background image

 

 

Ship Power 

Ship Power 

Systems and 

Systems and 

Design

Design

Course no.: 21 444/924

Hossein Ghaemi

Sem. I, 2009/2010

University of Stratchclyde, Faculty of Engineering

Department of Naval Architecture and Marine Engineering

 

Part 3

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

2

PART 3

PART 3

Gas Turbine Propulsion

Gas Turbine Propulsion

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

3

Introduction to Part 3

 This part of the lecture is devoted to 

introduction to gas
   turbine as a (part of) prime mover in ship 
propulsion
   system.

 It delivers basic information on different gas 

turbine
  elements, thermodynamics of different cycles 
and
  configurations, giving some examples of 
application of 
  gas turbine in marine technology.

 The aim is building a general idea about 

operation and
   features of gas turbine propulsion.

 The aspects of design and construction of gas 

turbines
   are not included in.

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

4

Gas Turbine as a Marine Prime Mover

Gas turbine uses  fuel energy to produce 

mechanical output 

power

, either as 

torque

 through a rotating shaft (industrial 

and marine gas turbines) or as jet power in the form of 

thrust/velocity

 through an exhaust nozzle (aircraft jet 

engines).
The 

fuel energy

 is added to the 

working substance

, which is 

gaseous in form and most often air, either by direct internal 
combustion or indirectly through a heat exchanger. The 
heated working substance, air co-mixed with combustion 
products in the usual case of 

internal combustion

, acts on a 

continuously rotating turbine to produce 

power

The gas turbine is thus 

distinguished from heat engine

 types 

where the working substance produces mechanical power by 
acting intermittently on an enclosed piston, and from steam 
turbine engines where the working substance is water in 
liquid and vapor form. 

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

5

GE Marine Engines’ LM2500 aero-derived gas turbine showing

(from left to right) the compressor(1), combustor (or burner) (2), 

high pressure turbine (3) and low pressure power turbine (4).

Gas Turbine – General View

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

6

Gas Turbine – Main Elements

Compress
or inlet

Front 
compressor

Compressor 
intermediate

Main 
accessory 
gearbox

Rear 
compresso
r

Diffus
er

Combustion 
section

Turbine 
nozzle

Rear 
compressor 
drive turbine

Front 
compressor 
drive turbine

Exhaust 
case

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

7

h

tt

p

:/

/w

w

w

.h

o

w

st

u

ff

w

o

rk

s.

co

m

/t

u

rb

in

e

3

.h

tm

 

Principles

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

8

Marine Gas Turbine

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

9

Gas Turbine Power 
Plant

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

10

Gas Turbine for Jet 
Propulsion

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

11

Model of ideal gas: 

The ideal gas can be regarded as a system of 

tiny, rigid, randomly distributed particles which undergo chaotic 
motion. The distances between them are much larger than their 
dimensions and they exert no adhesive forces on one another. The 
particles have dierent speeds, they collide with the walls of the vessel 
and with each other in such a way that they change their energy and 
momentum.

Temperature 

represents the thermal level of the fluid and 

(according to statistical mechanics of gases) it may be defined as a 
measure of the kinetic energy of translatory motion of gas particles. 
The lowercase letter t denotes temperature measured in the 
Centigrade (Celsius) scale, while the capital letter T – temperature in 
the absolute (Kelvin) scale. 

Definitions

Internal energy

 may be understood as the sum of the kinetic energy 

of all kinds of motion of a gas (translatory, rotational and vibrational), 
plus the potential energy resulting from the relative mutual location of 
gas molecules, plus the chemical energy of the gas (the energy used 
to create the compound). The internal energy of a unitary mass of gas 
is denoted by the lowercase letter u. The physical unit of u is J/kg or 
kJ/kg .

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

12

Pressure

 is understood as the force per unit of area exerted by the 

fluid on any surface, either on the boundary of the vessel or immersed 
in the fluid. Pressure always acts perpendicularly to the surface. The 
lowercase letter p is used to denote pressure and its value is 
expressed in Pascals, Pa = N/m2 . In practice multiple units are used, 
i.e. 1 kPa = 103 Pa, and 1 MPa = 106 Pa.

Density

 denoted by the Greek letter 

, describes the concentration of 

matter M in volume V: 

 =M/V. The unit of gas density  is kg/m

3

 .

Specific volume

 denoted by the lowercase letter v, is inverse in value 

to the density of the gas v =V/M=1/

The unit of specific volume v is 

m

3

/kg.

