Control of characteristics of closed gas turbine plants of submarines propulsion complexes
Authors: Матвеенко В.Т. , Дологлонян А.В. , Очеретяный В.А. 
Published: December 2021

Подводная техника особенно нужна при работе и снабжении подводными судами объектов на Арктическом шельфе вдоль Северного морского пути, связанного с преодолением ледовых полей. Среди различных типов энергетических установок для подводной техники перспективны замкнутые газотурбинные установки (ЗГТУ), способные в одноконтурном варианте работать на углеводородных типах топлива. В качестве окислителя можно использовать воздух, который на судах можно хранить в сжатом виде. В этом случае не нужна специальная береговая инфраструктура, ограничивающая дальность плавания подводной техники. За основу базовой схемы ЗГТУ принят газотурбинный двигатель (ГТД) с регенерацией (Р) теплоты, как более экономичный по сравнению с ГТД простого цикла, и схемы которого характерны для микрогазотурбинных двигателей. Также рассмотрены ЗГТУ с турбокомпрессорным утилизатором (ТКУ) и регенерацией теплоты как более экономичные и обладающие удельной мощностью в 1,3…1,5 раза большей, чем в ЗГТУ с Р. Определены характеристики ЗГТУ на переменных режимах, так как подводная техника используется при исследовательских, технологических и транспортных работах при частичных нагрузках и различных видах нагружения. Для улучшения экономичности ЗГТУ на режимах частичного нагружения предложено применить регулируемый сопловой аппарат (РСА) в свободной силовой турбине. На частичных нагрузках посредством РСА можно перераспределить теплоперепад между турбинами, изменить расход газа через турбины, приблизить регулирование к количественному типу. При этом наблюдается увеличение эффективного КПД относительно других способов регулирования при уменьшении мощности двигателя и рост начальной температуры газа, который приближает параметры рабочего цикла двигателя к номинальным значениям.

Underwater equipment is especially needed when operating and supplying objects by submarines on the Arctic shelf along the Northern Sea Route associated with ice fields overcoming. Among the various types of power plants for underwater equipment, closed gas turbine plants (CGTP) are promising, capable of operating in a single-circuit version on hydrocarbon types of fuel. Air can be used as an oxidizing agent, which can be stored compressed on ships. In this case, there is no need for a special coastal infrastructure that limits the range of navigation of underwater equipment. A gas turbine engine (GTE) with heat regeneration (R) is adopted as the basis for the basic scheme of CGTP, as it is more economical in comparison with a simple cycle GTE, and the schemes of which are typical for microgas turbine engines. Also considered are CGTP with a turbocompressor utilizer (TCU) and heat regeneration as more economical and having a specific power 1.3...1.5 times higher than in CGTP with R. The characteristics of CGTP in variable modes are determined, since underwater equipment is used in research, technological and transport works at partial modes and various types of loading. To improve the efficiency of CGTP in partial loading modes, it is proposed to use a variable area nozzle (VAN) in a free power turbine. At partial loads, by means of VAN, it is possible to redistribute the heat drop between the turbines, change the gas flow rate through the turbines, and bring the regulation closer to the quantitative type. At the same time, there is an increase in the effective efficiency relative to other control methods with a decrease in engine power and an increase in the initial gas temperature, which brings the parameters of the engine operating cycle closer to the nominal values.