Газотурбинные установки со свободно-поршневыми генераторами газа.

Газотурбинные установки со свободно-поршневыми генераторами газа (СПГГ) могут использоваться на судах для привода гребного винта и получения электроэнергии.
Схема ГТУ со свободно-поршневым генератором газа:

Она состоит из генератора газа, в котором происходят сжатие воздуха и сгорание топлива, и газовой турбины, на лопатках которой газ, полученный в генераторе, отдает свою энергию. СПГГ является двухтактным двигателем с высоким наддувом, служащим для выработка рабочего газа. Двигатель состоит из двух цилиндров разного диаметра, в которых размещены два ступенчатых поршня 3, которые делят цилиндры больших диаметров на две полости: буферную 4 и компрессорную 5. Компрессорные полости через нагнетательные клапаны 6 связаны с ресивером 7,сообщающимся с продувочными окнами 12. Выпускные окна 9 дизельного цилиндра / связаны с выпускным коллектором 10, а тот в свою очередь с газовой турбиной 11.
После впрыска топлива через форсунку 8 в камеру сжатия между днищами поршней происходит его сгорание и расширение горячих газов. Поршни 3 движутся в противоположные стороны, открывая выпускные и продувочные окна. При этом в буферных полостях воздух сжимается, а в компрессорных создается разрежение, в результате чего открываются клапаны 2 и атмосферный воздух засасывается в полости 5. После открытия окон происходит продувка и наддув: воздух из ресивера 7 через продувочные окна 9 поступает в цилиндр 1, а образовавшаяся газовоздушная смесь с температурой 450—600 С устремляется в выпускной коллектор 10, а из него в газовую турбину 11. Поршни 3, достигнув своего крайнего положения, под действием сжатого воздуха в буферных полостях начинают стремительно двигаться навстречу друг другу, сжимая воздух, который через нагнетательные клапаны 6 поступает в ресивер. После закрытия окон дизельными поршнями заряд свежего воздуха сжимается, через форсунку впрыскивается очередная порция топлива и цикл повторяется.
Поршни связаны между собой специальными механизмами для обеспечения синхронности работы. Пуск СПГГ производится сжатым воздухом.
Газотурбинные установки с СПГГ находят все большее применение на судах, в том числе и на промысловом флоте.
Основные преимущества газотурбинных установок с СПГГ: низкая стоимость изготовления (в 1,5—2 раза меньше стоимости дизельной установки); значительно меньшая масса; простота конструкции; возможность получения любых мощностей ГТУ за счет набора однотипных СПГГ. Эффективный КПД газотурбинной установки с СПГГ достаточно высок — примерно 40 %. Недостатки газотурбинных установок с СПГГ: сильный шум и вибрация при работе; сложность пуска и регулировки при большом количестве СПГГ; большая площадь для размещения установки в машинном отделении.

Получение тепловой энергии в атомных установках.

