OPERATION AT VARIABLE MODES OF CLOSED MICRO-GAS TURBINE PLANTS WITH OXIDIZER-OXYGEN FOR UNDERWATER EQUIPMENT

In the Arctic, submarines and equipment in the near future will carry out transport operations with overcoming ice fields underwater, as well as exploration, construction and operation of underwater objects. It is possible to use gas turbine plants in a single-circuit version, which operate on hydrocarbon fuel, as closed ones for underwater equipment. The oxidizing agent is usually oxygen. The working fluid of closed gas turbine plants (CGTP) is a mixture of combustion products of hydrocarbon fuel and oxygen. Studies of the thermodynamic cycle characteristics of CGTP with oxygen as an oxidizer with various initial data have shown the possibility of operating micro-gas turbine plants at nominal conditions with acceptable efficiency in engines with heat recovery. Higher efficiency indicators are obtained in CGTP with a turbocompressor utilizer (TCU) and a heat regenerator. However, power plants of underwater equipment are often operated at partial loads under various types of loads associated with their purpose. When determining characteristics in variable modes, the nominal parameters are the initial data. For CGTP with TCU and heat recovery (R), the efficiency is relatively 15 ... 20% higher than for CGTP with R, and the specific power is 1.5 times higher. Investigation of the CGTP characteristics at partial loads is carried out under generator and screw loading, which are typical for underwater equipment. It has been established that CGTP with TCU and R at all loading modes have higher efficiency than CGTP with R. CGTP at partial loads with a screw type of loading are more economical than at variable generator loads. CGTP can produce mechanical and thermal energy, ensuring high energy efficiency of the plant in a submerged position.

closed gas turbine plant, micro-gas turbine, heat recovery, turbocompressor utilizer, variable mode

1. Чернышев Е. А. Развитие воздухонезависимых энергетических установок подводных лодок / Е. А. Чернышев, Е. А. Романова, А. Д. Романов // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2015. - № 5 (33) - С. 140-152. DOI: 10.21821/2309-5180-2015-7-5-140-152.

2. Замуков В. В. Выбор воздухонезависимой энергоустановки неатомных подводных лодок / В. В. Замуков, Д. В. Сидоренков // Судостроение. - 2012. - № 4. - С. 29-33.

3. Матвеенко В. Т. Характеристики рабочих процессов воздухонезависимых одноконтурных микрогазотурбинных установок для подводной техники / В. Т. Матвеенко, В. А. Очеретяный, А. В. Дологлонян // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2017. - Т. 9. - № 3. - С. 612-618. DOI: 10.21821/2309-5180-2017-9-3-612-618.

4. Пат. 2542166 Российская Федерация, МПК FO2C1 1/04. Энергетическая установка подводного аппарата / В. Ю. Дорофеев, В. В. Замуков, Д. В. Сидоренков; заявит. и патентообл. ОАО «Санкт-Петербургское морское бюро машиностроения «Малахит»». - № 2013153997/06; заяв.04.12.2013; опубл. 20.02.2015, Бюл. № 5.

5. Пат. 180005 Российская Федерация, МПК FO2C 6/12. Газотурбинная воздухонезависимая установка подводного аппарата / В. Т. Матвеенко, А. В. Дологлонян, В. А. Очеретяный; заявит. и патентообл. ФГБВОУ «Черноморское высшее военно-морское ордена Красной Звезды училище имени П.С. Нахимова». - № 2011111332; заявл. 04.04.2017; опубл. 30.02.2018, Бюл. № 16.

6. Bianchi M. Inverted Brayton cycle employment for low-temperature cogenerative applications / M. Bianchi, G. N. di Montenegro, A. Peretto // J. Eng. Gas Turbines Power. - 2002. - Vol. 124. - Is. 3. - Pp. 561-565. DOI: 10.1115/1.1447237.

7. Bianchi M. A feasibility study of inverted brayton cycle for gas turbine repowering / M. Bianchi, G. N. di Montenegro, A. Peretto, P. R. Spina // J. Eng. Gas Turbines Power. - 2005. - Vol. 127. - Is. 3. - Pp. 599-605. DOI: 10.1115/1.1765121.

8. Kennedy I. Experimental investigation of an inverted Brayton cycle for exhaust gas energy recovery / I. Kennedy, Z. Chen, B. Ceen, S. Jones, C. D. Copeland // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. - 2019. - Vol. 141. - Is. 3. - Pp. 032301. DOI: 10.1115/1.4041109.

9. Арбеков А.Н. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок / А. Н. Арбеков [и др.]. - М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. - 678 с.

10. Матвеенко В. Т. Энергоэффективность воздухонезависимых микрогазотурбинных установок сложных циклов для подводной техники / В. Т. Матвеенко, В. А. Очеретяный, А. В. Дологлонян // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2019. - Т. 11. - № 3. - С. 565-572. DOI: 10.21821/2309-5180-2019-11-3-565-572.

11. Matviienko V. T. Closed-Cycle Micro Gas-Turbine System with Overexpansion Turbines and Heat Regeneration for Underwater Application / V. T. Matviienko, A. V. Dologlonyan, A. N. Grekov // 2019 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon). - IEEE, 2019. - С. 1-4. DOI: 10.1109/FarEastCon.2019.8933910.

12. Matviienko V. Variable regimes operation of cogenerative gas-turbine engine with overexpansion turbine / V. Matviienko, V. Ocheretianyi // Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air. - 2010. - Vol. 44007. - Pp. 33-37. DOI: 10.1115/GT2010-22029.

13. Матвеенко В. Т. Эффективность работы газотурбинного двигателя с регенерацией теплоты на частичных винтовых нагрузках / В. Т. Матвеенко, В. А. Очеретяный // Вiсник СевНТУ. - 2011. - № 119. - С. 118-121.