2. Частичные нагрузки газотурбинных установок

Газотурбинные установки обычно эксплуатируют в широком диапазоне изменения нагрузок, поэтому расчеты частичных режимов имеют большое значение. Эти расчеты дают возможность получить статические характеристики ГТУ, анализ которых позволяет оценить экономические показатели различных установок при работе на частичных нагрузках.

Для обеспечения равновесных режимов работы, определяющих частичные нагрузки ГТУ, необходимо рассмотреть режимы работы отдельных элементов (осевых компрессоров и турбин, камер сгорания и теплообменных аппаратов), а затем - условия согласования их работы.

1. Характеристики многоступенчатых компрессоров

Аэродинамический расчет осевого компрессора выполняют для одного расчетного режима работы, применительно к которому определяют площади проходных сечений проточной части, геометрическую форму лопаток и т.д. В реальных условиях компрессоры, применяемые в газотурбинных установках, работают не только в расчетных режимах, но и в широком диапазоне режимов, отличных от расчетного. При этом могут изменяться атмосферные условия, расход воздуха и во многих случаях - частота вращения ротора. Все эти факторы оказывают влияние на основные параметры, характеризующие работу компрессора, и в первую очередь - на степень повышения давления и КПД .

Зависимости основных параметров компрессора от режимов его работы принято называть характеристиками компрессора.

Построение характеристик расчетным путем связано с большими трудностями, так как закономерности течения воздуха на нерасчетных режимах весьма сложны, а характер изменения потерь энергии в компрессоре изучен пока еще недостаточно. Более достоверные характеристики многоступенчатых компрессоров получают при использовании для их расчетов отработанных моделей ступеней, а самые достоверные характеристики - экспериментальным путем на специально оборудованных установках.

Зависимости степени повышения давления и КПД от расхода воздуха, соответствующие постоянным значениям частоты вращения ротора, называются расходными характеристиками.

Характеристики осевого компрессора могут быть построены в зависимости от абсолютных значений частоты вращения и расхода массового G или объемного V. Гораздо большие удобства дают характеристики, построенный в относительных приведенных координатах, полученных с помощью гидродинамической теории подобия.

Рис. 4.1. Характеристика осевого компрессора ГТУ

На режимах, отличных от расчетного, происходит изменение условий обтекания профилей отдельных ступеней компрессора.

Так при снижении расхода воздуха на выпуклых поверхностях лопаток первых ступеней возникают срывные явления. При значительных отклонениях режима от расчетного возможен переход одной-двух последних ступеней в область отрицательных напоров. При этом может возникнуть значительная вибрация лопаток компрессора.

Рассмотрим совместную работу ступени компрессора с сетью на предсрывном режиме, когда давление за ступенью несколько выше давления в сети. При наступлении развитого срыва давление на выходе из ступени резко уменьшается, а давление в сети остается пока по-прежнему близким к его значению в предсрывном режиме. В этом случае газ начнет двигаться из сети в ступень. После снижения давления в сети ступень вновь начнет нагнетать газ в сеть и при каком-то расходе опять возникнут срыв и выбрасывание газа из сети в ступень. Процесс будет периодически повторяться.

Такой неустойчивый режим работы представляет собой помпаж. При помпаже возникают сильные автоколебания потока и резкий специфический шум.

Основными способами устранения помпажа в осевых компрессорах являются: установка дополнительных выпускных каналов (через антипомпажные клапана); применение поворотных направляющих лопаток и переход к двухвальным компрессорам.

При пониженной частоте вращения наиболее просто устранить помпаж перепуском воздуха из одного или нескольких сечений проточной части в атмосферу или на вход в компрессор. Перепуск воздуха увеличивает расход воздуха через первые ступени (до места расположения отбора) и позволяет вывести их из зоны неустойчивой работы. С перепуском воздуха улучшаются и условия работы последних ступеней, т.е. обеспечивается более согласованная их работа при частоте вращения меньше расчетной. Степень повышения давления и, как правило, КПД повышаются. Место и количество отборов можно определить расчетным путем. При наличии нескольких противопомпажных клапанов их открывают и закрывают не одновременно, а с нескольким сдвигом по частоте вращения.

Вторым способом противопомпажного регулирования является поворот лопаток одной или нескольких ступеней. При повороте направляющей лопатки осевая составляющая скорости изменяется таким образом, что обеспечивается примерно расчетный угол набегания потока на лопатки рабочего колесо последующей ступени. Однако реализация этой достаточно простой идеи сопряжено с преодолением значительных конструктивных трудностей.

Третьим способом борьбы с помпажом является применение двух компрессоров, каждый из которых приводится отдельной турбиной (например, ГПА-10 на базе судового двигателя ДР-59Л). При этом, помимо прочего, достигается и повышение КПД на нерасчетных режимах. В ГТУ с двухвальным компрессором при переходе с расчетного режима на нерасчетный частоты вращения КНД и КВД будут изменяться по-разному, причем всегда таким образом, что КНД в двухвальной схеме будет работать при более низкой частоте вращения по сравнению с одновальной схемой (и с КВД). В таком случае условия работы первых и последних ступеней в меньшей степени отклоняются от расчетного режима, чем в одновальном компрессоре. Устраняются причины возникновения помпажа в первых ступенях.

Характеристики компрессора охватывают широкий диапазон его работы. Однако не все эти режимы могут быть реализованы компрессором, работающим в системе ГТУ. При фиксированных положениях лопаток компрессора и турбины на каждой линии при заданной мощности имеется одна точка, в которой может устойчиво работать компрессор. Эту точку определяют из условий совместной работы компрессора с газовой турбиной. Соединяя между собой точки совместной работы, получают кривую возможной работы компрессора в системе ГТУ, называемую линией рабочих или эксплуатационных режимов.