Запасы органического топлива на земле ограничены, поэтому исключительно важным явилось открытие возможности получения тепловой энергии в результате цепной реакции деления ядер урана и некоторых других элементов. При полном использовании 1 кг урана получают столько тепловой энергии, сколько ее выделяется при сгорании 1400 т мазута.
Получение тепловой энергии за счет деления ядер расщепляющихся элементов происходит в ядерных реакторах. В современных реакторах в качестве ядерного топлива используется искусственно обогащенный уран, в котором содержится 3—5 % изотопа U235.
В реакторах осуществляется процесс деления ядер урана U235 под воздействием нейтронов, в результате ядро расщепляется на два одноименно заряженных осколка, примерно одинаковых по массе и величине заряда. Разлетаясь в разные стороны с большой скоростью, они сталкиваются с атомами среды и их кинетическая энергия превращается в теплоту. При каждом случае деления ядер урана на один поглощенный нейтрон вылетает в среднем 2,5 нейтрона, которые при определенных условиях сами вызывают деление других ядер урана U235. В этом и заключается сущность цепной реакции ядерного топлива. Та часть реактора, где находятся расщепляющиеся элементы и совершается цепная реакция называется активной зоной.
Для энергетических целей применяют реакторы на тепловых нейтронах, в которых скорость нейтронов замедлена до величины скорости их теплового движения за счет введения в активную зону особого вещества — замедлителя нейтронов. В качестве замедлителей может применяться вода Н20, тяжелая вода D20, бериллий и графит. Наиболее часто в судовых реакторах применяют воду; одновременно ее используют в качестве теплоносителя.
Ядерные реакторы делятся на гомогенные и гетерогенные. В гомогенных реакторах ядерное топливо и замедлитель представляют собой однородную смесь, а в гетерогенных — ядерное топливо в виде стержней или пластин расположено в замедлителе. В судовых ядерных установках применяются только гетерогенные реакторы.
Активную зону реакторов окружают отражателями, уменьшающими потери нейтронов и способствующими выравниванию их потока в активной зоне. В качестве отражателя в судовых реакторах используется обычная вода.
Отвод тепла из активной зоны производится с помощью теплоносителей, которыми могут быть вода, органические жидкости, жидкие металлы (калий, натрий, висмут и др.), газы (гелий, азот, углекислый газ). В современных судовых реакторах в качестве теплоносителя используется только вода.
При установившемся режиме работы реактора его активная зона находится в критическом состоянии, т. е. в единицу времени выделяется постоянное количество теплоты. Для того чтобы регулировать тепловыделение в реакторе, необходимо изменять скорость цепной реакции. Для этого служит система регулирования, основу которой составляют стержни, содержащие вещества, сильно поглощающие нейтроны (карбид бора, кадмий). Положение стержней в реакторе регулируется автоматически. Для увеличения тепловыделения их выдвигают из реактора, а для уменьшения — вдвигают в него. Система регулирования или особая система защиты должна мгновенно прекращать цепную реакцию при возникновении аварийной обстановки.
В процесс работы реактора ядерное топливо расходуется (выгорает), поэтому через определенное время требуется замена тепловыделяющих элементов (стержней или пластин). Период между такими заменами называется кампанией реактора.
При работе реактора около 80 % получаемой энергии превращается в теплоту, а остальные 20 % выделяются в виде излучения, альфа- и бетта-излучения большой опасности не представляют, так как обладают незначительной проникающей способностью, у- и нейтронное излучение обладают большой проникающей способностью и вызывают вторичное излучение во многих материалах. Такое излучение вызывает в организме человека тяжелые болезненные явления. Поэтому судовые ядерные установки должны иметь так называемую биологическую защиту, для которой используются металлы и вода.

Газотурбинные установки замкнутого цикла.

ГТУ, работающие по замкнутому циклу, позволяют (повысив в несколько раз давление рабочего тела во всех трактах установки) увеличить полезную мощность при тех же размерах основных агрегатов.
Основное отличие этих установок от ГТУ открытого цикла заключается в том, что вместо камеры сгорания используется нагреватель, в котором рабочее тело (воздух) нагревается до начальной температуры (перед турбиной), не принимая непосредственного участия в процессе выделения тепла из топлива. Кроме того, в схему установки между турбиной и компрессором вводится предварительный охладитель рабочего тела, который обеспечивает процесс замыкания цикла.
ГТУ замкнутого цикла выполняется только с горением при постоянном давлении. В них используется органическое и ядерное топливо. В качестве рабочего тела применяется воздух, а в ядерных установках — гелий, азот или углекислый газ. Схема ГТУ замкнутого цикла приведена на рисунке:

