книги из ГПНТБ / Гительман А.И. Динамика и управление судовых газотурбинных установок

А. И. ГИТЕЛЬМАН

ДИНАМИКА И УПРАВЛЕНИЕ

СУДОВЫХ

ГАЗОТУРБИННЫХ

УСТАНОВОК

Ленинград

Издательство

Судостроение

1974

УДК 629.12.03—843.8

Г46

(6) Издательство «Судостроение», 1974 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Впоследние годы в СССР и за рубежом про­ ведены большие работы по развитию новой от­ расли энергетики — газотурбинных установок для транспортного флота. Практика освоения этих машин поставила перед промышленностью ряд принципиально новых задач, решение кото­ рых потребовало организации широкого ком­ плекса расчетно-конструкторских работ, иссле­ дований и испытаний.Динамика и управление ГТУ составили один из важнейших разделов этих работ. Как показал многолетний опыт, этот раздел неразрывно связан со спецификой судовых ГТУ: с особенностями рабочего про­ цесса, прочностью, конструкцией двигателя, со вспомогательными системами, характеристи­ ками комплекса винт—судно и т. п. Именно это создает основную трудность отработки совер­ шенной динамики и управления при освоении первых промышленных образцов судовых ГТУ.

Впоследние годы опубликовано большое число работ, в которых исследуются переход­ ные режимы, регулирование и автоматизация

ГТУ, в том числе судовых. Большинство этих работ посвящено анализу собственно систем автоматического управления, в которых дви­ гатель как объект рассматривается в упрощен­ ной форме. Всестороннему изучению подверг­ нуты процессы, допускающие линеаризацию дифференциальных уравнений и последующее применение хорошо разработанного аппарата операционного исчисления, частотных методов и т. п.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

)

Вг — расход топлива

G — расход воздуха, газа Gy — вес газа в объеме

FM, ри — поверхность и вес деталей, участвующих в теплообмене H/D — шаговое отношение

h — перемещение

J — момент инерции

k — показатель изоэнтропы; различные коэффициенты М — крутящий момент; число Маха

N— мощность

п— частота вращения; показатель

р— давление

Ре — тяга

— теплотворная способность топлива

R — газовая постоянная

Re — буксировочное сопротивление

Т — температура; постоянная времени V — объем

vs — скорость судна

а— коэффициент избытка воздуха; приведенный расход; коэффициент теплоотдачи

1, 2 — соответственно ТВД, ТНД (турбины высокого и низкого давления). Штрих сверху — «на выходе»; т — турбина; к — компрессор; ГТУ — газотурбинная уста­ новка; ТКВД — турбокомпрессор высокого давления; ТК.НД — турбокомпрессор низкого давления; КПГ — клапан перепуска газа; КПВ — клапан перепуска воз­ духа; ППУ — противопомпажное устройство; ГУП — главный упорный подшип­ ник; ВНА — входной направляющий аппарат; ВПУ — валоповоротное устройство; СПХ, ПХ, СХ, MX, СМХ —• соответственно самый полный, полный, средний, ма­ лый, самый малый хода вперед; СПХН, ПХН, СХН, МХН, СМХН — то же назад; XX — холостой ход.

6

ВВЕДЕНИЕ

Непрерывное увеличение темпа и совершенствование форм мор­ ских перевозок приводят к росту грузоподъемности и скорости транс­ портных судов, резкому повышение требований к их маневренности, к необходимости улучшения условий труда, сокращения трудо­ затрат. Как следствие, повышаются требования к надежности, эко­ номичности, маневренности и простоте обслуживания энергетических установок. В этом отношении большие перспективы связаны с ис­ пользованием энергетических комплексов, состоящих из газотурбин­ ных двигателей и винтов регулируемого шага.

В отличие от традиционной судовой энергетики — паровых тур­ бин и дизелей — судовое газотурбостроение начало интенсивно раз­ виваться сравнительно недавно. В начале 50-х гг. теоретические и экспериментальные разработки завершились созданием первых опыт­ ных промышленных образцов судовых ГТУ: ГТУ-42 в СССР, фирмы Эллиот в США, фирм Инглиш Электрик и Паметрада в Англии и др. Несмотря на то, что отработка этих ГТУ ограничилась стендовыми испытаниями, она дала ценный опыт для дальнейшего промышлен­ ного развития этой отрасли судовой энергетики. К концу 50-х гг. завершилась опытная эксплуатация первых торговых судов с ГТУ: сухогруза «Джон Саржент» (США), на котором паровая машина была заменена ГТУ фирмы Дженерал Электрик, и танкера «Аурис» (Англия), на котором дизельная установка уступила место ГТУ фирмы Бритиш Томсон Хаустон. Эти суда не были специально спроек­ тированы совместно с ГТУ, однако опыт их эксплуатации подтвер­ дил большую эффективность нового типа судовой энергетической установки.