Viscosity

 is understood as molecular cohesion and interaction 

between adjacent layers of fluid. The coecient of dynamic viscosity 

 is 

expressed in kg/m·s or in poises, 1 P = 0.1 kg/m·s . The coefficient of 
kinematic viscosity  

= is expressed in m

2

/s or in stokes, 1 St = 10

-

4

 m

2

/s.

State equation:

 The relation between temperature T, pressure p and 

specific volume v is called the state equation: pv=RT. The gas constant 
R is given by the relation R=R

m

/M

m

, where R

m

 stands for the universal 

gas constant, R

m

 = 8314 J/kg·K, while M

m

 is the molecular mass of the 

gas.

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

13

Enthalpy

 h of a unit mass of gas may be defined by the following 

relation

h = u + p · v

The product p·v is interpreted as the work necessary to pump the 
medium into the considered region, or to the exit from it. The specific 
enthalpy h is expressed in 

J/kg

 or kJ/kg.

Kinetic energy

 E of fluid mass M is calculated as follows

where w stands for the velocity of the gravity centre of mass M

Specific kinetic energy

 of a unitary mass is written in the form of

and is measured in J/kg.

2

2

Mw

2

2

w

M

E

e

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

14

Heat

 is understood as a form of energy transmission and expressed in J 

(or kJ), while the unit of specific heat q is a J/kg. The total heat q

t

 related 

to a  thermodynamical process is the sum of the nett heat q from 
external sources and the heat q

f

 due to friction present in the actual 

process.

Specific heat at constant pressure

 c

p

 is the quantity of heat 

required to raise the temperature of one kilogramme of a substance by 
one Kelvin (or one degree Centigrade) at constant pressure, (

J/kg.K

).

Specific heat at constant volume

 c

v

 is the quantity of heat required 

to raise the temperature of one kilogramme of a substance by one 
Kelvin (or one degree Centigrade) at constant volume, (

J/kg.K

)

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

15

R

c

c

v

p

R

c

R

c

v

p

1

1

1

v

p

c

c

 For ideal gases the heats c

p

 and c

v

 are constant values, but for actual 

gases
   they depend on the temperature and pressure.

 For a semiperfect gas:

)

(

)

(

T

c

c

T

c

c

v

v

p

p

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

16

In practical applications average values of specific heats in a given 
range of temperatures (from T

1

 to T

2

) are used:

Also

Specific entropy:

 The increase of specific entropy s can be 

calculated as the ratio of total added heat to temperature

dT

dq

ds

t

J/(kg.K)

1

2

0

0

1

2

0

0

1

2

1

2

T

T

c

c

c

T

T

c

c

c

T

v

T

v

v

T

p

T

p

p

or

2

1

2

1

2

1

2

1

)

(

1

)

(

1

1

2

1

2

T

T

v

T
T

v

T

T

p

T

T

p

dT

T

c

T

T

c

dT

T

c

T

T

c

dT

c

du

dT

c

dh

v

p

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

17

Specific technical work

 dl for a unit mass M of gas can be given in 

the form

dp

v

dl

J/kg

Polytropic process:

 The polytropic process is given by the following 

relation

.

cons

v

p

n

n: polytropic 
exponent





n

n

p

p

T

R

n

n

l

1

1

2

1

2

1

1

1

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

18

Adiabatic Process:

 An adiabatic process is defined as a process without 

any heat supplied to the medium from external reservoirs

0

2

1

q

Reversible adiabatic process:

 If additionally the heat supplied to the 

medium due to friction is equal to zero it is so-called reversible 
adiabatic process. For a reversible adiabatic process:

0

ds

(isentropic process)

.

cons

v

p





1

1

2

1

2

1

2

1

1

1

p

p

T

R

h

h

l

s

s

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

19

External technical work

 is defined by the relation

friction losses

2

1

2

1

2

1

2

1

h

h

q

l

l

f

e

2

1

2

1

e

s

l

l

Turbine internal efficiency

 is defined as

s

s

e

i

h

h

h

h

l

l

2

1

2

1

2

1

2

1

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

20

T-s Diagram -1

Elementary change of 
total heat supplied to the 
medium

isothermal

process

isochoric

process

isobaric

process

isentropic

process

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

21

Constant pressure process

Constant volume process

T-s Diagram -2

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

22

T-s Diagram -3

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

23

h-s Diagram

For 

perfect gases

 the specific heat at constant 

pressure 

c

p

 is a constant

 value and the 

enthalpy of 

gas depends linearly on temperature

.

Thus it is enough to 

multiply the temperature scale T 

by the value of c

p

 in the T-s diagram to obtain an h-s 

diagram.

Then, the lines of particular thermodynamical 

processes may look 

identical in T-s and h-s

 diagrams.