Рабочее тело сжимается в компрессоре 4 и направляется в нагреватель 2, где за счет тепла (выделяемого топливом при сгорании в камере 3) нагревается до температуры 650—750 С и поступает в турбину 1, где расширяется до давления, близкого к давлению перед компрессором 4. При этом его кинетическая энергия преобразуется в механическую. Из турбины рабочее тело со сравнительно высокой температурой направляется в регенератор 5, где отдает часть своего тепла воздуху, поступающему в камеру сгорания 3. Затем рабочее тело в охладителе 5 охлаждается до первоначальной температуры (перед компрессором). Охладитель постоянно прокачивается забортной водой.
ГТУ, работающие по замкнутому циклу, более сложны и менее экономичны, чем установки открытого цикла. Наличие в схеме громоздкого нагревателя (котла) существенно увеличивает массу и габариты ГТУ замкнутого цикла. Кроме того, тепло, уносимое уходящими газами из нагревателя, является дополнительной потерей, снижающей эффективный КПД цикла.
Однако преимуществом такой установки является возможность использования теплоты атомного распада, выделяющейся в атомных реакторах. Большая плотность рабочего тела позволяет получить высокие коэффициенты теплоотдачи в регенераторе и тем самым повысить степень регенерации при относительно небольших его размерах.
Циркуляция в установке чистого рабочего тела предотвращает загрязнение проточной части турбины и регенератора и коррозию лопаточного аппарата турбин, связанного с наличием в жидком топливе соединений серы, натрия, кальция и особенно ванадия. При этом в нагревателе можно сжигать любое топливо, в том числе твердое и мазут.
В настоящее время ГТУ, работающие по замкнутому циклу, широкого распространения на судах пока не получили.

Принцип действия газотурбинных установок.

Газотурбинные установки (ГТУ) относятся к тепловым машинам, в которых получение полезной работы осуществляется за счет передачи тепла сгораемого топлива к рабочему телу (газу), не изменяющему своего агрегатного состояния.
ГТУ находят все более широкое применение на судах. Эксплуатация этих установок дала хорошие результаты. Применение ГТУ значительно увеличивает полезное водоизмещение, дальность плавания и скорость судна. Однако КПД газотурбинных установок по сравнению с дизельными энергетическими установками более низкий, что сдерживает их распространение на судах.
Газотурбинная установка состоит из следующих основных элементов: компрессора, нагнетающего сжатый воздух в камеру сгорания; камеры сгорания, служащей для сжигания топлива; газовой турбины.
ГТУ работают по открытому и закрытому циклам. В установках первого типа рабочим агентом являются продукты сгорания топлива (газы), которые после совершения работы выпускаются в атмосферу. В установках второго типа продукты сгорания топлива служат только для нагрева рабочего агента за счет теплообмена в специальных аппаратах. Рабочим агентом может быть воздух или какой-либо газ, непрерывно циркулирующий в системе.
Газотурбинные установки имеют ряд преимуществ перед паротурбинными, основные из которых: отсутствие паровых котлов, конденсаторов, механизмов и систем котельной установки, меньшие габариты и масса при одинаковой мощности, лучшие пусковые качества и т. д.
В современных ГТУ сгорание топлива (подвод теплоты) происходит при постоянном давлении и при постоянном объеме. ГТУ со сгоранием топлива при постоянном объеме в настоящее время на судах не применяются.

На рисунке выше дана принципиальная схема газотурбинной установки, в которой сгорание топлива происходит при постоянном давлении. Рабочее тело (воздух) засасывается из атмосферы в компрессор 1, сжимается до определенного давления и подается в камеру сгорания 2. Одновременно с воздухом туда поступает топливо, которое сгорает при постоянном давлении. Продукты сгорания расширяются в газовой турбине 3, приводящей в действие электрический генератор 4. Часть энергии, получаемой в турбине, расходуется на привод компрессора 1.
Для повышения экономичности ГТУ применяют метод регенерации, т. е. используют тепло отработавших газов для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания.

На рисунке выше дана принципиальная схема газотурбинной установки с регенерацией. Воздух, нагнетаемый компрессором 1 в камеру сгорания 2, предварительно проходит через регенератор 4, в котором подогревается до определенной температуры за счет теплоты выходящих из турбины 3 газов. Регенератор представляет собой трубчатый теплообменный аппарат, в котором воздух проходит внутри труб, а отходящие газы омывают их снаружи. Благодаря регенерации эффективный КПД газотурбинной установки может достичь 26—28 %.
В связи с тем что расход энергии на сжатие воздуха в многоступенчатом компрессоре меньше, чем в одноступенчатом, в ГТУ широко используется разделение компрессора на два агрегата с установкой между ними промежуточного холодильника для охлаждения сжатого воздуха. Один агрегат называется компрессором высокого давления (КВД), второй — низкого давления (КНД).

