Параметры, по которым осуществляют регулирование работы ГТД, называют основными. Чаще всего такими параметрами являются частота вращения турбокомпрессора и мощность ГТД.
В связи с тем, что частота вращения турбокомпрессора однозначно связана с подачей топливного насоса (топливный насос получает привод от вала компрессора), расход топлива, поступающего в камеры сгорания ГТД, можно устанавливать по частоте вращения компрессора. В то же время частота вращения компрессора определяет расход и давление воздуха, поступающего в камеры сгорания. Следовательно теплоперепад, срабатываемый в турбинах, и мощность ГТД однозначно связаны с частотой вращения турбокомпрессора – 
.
Обычно характеристики рабочего процесса ГТД представляют как зависимости следующего вида:
- эффективной мощности от частоты вращения компрессора: 
;
- часового расхода топлива от частоты вращения компрессора: 
;
- удельного расхода топлива от частоты вращения компрессора: 
;
- температуры газа за КС от частоты вращения компрессора: 
;
- расхода воздуха от частоты вращения компрессора: 
.
Для анализа рабочего процесса ГТД используют универсальную характеристику компрессора с нанесенными на нее дополнительными зависимостями. Характеристика компрессора показывает зависимость между степенью повышения давления 
и расходом воздуха 
при различных частотах вращения ротора (рис. 77). Линия помпажа делит все поле характеристик компрессора на области устойчивых и неустойчивых режимов работы (область помпажа).
|
линия помпажа; линия статических режимов работы ГТД; линии постоянных оборотов (изодромы); линии постоянных КПД; изотермы Т3; линии постоянных расходов топлива;
|
– расход топлива на холостом ходу;
– расход топлива на полном ходу;
– обороты холостого хода;
– обороты полного хода;
|
Рис. 77. Универсальная характеристика судового ГТД.
|
На диаграмму наносят:
- линии постоянных оборотов (изодромы) – 
;
- линии постоянных КПД – 
;
Для получения универсальной характеристики ГТД дополнительно на характеристику компрессора наносят:
- изотермы – 
;
- линии постоянных расходов топлива – 
;
- линию статических режимов работы двигателя – 
, показывающую связь мощности двигателя и частоты вращения винта.
По универсальной характеристике легко можно определить основные параметры работы двигателя в зависимости от одного из выбранных параметров (частоты вращения компрессора, расхода топлива и т.д.).
2.9. гту замкнутого и полузамкнутого циклов
Кроме рассмотренных выше ГТУ открытого цикла существуют ГТУ замкнутого (закрытого) и полузамкнутого циклов.
Замкнутыми ГТУ называют такие установки, в которых рабочее тело непрерывно циркулирует по замкнутому контуру, не обновляясь. Схема простейшей ГТУ замкнутого цикла изображена на рис. 78:
|
|
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.
| Рис. 78. Схема простейшей ГТУ замкнутого (закрытого) цикла.
ПНГ – поверхностный нагреватель газа; ПОГ – поверхностный охладитель газа; К – компрессор; ГТ – газовая турбина; ТУХ – выброс продуктов сгорания в атмосферу. |
В установке, работающей по замкнутому циклу, отработавшее в турбине рабочее тело не выбрасывается в атмосферу, а затем в охлажденном виде 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.
| Рис. 79. Схемы ГТУ закрытого (замкнутого) цикла с одним (а) и двумя (б) аккумуляторами рабочего тела.
КлС – клапан сброса рабочего тела; КлД – клапан добавки рабочего тела; А – аккумулятор рабочего тела; АНД – аккумулятор низкого давления; АВД – аккумулятор высокого давления; ПК – подкачивающий компрессор. |
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. 79.
|
а б |
Мощность установки уменьшают открытием клапана сброса рабочего тела (рис 79.а). 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 и открытием клапана добавки рабочего тела. 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. 79.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. 79);
- 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.