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

24

Thermodynamic cycle:

 A sequence of consecutive thermodynamical 

processes is known as a thermodynamical cycle (closed cycle) if the 
parameters of the medium at the beginning are exactly the same as the 
parameters in the end state.

Thermodynamic cycle of a heat engine

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

25

Thermal cycle efficiency

Thermal efficiency:

 The ratio of net output energy to fuel input energy 

for the cycle.

Total efficiency of ship turbine propulsion system

engine

B

propeller

E

total

P

P

engine

f

engine

B

W

m

P

 

f

n

tT

m

W

E

1

2

1

2

1

1

1

q

q

q

q

q

q

l

t

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

26

Assumptions made for an ideal gas turbine (theoretical) 
cycle

Processes are reversible, isobaric and adiabatic;

Ideal gas with constant specific heat  c

p 

and c

v

 

and constant adiabatic exponent;

Constant flow, no flow losses;

No pressure or mechanical losses; 

Ideal thermal efficiency.

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

27

1

2

1

2

1

1

1

q

q

q

q

q

q

l

cycle

cycle





3

2

3

2

3

2

3

1

1

T

T

T

c

T

T

c

h

h

q

p

p





4

1

4

1

4

1

4

2

1

T

T

T

c

T

T

c

h

h

q

p

p

1

1

2

1

2





p

p

T

T

1

1

2

4

3





p

p

T

T

4

1

3

2

4

3

1

2

T

T

T

T

T

T

T

T

 





1

1

1

1

1

2

p

p

cycle

q

1

 

    

q

2

 

    

Brayton cycle

3

4

1

T

T

cycle

The ideal version of the 
gas turbine cycle is 
known as the Brayton 
cycle. 

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

28

cycle

 

1

1

cycle

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

29

Real Brayton Cycle (open cycle)

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

30

The medium

dT

T

c

c

T

T

p

T

T

p

)

(

0

0

| 

dt

t

c

t

t

c

t

t

p

t

t

p

)

(

1

2

1

2

1

2

1

|

a

f

m

m

068

.

0

ST

)

023

.

0

016

.

0

(

6

3

GT

ST

Combustion 

temperature: 

1800-2000

(for 

TG~1450C) =3÷6

dT

T

c

h

T

T

p

)

(

2

1

T

c

h

T

T

p

|

2

1

T

c

h

p

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

31

Combustion 

Min. required oxygen

ST

O

kg

kmol

o

s

h

c

32

32

4

12

min

2

2

O

 

of

 

kg

32

O

of

 

kmol

1

Calorific value of gas fuel





3

n

m

2

2

4

2

6

2

4

2

H

C

77060

H

C

55620

H

C

59790

H

C

62680

CH

35700

H

10650

CO

12450

nm

kJ

W

CO

carbon 

oxide 

2

- hydrogen

4

CH


methan

6

2

H

C


ethan
e


ethylen

4

2

H

C

2

2

H

C


acethylen

n

m

H

C

Other 
hydrocarbons 

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

32

C

C

p

p

T

T

s

 1

1

2

1

2





1

2

1

2

1

2

1

2

T

T

T

T

h

h

h

h

s

s

C

1

2

1

2

T

T

c

h

h

l

C

p

C

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

T

T

T

T

T

T

T

T

h

h

h

h

s

C

s

s

C





1

1

1

1

2

1

1

2

T

T

T

c

T

T

c

l

s

C

p

C

s

C

p

C

C





1

1

1

1

2

1

C

C

p

p

T

c

l

C

p

C

C





1

2

p

p

C

1

2

p

p

p

C

Elements – 1: Compressor

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

33

Elements – 1: Compressor

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

34

Elements – 1: Compressor

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

35

Elements – 1: Compressor

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

36

Elements – 1: Compressor

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

37

Elements – 1: Compressor

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

38

Elements – 1: Compressor

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

39

3

2

2

2

)

(

h

m

m

W

m

h

m

f

B

f

Burner

2

3

h

2

h

m

2

m

3

m

f

h

f

.m

f

W.m

f

h

f

.m

<<W.m

f

η

Ignore it!