Первый в мире специально спроектированный крупнотоннажный газотурбоход был построен в СССР в середине 60-х гг. (сухогруз «Парижская коммуна» водоизмещением около 22 000 т с газотурбин­ ной установкой ГТУ-20 мощностью около 12 000 л. с.). Газотурбоход успешно эксплуатируется до настоящего времени, что подтверждает возможность длительной и эффективной работы ГТУ в морских условиях.

7

В те же годы военно-морской флот наиболее развитых стран пополнился большим числом кораблей с газотурбинными двигате­ лями (ГТД), созданными на базе авиационных ГТД. Двигателями этого типа в начале 70-х гг. был оборудован ряд быстроходных транс­ портных судов («Адмирал Каллаган», «Евролайнер» и др.). Особен­ ностью этих двигателей является ограниченный ресурс, трудности в приспособлении к работе на низкосортных видах топлива, малая ремонтопригодность в судовых условиях. Поэтому, несмотря на ма­

Из всего многообразия возможных схем ГТУ в качестве главных судовых энергетических установок в настоящее время находят практическое применение в основном схемы, показанные на рис. 1. Эти схемы сравнительно просты конструктивно и термодинамически, имеют прямоточную турбинную группу, отличаются удобной для судовых условий компоновкой. Схема, изображенная на рис. 1, а, была использована в установке на танкере «Аурис». Эта же схема легла в основу конструкции двигателей отечественной судовой уста­ новки ГТУ-20.

8

Достоинством схемы являются повышенная мощность и эконо­ мичность благодаря промежуточному охлаждению воздуха и кон­ структивная простота вращающихся элементов (два двухопорных турбокомпрессора). К динамическим преимуществам схемы следует отнести демпфирующее влияние блокированного КНД при килевой качке и при снятии нагрузки в процессе реверса. К недостаткам — зависимость параметров ГТУ от частоты вращения винта. При уме­ ренных запасах по помпажу это создает трудности в отработке ди­ намики ГТУ, обусловливает необходимость применения ВРШ или других регулирующих органов.

Схема на рис. 1, б с регенератором была применена на ГТУ пер­ вого газотурбинного судна «Джон Саржент». В настоящее время уста­ новки этой схемы фирма Дженерал Электрик поставляет для обо­ рудования вновь строящихся судов. К достоинствам схемы следует прежде всего отнести ее конструктивную простоту и практическое отсутствие влияния винтовой нагрузки на режим газогенерирующей части. Однако малый момент инерции вращающихся частей, присое­ диненных к гребному валу, и отсутствие какого-либо демпфирования (в отличие от схемы на рис. 1, а) создают ряд трудностей в ограниче­ нии заброса частоты вращения при резком изменении нагрузки на винте. Так, для обеспечения высоких маневренных качеств необхо­ димы увеличенные запасы по предельной частоте вращения и воз­ никают дополнительные требования к качеству управляющих устройств.

Например, при анализе опыта эксплуатации судна «Джон Сар­ жент» отмечалась опасность превышения предельной частоты враще­ ния и выключения ГТУ предельным регулятором при прохождении гребным винтом положения нулевого шага.

Схема на рис. 1, в является разновидностью схемы на рис. 1, б, отличаясь от нее двухкаскадной компоновкой газогенерирующей части и отсутствием регенератора. Эта схема нашла широкое приме­ нение в мощных авиационных установках и по существу представ­ ляет собой приспособление этих установок к судовым условиям. В частности, для современных быстроходных транспортных судов фирма Пратт-Уитни поставляет такие газотурбинные установки, являющиеся развитием ее авиационного двигателя FT-4. Достоин­ ство этих установок заключается в их большой удельной мощности. Однако они уступают схемам, показанным на рис. 1, б, по конструк­ тивной простоте турбокомпрессорной группы.

Среди тепловых двигателей большой мощности ГТД является наиболее маневренным и легко управляемым. Однако большое ко­ личество взаимовлияющих параметров рабочего процесса в турби­ нах, компрессорах, камерах горения, их зависимость от внешних условий, от нагрузки и различных эксплуатационных факторов обу­ словливают сложную для анализа динамическую структуру системы двигатель—винт—судно. При работе с ВРШ этот анализ еще более усложняется.

Поэтому для обеспечения высоких маневренных качеств, ста­ бильности и устойчивости рабочих режимов, оптимальных программ

9