Газовые турбины и газотурбинные установки

Газовая турбина представляет собой двигатель, в котором сочетаются преимущества паровой турбины и двигателя внутреннего сгорания. В отличие от паровой турбины рабочим телом здесь является не пар из котлов, а газы, образующиеся при сгорании топлива в специальных камерах. В отличие от ДВС энергия рабочего тела превращается в механическую энергию вращения вала не в результате возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре, а путем вращения колеса турбины под действием скоростной струи газов, вытекающих из сопла.

Газовая турбина, как и паровая, — это нереверсивный механизм, поэтому для реверса в газотурбинных установках необходимо предусматривать турбину заднего хода или другое какое- либо устройство, например винт регулируемого шага (ВРШ).

Газотурбинная установка (ГТУ) состоит из следующих основных частей: газовой турбины, в которой тепловая энергия горячих газов преобразуется в механическую; воздушного компрессора, засасывающего и сжимающего воздух, необходимый для сгорания топлива; камеры горения (генератора газов), в которой распыленное жидкое топливо смешивается с воздухом и сгорает, образуя рабочее тело — горячий газ; трубопроводов для подвода воздуха к генератору газа, подачи газов из генератора в газовую турбину и отвода отработавших газов в атмосферу; утилизационных устройств, обеспечивающих использование тепла отходящих газов.

Рис. 124. Общий вид (а) и схема ГТУ с камерой горения (б) (мощность 4040 кВт).

1 — компрессор низкого давления; 2 — воздухоподогреватель; 3 — ТВД; 4 — компрессор высокого давления; 5 — пусковая турбина; 6 — камера горения; 7 — форсунка; 8 — ТНД;

9 — воздухоохладитель; 10 — редуктор

Кроме того, в состав ГТУ входят топливная и масляная системы, подающие топливо в камеру горения и масло — в подшипники турбины и зубчатую передачу, а также небольшая по мощности пусковая паровая турбина, использующая пар от вспомогательного котла.

Устройство газовой турбины аналогично паровой турбине. Но газовая турбина испытывает более высокие температурные нагрузки: ее рабочие лопатки работают при температуре горячих газов (650—850°), в то время как температура рабочего пара 400— 500°. Это значительно уменьшает моторесурс газовой турбины. В зависимости от принятого способа сжатия воздуха и образования горячих газов различают ГТУ с камерой горения и ГТУ со свободнопоршневыми генераторами газа (СПГГ).

В ГТУ с камерой горения (рис. 124) наружный воздух засасывается центробежным компрессором низкого давления и через воздухоохладитель подается в компрессор высокого нагрузки: давления, а оттуда через подогреватель воздуха в камеру горения.

Одновременно в камеру горения через форсунку впрыскивается и топливо. Происходит сгорание и образование горячих газов, которые последовательно поступают в газовые турбины высокого и низкого давления и через выхлопной трубопровод отходят в атмосферу. На пути отходящих газов устанавливают подогреватель воздуха и утилизационный котел, пар которого можно использовать для турбогенератора или для вспомогательной турбины, работающей на гребной вал. Центробежные компрессоры низкого и высокого давления приводятся во вращение соответственно турбинами низкого и высокого давления. На гребной винт через редуктор работает только турбина низкого давления.

Рис. 125. Общий вид (а) и схема СПГГ (б).

1 — впускные клапаны компрессора; 2 — выпускные клапаны компрессора;

3 — компрессорный поршень; 4 — цилиндр компрессора;

5 — впускные окна; 6 — выпускные окна; 7 — форсунка; 8 — рабочий цилиндр; 9 — буферный цилиндр; 10 —буферный поршень; 11 — ресивер продувочного воздуха; 12 — рабочий поршень; 13 — механизм синхронизации работы поршней

ГТУ со свободнопоршневыми генераторами газа (СПГГ) (рис. 125) отличается от ГТУ с камерой горения тем, что горячие газы образуются в специальном генераторе газа, работающем по принципу ДВС со свободно расходящимися поршнями. СПГГ представляет собой симметричный агрегат, состоящий из двухтактного одноцилиндрового двигателя с противоположно движущимися поршнями, одноступенчатого компрессора простого действия и двух буферных цилиндров. В цилиндре расположены два рабочих поршня, соединенные с компрессорами и буферными поршнями.

Рис. 126. Компоновка газотурбинной энергетической установки с СПГГ.

1 — СПГГ; 3 — газовая турбина; 3 — редуктор; 4 — дизель-генератор

Рабочий (расходящийся) ход поршневых групп осуществляется под действием расширяющегося в рабочем цилиндре газа. При этом воздух в компрессорных цилиндрах сначала сжимается, а затем через выпускные клапаны поступает в ресивер продувочного воздуха. Одновременно со сжатием воздуха в компрессорных цилиндрах сжимается воздух в буферных цилиндрах, после чего его энергия расходуется на совершение обратного хода рабочих поршней и сжатие воздуха в рабочем цилиндре.

В конце рабочего хода поршней открываются сначала выпускные окна, а затем впускные. Через выпускные окна выхлопные газы поступают к газовой турбине, а через впускные сжатый продувочный воздух из ресивера заполняет рабочий цилиндр.

Избыточный продувочный воздух смешивается с горячими выхлопными газами и также поступает к газовой турбине.

При обратном ходе рабочих поршней под действием воздуха, сжатого в буферных цилиндрах, закрываются впускные окна, затем выпускные и одновременно через клапаны всасывается воздух в цилиндры компрессора. В момент сближения поршней в рабочий цилиндр через форсунку впрыскивается топливо, и процесс повторяется.

ГТУ и СПГГ отличается компактностью, относительно малой массой 16—24 кг/кВт и небольшим расходом топлива 260 г/(кВт- ч). Преимуществом является возможность компоновать энергетическую установку из нескольких СПГГ, что позволяет более рационально использовать объем МКО (рис. 126). Кроме названных типов ГТУ на малых скоростных судах, особенно на судах на подводных крыльях, широко распространены облегченные ГТУ авиационного типа (1,5—4,0 кг/кВт). Но они имеют небольшой моторесурс и повышенный расход топлива (340—380 г/кВт∙ч).

Недостатком ГТУ всех типов, кроме повышенного расхода топлива и малого ресурса, является большая шумность в МКО, для уменьшения которой приходится прибегать к специальным мерам.