3

2

3

2

h

W

h

h

m

m

B

f

3

2

3

T

c

W

T

c

T

c

B

p

B

C

p

B

p

Elements – 2: Burner (Combustor)

B

f

f

h

m

h

m

m

W

m

Q

2

2

3

2

1

)

(

Or
:

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

40

Elements – 2: Burner (Combustor)

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

41

Elements – 2: Burner (Combustor)

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

42

Elements – 2: Burner (Combustor)

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

43

Elements – 2: Burner (Combustor)

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

44

T

T

p

p

T

T

s

 1

3

4

3

4





s

s

T

T

T

T

T

h

h

h

h

4

3

4

3

4

3

4

3

4

3

4

3

T

T

c

h

h

l

T

p

T

s

T

s

s

T

T

T

T

T

T

T

T

T

h

h

h

h

4

3

4

3

4

3

4

3

4

3

4

3





3

4

3

4

3

1

T

T

T

c

T

T

c

l

s

T

p

T

s

T

p

T

T





T

T

p

p

T

c

l

T

p

T

T

1

3

4

3

1





4

3

p

p

T





T

T

T

T

p

T

T

T

c

l

1

3

1

1

Elements – 3: Turbine

p

3

p

4

4

3

4s

h

s

expansi
on

3

4

4

P

B

3

Turbin
e

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

45

Elements – 3: Turbine

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

46

Elements – 3: Turbine

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

47

C

T

m

B

l

m

l

m

P

2

3

W

m

P

Q

P

f

B

B

engine

1













1

1

1

1

1

1

1

1

1

2

1

3

2

3

1

1

2

2

3

1

3

4

1

3

2

2

3

3

1

2

2

2

3

3

2

2

3

3

2

3

C

C

C

C

T

T

p

p

c

T

T

c

m

m

p

p

c

m

m

p

p

T

T

c

h

m

h

m

h

h

m

h

h

m

h

m

h

m

l

m

l

m

C

p

C

B

p

C

p

C

T

p

T

m

B

B

m

B

C

T

m

engine

 

 













1

1

1

1

1

1

1

1

3

2

3

1

2

3

1

1

3

C

C

C

C

T

T

C

C

p

C

B

p

C

C

p

C

T

T

p

T

m

B

engine

c

T

T

c

m

m

c

m

m

T

T

c

Gas Turbine Set as a Prime Mover (Engine)

B

h

m

h

m

Q

1

2

2

3

3

1

(derived for burner)

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

48

-  pressure  losses 
coeff.





1

3

2

3

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

T

T

m

m

c

c

c

f

T

C

B

p

T

p

C

p

m

B

C

T

engine

2

3

,

,

,

,

,

m

m

c

c

c

T

C

B

p

T

p

C

p

Mainly depend on temperature and pressure

,

,

,

,

m

B

C

T

Individual characteristic parameters, depending 
on the system elements and their constructions 

1

C

C

C

T

(T

1

 : ambient temp.)

3

1

3

,

,

T

f

T

T

f

engine





Gas Turbine Set as a Prime Mover (Engine)

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

49

Gas Turbine Set as a Prime Mover (Engine)

engine

engine

 = 

GT

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

50

Choice of 

 and T

3

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

51

Polytropic efficiency

n

n

p

1

1

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

52

Gas Turbine Set as a Prime Mover (Engine)

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

53

Gas Turbine Set as a Prime Mover (Engine)

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

54

Gas Turbine Set as a Prime Mover (Engine)

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

55

Gas Turbine Set as a Prime Mover (Engine)

Problem with space and weight?

Install gas 

turbine!

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

56

Gas Turbine Set as a Prime Mover (Engine)

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

57

Gas Turbine Set as a Prime Mover (Engine)

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

58

Two-shaft (double shaft) Gas Turbine Set as a Prime Mover 
(Engine)

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

59

Two-shaft (double shaft) Gas Turbine Set as a Prime Mover 
(Engine)

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

60

Two-shaft (double shaft) Gas Turbine Set as a Prime Mover 
(Engine)

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

61

Three-shaft Gas Turbine Set as a Prime Mover (Engine)

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

62

Three-shaft Gas Turbine Set as a Prime Mover (Engine)

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

63

Gas Turbine Propulsion – example1

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

64

Gas Turbine Propulsion – example2

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

65

Gas Turbine Propulsion – example3

An example of the gas turbine arrangement of a destroyer

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

66

Gas Turbine Propulsion – example4

Gas turbine 

arrangement

(for a destroyer)

a) With electrical 

generators driven by 
diesel engines

b) With electrical 

generators driven by 
gas turbines

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

67

2

4

2

2

*

T

T

T

T

R

max

T

T

real

R

Order of 
regeneration:

)

85

.

0

75

.

0

(

R

9

.

0

R

For closed 

cycles

The Idea: Heating up the inlet air 
to the combuster to increase the 
thermal efficiency

Regenerative open cycle 

2

4

.

3

.

.

