за счет повышения давления циркулирующего в контуре газа без изменения размеров самих турбомашин.
Одним из достоинств ГТУ закрытого цикла является также возможность изменения мощности установки за счет изменения расхода циркулирующего в контуре газа и давления его перед компрессором. Изменение давления газа перед компрессором можно осуществить введением в состав установки аккумулятора рабочего тела. Схемы ГТУ закрытого цикла с аккумуляторами рабочего тела показаны на рис. 81.
Мощность установки уменьшают открытием клапана сброса рабочего тела – КлС. При этом часть газа перетекает с напора компрессора в аккумулятор рабочего тела до тех пор, пока давление в аккумуляторе не сравняется с давлением газа на выходе из компрессора. Массовый расход газа в цикле при этом уменьшается, уменьшая мощность ГТУ.
Увеличение мощности ГТУ осуществляют закрытием клапана сброса КлС и открытием клапана добавки рабочего тела – КлД. При этом часть газа из аккумулятора перетекает во всасывающий трубопровод компрессора до тех пор, пока давление в аккумуляторе не сравняется с давлением всасывания компрессора. Расход циркулирующего рабочего тела в цикле увеличивается, обеспечивая максимальную мощность установки.
В схеме ГТУ с двумя аккумуляторами рабочего тела (рис. 81.б) аккумулятор разделен на две части – высокого и низкого давления. Наличие перекачивающего компрессора позволяет получать в аккумуляторе высокого давления любое давление рабочего тела, позволяющее менять мощность установки в более широком диапазоне.
Преимуществами ГТУ закрытого цикла по сравнению с ГТУ открытого цикла являются:
- возможность получения большой мощности при использовании повышенного давления газа;
- малое снижение КПД на режимах частичных нагрузок, так как мощность установки можно регулировать путем добавления и выпуска рабочего тела без существенного изменения его температуры (схемы замкнутых ГТУ с аккумуляторами рабочего тела – рис. 81);
- возможность использования дешевых сортов топлива, в том числе и твердого, так как рабочее тело не загрязняется продуктами сгорания.
К недостаткам ГТУ закрытого цикла относят:
- усложнение схемы установки за счет применения охладителя и нагревателя газа и применения повышенного давления в контуре;
- большие размеры поверхностного нагревателя газа;
- ограничение температуры газа перед газовой турбиной жаропрочностью элементов нагревателя газа;
- пониженный КПД установки на расчетном режиме по сравнению с ГТУ открытого цикла вследствие меньшего КПД поверхностного нагревателя по сравнению с КПД камер сгорания, больших потерь теплоты с уходящими газами и повышенного расхода энергии на собственные нужды.
Из-за своих недостатков замкнутые ГТУ, работающие на органическом топливе, не получили распространения в качестве судовых энергетических установок. Но использование преимуществ замкнутого цикла ГТУ возможно и достаточно перспективно в судовых ядерных одноконтурных и двухконтурных газотурбинных установках с высокотемпературными газоохлаждаемыми реакторами − ВТГР. В ЯГТУ нагрев рабочего тела осуществляется в активной зоне ВТГР, которая заменяет собой поверхностный нагреватель газа. Более подробно принцип действия и конструктивные схемы ЯГТУ, работающих по замкнутому циклу, будут рассмотрены в главе, посвященной ядерным энергетическим установкам.
ГТУ полузамкнутого цикла исключают некоторые недостатки замкнутых ГТУ и могут выполняться по нескольким конструктивным схемам: с разделенными контурами и с соединенными контурами.
В схеме полузамкнутой ГТУ с разделенными контурами могут быть значительно уменьшены размеры поверхностного нагревателя газа за счет подачи в него воздуха для сжигания топлива под повышенным давлением (рис. 82.а). В состав установки дополнительно входит наддувочный агрегат, состоящий из компрессора и газовой турбины. Надувочная турбина работает на газах, уходящих из поверхностного нагревателя газа, и помимо привода компрессора совершает полезную работу (на схеме – выработка электроэнергии в электрогенераторе). Наддувочный компрессор забирает атмосферный воздух и подает его под повышенным давлением в нагреватель газа. За счет увеличения давления воздуха значительно интенсифицируется процесс сгорания топлива в нагревателе и процесс теплообмена, что позволяет существенно сократить размеры поверхностного нагревателя газа.
Таким образом схема установки включает два разделенных контура: основной – замкнутый, и наддувочный – открытый. По сравнению с замкнутыми установками эта схема ГТУ имеет больший КПД и меньшие габариты, но является более сложной и потребляет более качественное топливо (наддувочная турбина работает на уходящих газах).
Другой тип полузамкнутой ГТУ – ГТУ с соединенными контурами, имеет еще меньшие габариты из-за отсутствия поверхностного нагревателя газа (рис. 82.б). Вместо поверхностного нагревателя газа здесь используется камера сгорания. В основной компрессор поступают охлажденные в поверхностном охладителе газа продукты сгорания топлива. После сжатия в компрессоре они поступают в камеру сгорания, куда подается топливо и воздух из наддувочного компрессора. Наддувочный компрессор подает в камеру сгорания столько воздуха, сколько требуется для сгорания поступающего в нее топлива. При сгорании топлива происходит нагрев рабочего тела, циркулирующего по контуру. Основная часть горячих газов из камеры сгорания поступает в главную пропульсивную газовую турбину, совершая полезную работу. Оставшаяся часть газа поступает в газовую турбину наддувочного агрегата, приводящую в действие наддувочный компрессор.
Таким образом в рассмотренной схеме ГТУ агрегат большой мощности работает по замкнутому циклу при повышенном давлении и имеет малые удельные массу и габариты. Дополнительный турбокомпрессор выполнен по открытой схеме. Расход рабочего тела через него в 5 ÷ 6 раз меньше, чем в основном контуре.
Применение схемы полузамкнутой ГТУ с соединенными контурами решает вопрос исключения массивного поверхностного нагревателя газа, но предполагает применение топлива повышенного качества во избежание коррозии и загрязнения не только дополнительной, но и основной газовой турбины.
Выше были рассмотрены простейшие схемы замкнутых и полузамкнутых ГТУ. Конструктивно в схемах замкнутых и полузамкнутых ГТУ могут использоваться те же средства и способы повышения КПД цикла, что и в обычных ГТД:
- использование регенерации тепла в цикле;
- многоступенчатое сжатие газа с промежуточным его охлаждением;
- многоступенчатый промежуточный подогрев газа;
- разделение приводов компрессора и пропульсивной турбины.
С учетом этого, более сложные схемы ГТУ замкнутого и полузамкнутого циклов могут иметь в своем составе регенераторы, промежуточные охладители, камеры сгорания и другие элементы, характерные для аналогичных установок открытого цикла. При этом термодинамические циклы аналогичных замкнутых, полузамкнутых и открытых ГТУ не отличаются друг от друга.
Литература
Судовые энергетические установки. Дизельные и газотурбинные установки. Болдырев О.Н. [2003]
