Паротурбинные энергетические установки

ГАЗОТУРБИННЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

Судовые газотурбинные энергетические установ­ки (ГТУ) могут быть подразделены на установки открытого и закрытого циклов [7, 18, 22]. В первом случае рабочее тело, ко­торым является воздух и впоследствии смесь его с продуктами сго­рания топлива, пройдя через внутренние полости элементов уста­новки, выбрасывается в атмосферу.

Простейшая ГТУ открытого цикла с горением топлива при по­стоянном давлении показана на рис. II. 1. Компрессор 5, приводи­мый в действие турбиной 11, через приемную трубу 4 засасывает из атмосферы воздух, сжимает его до определенного давления, например до 5-Ю² кПа, и непрерывно нагнетает в камеру сгорания 9. В нее через форсунку 8 с помощью насоса 3 подается топ­ливо. Образующиеся в процессе сгорания топлива газы высокой температуры, обычно превышающей 1000°С, направляются в /тур­бину 11, где кинетическая энергия их преобразуется на лопатках в механическую работу. По условиям прочности отдельных дета­лей нельзя допустить, чтобы в газовую турбину поступали газы такой высокой температуры. Поэтому в камеру сгорания подает­ся воздуха в несколько раз больше теоретически необходимого для сжигания топлива. Потребность большого избытка воздуха в ГТУ приводит к значительной относительной мощности, затрачиваемой на его сжатие в компрессоре, который потребляет до 70% мощ­ности турбины.

Сжатый воздух, поступающий из компрессора в камеру сгора­ния, разделяется на два потока. Один поток, составляющий 30—40%, вводится в активную зону горения, другой, составляю­щий 70—60%, охлаждает пламенную трубу, смешивается с про­дуктами сгорания вне активной зоны горения и понижает тем­пературу газа до значения, требуемого на входе в турбину. Выпускные газы по трубопроводу 10 уходят в атмосферу. Разви­ваемая турбиной мощность частично затрачивается на привод компрессора и через редуктор 2 используется для привода греб­ного винта 1. Пуск установки производится с помощью пускового устройства (электродвигателя, паровой турбины и др.) 7, соеди­ненного посредством специальной муфты 5 с ротором компрессо­ра. В период запуска топливо воспламеняется от электросвечи.

В ГТУ закрытого цикла (рис. II.2) в рабочем процессе участ­вует одно рабочее тело, совершающее кругооборот в изолирован­ном от атмосферы замкнутом тракте. Рабочее тело (воздух или какой-либо инертный газ) сжимается в компрессоре 4 и направляется через нагреватель, который повышает его температуру при посто­янном

Топливо

Рис. 11.1. Принципиальная схема простейшей ГТУ открытого цикла 46

Рис. 11.2. Тепловая схема ГТУ закрытого цикла

давлении до 650—750°С, в тур­бину 3. Здесь рабочее тело, совершая работу, расширяется до давления, близкого к давлению перед компрес­сором. Далее оно охлаждается в ох­ладителе забортной воды до началь­ной температуры' цикла. Мощность турбины расходуется на привод комп­рессора и через редуктор 2 использу­ется для привода гребного винта 1. В качестве нагревателя в обычных ГТУ применяют воздушный котел, ра­ботающий на органическом топливе, в ядерных ГТУ — ядерный реактор. Можно использовать в ГТУ закрытого цикла высокое дав­ление рабочего тела, что позволяет получить большую мощность установки при малых массе и габаритах. Кроме того, изолирован­ность рабочего тела от окружающей среды предотвращает его за­грязнение. Однако ГТУ закрытого цикла имеют сложную конст­рукцию.

По способу подготовки рабочего тела рассмотренные ГТУ от­носятся к турбокомпрессорным. В таких установках сжатие рабо­чего тела перед сообщением ему теплоты' осуществляется в осевом или центробежном компрессоре, приводимом в действие газовой турбиной. Повышение долговечности ГТУ в начальный период их освоения шло по пути создания комбинированных установок, со­стоящих из газовой турбины и свободнопоршневого генератора

газа.