*

2

T

T

T

T

c

m

Q

q

regen

p

comb

comb

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

68

Regenerative open cycle 

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

69

Regenerative open cycle 

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

70

Intercooling 

The Idea: Cooling down the inlet air to the compressor,
which consequently gives higher total efficiency

2

1



1

2

2

1

1

opt

cool

C

C

C

C

p

C

T

c

l



1

2

2

1

opt

cool

C

C

C

C

l

l

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

71

Intercooling 





2

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

2

1

cool

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

p

C

p

C

p

C

C

C

T

c

T

c

T

c

l

l

l

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

72

Reheating (Sequential combustion)

The idea: to approach isothermal expansion to increase turbine power.

2

1

T

T

T

2

1

rh

T

T

T

l

l

l

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

73













T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

p

T

T

p

T

T

p

T

T

T

T

T

c

T

c

T

c

l

l

l

1

1

1

1

1

3

1

2

3

1

1

3

2

1

2

1

1

1

1

rh

Reheating (Sequential combustion)

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

74

 More burners?

 2%-4% increase in efficieny!

Reheating (Sequential combustion)

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

75

Regeneration + Intercooling + 
Reheating

Regeneration + Intercooling + 
Reheating

Regeneration + Intercooling + 
Reheating

Regeneration + Intercooling + 
Reheating

Ericsson Cycle

Regeneration + Intercooling + 
Reheating

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

76

Ericsson Cycle

1

2

1

2

4

3

3

1

ln

ln

p

p

T

R

l

q

p

p

T

R

l

q

C

T

4

3

3

1

2

1

4

3

3

ln

ln

ln

p

p

T

R

p

p

T

R

p

p

T

R

E

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

77

Comparison of different cycles

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

78

Gas turbine chacteristic parameters in 

brief

 

d

f

GT

e

eGT

W

m

P

Effective 

efficiency

kg

kJ

2

m

P

l

eGT

GT

e

2 – Effective work





kWh

kg

2

eGT

e

P

m

d

3 – Spec. air required





kWh

kg

eGT

f

e

P

m

b





kWh

kg

3600

eGT

e

l

d





kWh

kg

3600

W

b

eGT

e

5 – Compress. 
efficiency

)

30

20

( 

e

d

)

4

.

0

2

.

0

(

e

b

%)

92

%

40

(

T

%)

90

%

80

(

C

%

99

%

97 

m

6 – Turbine 
efficiency

7 – Mech. efficiency

4 – Spec. fuel 
consump.

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

79

Manufacturer

RR

GE

Type

Allison

601 

KF9

Allison

601 

KF11

Spey

SM1C

WR21

LM500

LM1600

LM2500

LM2500

+

Brake power, kW

6500

7800

19500

25240

4400

14900

24000

26000

Output speed, rpm

5500

3600

7000

7000

3600

3600

Specific fuel 
consumption, g/kWh

250

250

230

200

266

233

238

236

Air mass flow, kg/s

66

72

16.3

47

68

78

Specific power, kJ/kg

295

350

270

317

353

334

Specific air 
consumption, kg/kWh

12.2

10.3

13.3

11.4

10.2

10.8

Weight, kg

25700

46000

15440

22000

Specific mass, kg/kW

1.4

1.8

1.04

0.92

Length, m

~5

~5

7.5

8.0

6.5

8.3

Width, m

~1.9

~1.9

2.3

2.7

2.3

2.7

Height, m

~2.5

~2.5

3.1

4.8

3

3

Volume, m

3

~29

~29

53.1

103.6

44.9

67.2

Specific volume, 
dm

3

/kW

~4.5

~4.5

2.7

4.1

2.5

2.8

Rolls-Royce and General Electric gas turbines for marine 

applications

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

80

Other 
examples

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

81

 1947 – UK: GATRIC Metropolitan Vickers, 1870 kW, 12.8%, 

(torpedo)

 1951: British Thomson (regenerated), 880 kW, 20.1%, (Auris, 

tanker)

 60’s: Ro-Ro, Ferries, LNG, Hovercrafts, HSC

 Most installed: 

 General Electric LM2500, LM100, LM300, LM1500, FT4, 

Gnome,

 Rolls-Royce Allison 601 KF11, Spey SM1C, WR21

 Olympus, Russian GTU M2, GTU M3, GTKI, GTG-1

 1000 naval ships are equipped with more than 2500 gas 

turbines

Gas turbine, history and 
today

The history goes on …

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

82

Zubr - Hovercraft

example

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

83

Aquastrada – high speed yacht

example

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

84

Passenger – car ferry

example

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

85

Transatlantic high speed ship

example

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

86

Invincible – British airplane carrier

example

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

87

Bora – Russian corvette

example

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

88

Asagiri – Japanese destructor ship

example

background image

Part 3: Gas Turbine Propulsion

Ship Power Systems and Design 

89

Perry – American fregat

example


Document Outline