Принципиальная схема ГТУ с регенерацией и двухступенчатым сжатием воздуха показана на рисунке выше. Воздух из атмосферы засасывается и сжимается в КНД 1, после чего направляется в холодильник 2, где охлаждается забортной водой, циркулирующей по трубам. Далее охлажденный воздух поступает в КВД 6, сжимается в нем до более высокого давления и направляется в регенератор 5, а из него в камеру сгорания 3. Туда же подается топливо, которое сгорает, а газообразные продукты сгорания поступают в турбину 4, расширяются в ней и, пройдя регенератор 5, уходят в атмосферу. Отходящие газы, проходя через регенератор, отдают воздуху часть своей теплоты и подогревают его до определенной температуры.
Одновременное использование регенерации и двухступенчатого сжатия воздуха повышает эффективный КПД газотурбинной установки до 28—30 % и более. Рассмотренная схема ГТУ наиболее широко применяется на судах, так как другие схемы, и в частности с трехступенчатым сжатием воздуха, незначительно повышают экономичность установки, зато очень усложняют ее конструкцию.

Основные схемы атомных установок.

Схемы атомных судовых установок делятся на одноконтурные и двухконтурные. Главным элементом атомной энергетической установки является реактор, в котором происходит цепная реакция с выделением большого количества тепла, используемого в газотурбинной  (или паротурбинной) установке.

На рисунке выше дана принципиальная схема одноконтурной установки с газовым охладителем. Использование в качестве охладителей и одновременно теплоносителей гелия, углекислого газа или азота, которые лишь в ничтожной степени приобретают радиоактивность, не требует биологической защиты атомной установки. Принцип действия одноконтурной атомной газотурбинной установки (АГТУ) заключается в следующем. Газ с высокой температурой выходит из реактора 3 и поступает в газовую турбину 4, где расширяется и совершает работу. Из турбины отработавший газ направляется в регенератор 2 и через охладитель 5 в компрессор 1. Здесь газ снова сжимается и через регенератор направляется в реактор. Таким образом совершается замкнутый цикл в одноконтурной схеме АГТУ. Такие схемы пока не применяются, однако они считаются очень перспективными из-за своей простоты.
В настоящее время судовые атомные установки выполнены по двухконтурной схеме с использованием воды в качестве охладителя реактора и рабочего тела. Схема такой установки дана на рисунке:

Горячая вода под высоким давлением выходит из реактора 1 и поступает в теплообменный аппарат (парогенератор) 2, а из него насосом 6 снова подается в реактор. За счет теплоты, отдаваемой водой первого контура, в парогенераторе получают пар, который поступает в турбину 3, расширяется в ней и производит работу. Отработавший пар из турбины направляется в конденсатор 4, где превращается в воду, которая насосом 5 подается в парогенератор.
К преимуществам двухконтурной схемы ядерной силовой установки следует отнести то, что турбина, конденсатор и обслуживающие их механизмы доступны во время эксплуатации.
Однако давление во втором контуре всегда значительно меньше, чем в первом (из-за необходимости обеспечения температурного перепада в парогенераторе); кроме того, пар второго контура может быть перегрет лишь в незначительной степени. И то и другое являются недостатками двухконтурной схемы.
Сравнивая обе схемы, можно сделать вывод, что одноконтурная значительно проще в конструктивном отношении, а двух-контурная упрощает решение вопросов биологической защиты.
Использование атомной силовой установки на судах позволяет обеспечить практически неограниченную дальность плавания без пополнения топливных запасов. Суточный расход ядерного топлива на судах исчисляется десятками граммов, поэтому тепловыделяющие элементы в реакторах заменяются один раз в два-три года.
Учитывая то, что на судах с атомными силовыми установками отсутствуют запасы топлива, их масса вместе с биологической защитой всегда меньше массы обычных судовых силовых установок с запасами топлива, что позволяет увеличить полезную грузоподъемность судов.