Эти установки работают по открытому циклу. Процесс сжи­гания топлива осуществляется в цилиндрах СПГГ, где газ ча­стично расширяется и происходит снижение температуры его. Ра­бота расширения газа используется для сжатия воздуха порш­невым компрессором. Генерируемый СПГГ газ является рабочим телом для турбины.,

Для газотурбинных установок с СПГГ характерна сравни­тельно высокая экономичность (КПД 34—36%) при относитель­но малых удельной массе (12—18 кг/кВт) и габаритах; они удоб­ны' для размещения, уравновешены, обладают высокой маневрен­ностью и могут работать на тяжелых сортах топлива. Однако ГТУ с СПГГ имеют и недостатки: КПД их на 10—15% ниже КПД дизельных установок; весьма чувствительны к присутствию воды и воздуха в топливе; сложны в обслуживании; пропуск одной вспышки в СПГГ приводит к немедленной их оста­новке.

В судовых установках число СПГГ не превышает шести — восьми, так как большее количество затрудняет их размещение на судне и усложняет эксплуатацию. Поэтому ГТУ с СПГГ имеют ограниченную мощность (до 4400—5900 кВт).

Судовые установки с СПГГ ГТ не получили широкого распро­странения. В составе морского флота эксплуатируются лесовозы типа «Павлин Виноградов», оборудованные СПГГ ГТ мощностью 2900 кВт. С 1971 г. находится в эксплуатации опытный рыболов­ный траулер с СПГГ ГТ мощностью 440 кВт. На, речном флоте судов с такими установками нет. Следует считать, что установки с СПГГ ГТ не имеют перспективы для дальнейшего их широкого использования на судах.

Простейшие ГТУ по сравнению с другими типами СЭУ имеют ряд преимуществ, основными из которых являются:

большая агрегатная мощность при минимальных удельной массе и габаритах, меньшие занимаемая площадь и объем машин­ного помещения;

высокая надежность, обусловленная ротативным принципом действия и простотой кинематической схемы;

простота обслуживания, возможность быстрого пуска и высо­кая приемистость;

наличие потенциальных возможностей дальнейшего уменьше­ния расхода топлива по мере их совершенствования;

хорошая приспособленность к автоматизации и дистанцион­ному управлению вследствие простоты пуска и регулирования.

Перспективным является использование ГТУ на судах на под­водных крыльях и воздушной подушке, где превалирующим тре­бованием является обеспечение минимальных массы и габаритов установки при большой ее мощности.

На малых судах в качестве главных обычно устанавливают серийные конвертированные авиационные газотурбинные двигате­ли открытого цикла. Моторесурс таких установок составляет 1_3 тыс. _ч> однако удельная масса их невелика (0,4—2,0 кг/кВт). Энергетическая установка пассажирского СПК «Буревестник» (рис. II. 3) состоит из двух главных газотурбинных двигателей, вспомогательных механизмов и устройств, расположенных в ма­шинном помещении в кормовой части. В качестве главных двига­телей установлены два авиационных конвертированных ГТД марки АИ-20А работающие на дизельном топливе, эксплуатационной мощностью по 1980 кВт при 12 300 мин"¹. Газотурбинные уста_; новки выполнены по простейшей схеме и работают при постоянной частоте вращения вала. Удельная масса их 2 кг/кВт, срок служ­бы 1 тыс. ч и КПД 0,19.

Каждая ГТУ через встроенный понижающий планетарный ре­дуктор с передаточным числом 10,7 работает на свой реверсивный водометный движитель. Эксплуатационная скорость судна 95 км/ч.

Для водоизмещающих судов решающее значение имеют эконо­мичность и моторесурс установки, а масса и габариты —второ­степенное. Поэтому на водоизмещающих судах морского флота в качестве главной установки, кроме конвертированных газотурбин­ных двигателей, используют ГТУ индустриального типа.

 

Рис. 11.З. Расположение оборудования в машинном помещении СПК «Буре­вестник» с газотурбинной установкой:

1 — огнетушитель; 2 — вентилятор; 3 —баллоны; 4 — расходный масляный бак упорного подшипника; 5 — холодильник воздуха системы кондиционирования; 6 — глу­шитель шума системы кондиционирования; 7 — водовоздушный радиатор; 8 — щит прибо­ров; 9 — пневмоцистерна; 10, 13, 21 — водяные насосы; Л — насос питьевой воды; 12 — топливоподкачивающий насос; 14 — масляный холодильник главного двигателя; 15 — газовыпускной трубопровод главного двигателя; 16 — трансформатор; 17 — преоб­разователь; 18 — масляный холодильник турбогенератора; 19 — цистерна утечного топ­лива; 20 — турбогенератор; 22 — грелки; 23 — главные двигатели; 24 — соединительная муфта; 25 — упорный подшипник

 

Такие ГТУ имеют длительный срок службы, работают на тяжелых сор­тах топлива и обладают повышенной экономичностью.

Судовые ГТУ, работающие на органическом топливе, относят­ся к установкам с открытым циклом; при использовании ядерного горючего для обеспечения радиационной безопасности применя­ют ГТУ закрытого цикла.

Реверсирование в ГТУ может осуществляться: реверсивной турбиной, имеющей ступени заднего хода, самостоятельной тур­биной заднего хода (ТЗХ), реверс-редукторной передачей, гид­равлической реверсивной и электрической передачами, винтом регулируемого шага, водометным движителем с реверсивно-рулевым устройством.

Рис. 11.4. Тепловая схема ГТУ с ре­генерацией, двухступенчатым сжа­тием и промежуточным охлаждени­ем воздуха:

1 — гребной винт; 2 — редуктор; 3 — компрессор низкого давления; 4 — тур­бина низкого давления; 5 — камера го­рения; 6 — регенератор; 7 — компрессор высокого давления; 8 — турбина высо­кого давления

Одной из причин низкой эко­номичности простейшей ГТУ от­крытого цикла является /боль­шая потеря теплоты с выпускны­ми газами. Эту потерю теплоты можно уменьшить, если преду­смотреть регенерацию, т. е. если теплоту выходящих из турбины газов использовать для подогре­ва сжатого воздуха. В данном случае в камеру сгорания будет поступать воздух с более высо­кой температурой, что потребу­ет, меньшего количества топлива для получения газов заданной температуры и, следовательно, приведет к повышению эконо­мичности установки. В более сложном регенеративном цикле (рис. П.4), кроме подогрева сжатого воздуха, предусматрива­ется двухступенчатое его сжатие с промежуточным охлаждением.

У газотурбинных установок такого типа КПД повышается до 25—30%, однако увеличивается их масса, усложняются схе­ма и обслуживание. Основным средством увеличения КПД ГТУ, работающих без регенерации и промежуточного ох­лаждения воздуха, является использование утилизационных па­ротурбинных контуров. При этом энергетическая установка прак­тически превращается в комбинированную газопаровую, Что по­зволяет получить такие же расходы топлива, как и у установок, выполненных по более сложным' регенеративным схемам.

Газовые турбины применяют в качестве ускорительных двига­телей в комбинированных установках. В последнее время ГТУ ши­роко используют для привода вспомогательных механизмов: ава­рийных электрогенераторов, переносных и стационарных осушительно-пожарных насосов, грузовых насосов на танкерах и т. д. Так как указанные механизмы работают кратковременно, то эко­номичность ГТУ в данном случае не имеет решающего значения. Основную роль при этом играют малые масса и габариты, быст­рота пуска. Для привода вспомогательных механизмов используют ГТУ, выполненные по простейшей схеме, с радиальными газовы­ми турбинами и центробежными компрессорами. Мощность та­ких ГТУ составляет 22—736 кВт, удельная масса 0,2—0,7 кг/кВт. Время пуска и приема нагрузки находится в пределах 15—120 с. Срок службы ГТУ для привода резервных и аварийных агрега­тов 500—1000 ч, а для привода стояночных генераторов и грузо­вых насосов — до 5000 ч. Коэффициент полезного действия вспо­могательных ГТУ довольно низкий (0,13—0,18).

Общими недостатками газотурбинных установок являются:

относительно низкая экономичность из-за ограниченной на­чальной температуры газа;

зависимость надежности и экономичности ГТУ открытого цик­ла от коррозионного воздействия внешней среды;

жесткие требования к качеству топлива, используемого в ГТУ открытого цикла, и большие затраты на него;

трудность осуществления реверса мощных установок;

большие размеры воздухо- и газоходов, обусловленные значи­тельным избытком воздуха, подаваемого в камеру сгорания, что усложняет компоновку ГТУ на судне.

ПАРОТУРБИННЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

В ПТУ рабочее тело непрерывно циркулирует по замкнутому контуру, претерпевая циклическое изменение свое­го состояния (вода—пар—вода и т. д.) [17]. В простейшей ПТУ без регенерации теплоты (рис. II.5) за счет тепловой энергии топ-пива вода в паровом котле 4 превращается в водяной пар задан­ных давления и температуры, который поступает в турбину 3. Тепловая энергия пара сначала преобразуется в сопловых аппа­ратах турбины в кинетическую энергию пара с высокими скорос­тями, а затем превращается на лопатках ротора в механическую работу, вращая через редуктор 2 гребной винт /. Отработавший пар направляется из турбины в конденсатор 6, где охлаждается забортной) водой, проходящей по змеевику 7, и конденсируется. Питательный насос 5 забирает конденсат и под необходимым дав­лением подает его в паровой котел. В состав ПТУ также вхо­дят вспомогательные механизмы, обслуживающие паровой котел и турбину, теплообменные аппараты, паротурбоэлектрогенера-торы и др. Паротурбинные установки преимущественно исполь­зуют на морском флоте. Они- позволяют получить общую мощ­ность на гребных валах судов 220 тыс. кВт и более. Вместе с тем в эксплуатации находятся судовые ПТУ относительно не­большой мощности (730 кВт).

Одновальными паротурбинны­ми установками оборудованы се­рийные танкеры типа «Пекин», «София» мощностью до 13 970 кВт и сухогрузы типа «Ленинский комсомол» мощностью 9560 кВт. Параметры рабочего пара при этом составляют 44 ■ 10² кПа и 470°С.

Повышение экономичности ПТУ достигается:

Применением дешевых сортов топлива;

 

Рис. 11.5. Принципиальная схема простейшей ПТУ

улучшением начальных параметров пара и соответствующим изменением схем и конструкции элементов ПТУ;

совершенствованием тепловых схем, увеличением эффективно­сти регенеративного подогрева питательной воды;

сокращением потерь теплоты, отводимой забортной водой, уте­чек пара и воды;

повышением КПД отдельных элементов ПТУ.

В отличие от ДВС, КПД которых мало зависит от мощности, у паровых турбин с ростом мощности он существенно возраста­ет. При больших мощностях затраты на топливо и смазку, а так­же на другие эксплуатационные расходы ПТУ оказываются меньше, чем у ДЭУ. Достигнутые успехи в области улучшения тепловой экономичности и надежности ПТУ привели к преимуще­ственному использованию их на судах с мощностью на гребном винте более 20 тыс. кВт. Этому также способствует возможность применения в сочетании с ПТУ более экономичных малооборот­ных гребных винтов.

Технико-экономические показатели паротурбинных установок сравнительно малой мощности из-за низких параметров пара и больших тепловых потерь значительно хуже. Поэтому установка паровых турбин на речных и смешанного «река—море» плавания судах в качестве главных не предполагается. Паровые турбины могут получить распространение на этих судах как вспомогатель­ные турбоэлектрогенераторы, где турбина питается паром, выра­батываемым в утилизационном котле.

12Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: