3. Статические характеристики гту

1. Основные виды статических характеристик

Частичные нагрузки характеризуются определенной совокупностью параметров. Закономерность изменения этих параметров образует ту или иную статическую характеристику.

Каждому равновесному режиму работы установки отвечают определенные параметры рабочего тела.

Совокупность параметров равновесных режимов удобно наносить на характеристику компрессора, которая позволяет более наглядно представить ряд особенностей работы ГТУ.

Геометрическое место точек равновесных режимов, нанесенных на характеристику компрессора, называется режимной (рабочей) линией. Каждая точка режимной линии должна удовлетворять всем балансным уравнениям.

В ГТУ с одним компрессором (однокомпрессорные ГТУ) уравнение расхода, связывающее расходные характеристики турбины и компрессора, и отношение давлений дают возможность нанести на характеристику компрессора линию температур газа перед турбиной . Действительно, любая точка поля характеристики компрессора определяет при установившемся режиме расход газа через турбину, а через отношение давлений - начальное давление газа . Этих параметров достаточно, чтобы по одному из уравнений расхода газа через турбину найти начальную температуру газа перед турбиной (рис. 4.2).

Линии температур газа позволяют нанести на характеристику компрессора линии расходов топлива , которые строят с помощью уравнения теплового баланса камеры сгорания. В поле представленных на рис. 4.2 кривых режимная линия должна удовлетворять только одному условию – балансу мощности. Расположение режимной линии зависит главным образом от схемы установки и типа внешнего потребителя. Например, одновальная приводная ГТУ, в которой потребитель полезной мощности работает с переменной частотой вращения , имеет режимную линию вида a – b, а генераторная – вида a – c (рис.4.2).

На характеристике компрессора можно выделить зону возможного размещения режимной линии, которая определяется условиями надежной эксплуатации установки. Границами этой зоны являются следующие ограничения:

Рис. 4.2. Универсальная характеристика компрессора

граница помпажа компрессора I – I.

Выход на эту границу противопоказан из-за неустойчивой работы компрессора. Допустимое минимальное приближение режимной линии к границе помпажа задается допустимым значением коэффициента запаса по помпажу k_У, который определяется по формуле

,

где индекс «р» относится к параметрам режимной линии, а индекс «гр» – к границе помпажа. Как показывает опыт эксплуатации ГТУ различного назначения (стационарных и приводных), для обеспечения надежной работы компрессора коэффициент запаса по помпажу должен быть не менее 10...12 %. Для большинства работающих ГТУ этот коэффициент обычно равен 18...20 %;

линия предельной температуры II – II.

Превышение предельной температуры недопустимо из-за сильного влияния ее на ресурс ГТУ. Уровень предельной температуры устанавливают по температуре газа в режиме максимальной мощности. Обычно принимают, что ;

линия предельной частоты вращения ротора III – III .

Ограничение по определяется требованием прочности. Значение устанавливается обычно на 8...10 % выше частоты вращения в номинальном режиме;

линия минимальной температуры газа IV – IV.

Эта линия ограничивает область устойчивой работы камеры сгорания по минимальному расходу топлива, обусловленному качеством распыла;

линия минимальной частоты вращения ротора V – V.

Обычно она также определяется требованием надежной работы камеры сгорания и динамической устойчивостью режима работы ГТУ.

В ГТУ с двумя и более компрессорами также имеются возможные области режимов работы, ограниченные перечисленными линиями.

Изменение основных параметров в зависимости от полезной мощности установки определяется режимной характеристикой. Такие характеристики дают возможность судить об изменении параметров ГТУ в зависимости от нагрузки.

Выходные характеристики рассматриваются применительно к приводным ГТУ. Эти характеристики представляют собой изменение мощности (и вращающего момента) на выходном валу установки в зависимости от его частоты вращения.

Для построения статических характеристик ГТУ должны быть определены параметры статических режимов в широком диапазоне нагрузок. Методика определения этих режимов зависит от тепловой схемы установки и типа внешнего потребителя, поэтому ниже рассмотрен порядок расчета статических характеристик для различных схем ГТУ.

Статические характеристики одновальной ГТУ. Для расчета статических характеристик следует определить номинальный режим работы и найти все его параметры, а также рассчитать характеристики элементов установки, т.е. копрессора, турбин (зависимости и от параметров газа и частоты вращения) и камеры сгорания.

На характеристике компрессора номинальная нагрузка задается точкой а (рис.4.3). Вид режимной линии от точки а будет зависеть от внешнего потребителя.

В генераторной ГТУ обычно предполагается постоянство частоты вращения ( ) выходного вала, поэтому режимная линия удовлетворяет условию . Уменьшение нагрузки сопровождается понижением и , а точки равновесных режимов будут располагаться ниже точки а. Для определения показателей ГТУ на частичной нагрузке на линии надо взять произвольную точку (например, 1 на рис.4.3). В этой точке с характеристики компрессора снимают значения и , после чего рассчитывают показатели компрессора ( ). По значению с помощью уравнений для определения отношения давления находят и начальное давление рабочего тела на входе турбины , которое составит

.

Рис.4.3. Характеристика компрессора одновальной ГТУ

Затем по одному из уравнений, определяющих пропускную способность турбины, для точки 1 рассчитывают температуру рабочего тела Т₃ и мощность турбины. По уравнению баланса мощности находят полезную мощность ГТУ, а по уравнению баланса камеры сгорания - расход топлива. Аналогичный расчет выполняют для точек 2 и 3, и так далее до точки с, определяющей режим холостого хода.

Найденные показатели позволяют построить статическую характеристику ГТУ. Режимная характеристика включает широкий диапазон изменения нагрузки (рис.4.4). При уменьшении нагрузки все параметры установки понижаются, кроме расхода воздуха, который даже несколько возрастает. Это так называемое качественное регулирование, при котором уменьшение мощности обеспечивается за счет понижения только параметров рабочего тела.

Такой метод регулирования приводит к пониженной эффективности установки при частичных нагрузках, поэтому для одно-вальной генераторной ГТУ характерно резкое уменьшение ее КПД с понижением нагрузки. Этим определяется выбор условий эксплуатации генераторной ГТУ. Обычно такая ГТУ работает а режимах, близких к номинальному; длительная ее работа на пониженных нагрузках связана с существенным перерасходом топлива.

Рис.4.4. Режимная характеристика одновальной генераторной ГТУ

Особенность приводной установки - зависимость нагрузки от частоты вращения выходного вала , которая определяется видом потребителя нагрузки. Так, для судовой ГТУ с винтом фиксированного шага , а для дорожной машины . ГТУ, работающая в составе насосного агрегата с центробежным насосом, а также в составе газотурбинного газоперекачивающего агрегата (ГГПА), будут тоже иметь кубическую зависимость мощности от частоты вращения ротора насоса или нагнетателя. Здесь принято, что номинальный режим работы такой приводной установки также соответствует точке а на рис.4.3. Для определения режима частичной нагрузки в этом случае надо задать произвольное значение частоты вращения ротора (например, на рис.4.3). По этой частоте вращения для данного внешнего потребителя находят его мощность. Затем на линии выбирают произвольные точки 1', 2' и 3’, охватывающие значительную зону характеристики компрессора. Для каждой из этих точек выполняют расчет, аналогичный расчету для точки 1 генераторной ГТУ, и в каждой точке находят мощность компрессора и турбины. Равновесному режиму на линии отвечает только та точка, в которой выполняется условие . Для нахождения этой точки надо построить вспомогательный график вида и при , который и определит равновесный режим работы на линии a - b в точке I. Аналогичные расчеты выполняют и для других частот вращения ротора. Полученные параметры ряда равновесных режимов позволяют построить режимную линию и другие статические характеристики установки.

Режимная линия а - b на рис. 4.3 с уменьшением нагрузки довольно быстро приближается к границе помпажа, поэтому в режиме минимальной нагрузки (точка b) часто имеет место значительная полезная мощность. Этот режим обычно устанавливается в соответствии с принятым значением коэффициента . Для одновальной приводной ГТУ характерен малый диапазон изменения мощности установки, а с ее уменьшением параметры рабочего тела понижаются (рис 4.5). Регулирование мощности здесь уже в значительной мере количественное, поскольку с уменьшением мощности расход рабочего тела через установку падает (рис. 4.5) В связи с этим для одновальной приводной ГТУ характеристика оказывается более благоприятной. Заметно улучшает эту характеристику применение регенератора, так как с понижением нагрузки температурный напор в регенераторе (Т₄ –Т₂) повышается.

Рис. 4.5. Режимная характеристика одновальной приводной ГТУ

Статические характеристики однокомпрессорной ГТУ со свободной силовой турбиной. Рассматриваемая ГТУ состоит из двух относительно самостоятельных элементов, турбокомпрессорного и силового блоков Турбокомпрессорный блок обеспечивает выработку рабочего тела требуемых параметров, которые в силовом блоке трансформируются во внешнюю (полезную) работу (рис 4.6).

Рис. 4.6. Принципиальная схема однокомпрессорной ГТУ со свободной силовой турбиной

Блок: 1 – турбокомпрессорный; 2 - силовой

Режимная линия характеризуется переменной частотой вращения турбокомпрессорного блока. Поскольку частота вращения ротора турбины слабо влияет на ее пропускную способность, при расчете статических характеристик ГТУ со свободной турбиной обычно пренебрегают влиянием режима ее работы на турбокомпрессорный блок Режимная линия в этом случае идентична для генераторной и приводной ГТУ

Данные равновесных режимов позволяют построить режимную характеристику ГТУ. С уменьшением располагаемой мощности, определяемой параметрами рабочего тела и его расходом на силовую турбину, степень повышения давления и расход воздуха через компрессор понижаются (рис.4.7а). Коэффициент полезного действия турбины компрессора в широком диапазоне изменения располагаемой мощности меняется мало и только в режимах, близких к минимальной нагрузке, заметно понижается. Такой характер изменения объясняется тем, что с падением мощности частота вращения ротора турбокомпрессорного блока уменьшается, а вместе с ней понижается и располагаемый теплоперепад в компрессорной турбине.

Коэффициент полезного действия компрессора меняется значительно больше. При режимах, близких к номинальной нагрузке, может даже возрастать, однако в режимах малой мощности в области пониженной частоты вращения ротора компрессора наблюдается резкое падение КПД компрессора.

С изменением КПД турбины и особенно КПД компрессора связано изменение начальной температуры газа Т₃. В режимах, близких к номинальному, когда и имеют высокие значения, баланс мощности в турбокомпрессорном блоке сопровождается уменьшением температуры Т₃. В зоне существенного падения сначала наблюдается уменьшение темпа понижения Т₃, а затем могут возникнуть условия, при которых баланс мощности турбокомпрессорного блока может быть достигнут только за счет повышения Т₃ (рис. 4.7а). Таким образом, в ГТУ со свободной турбиной опасность перегрева установки возникает в режимах не только перегрузки, но и малой мощности при низкой частоте вращения ротора турбокомпрессорного блока.

Рис. 4.7. Режимная (а) и выходная (б) характеристика однокомпрессорной ГТУ

со свободной силовой турбиной

(G_топ0 > G_топ1 > G_топ2 > G_топ3)

Коэффициент полезного действия установки с уменьшением мощности падает. Однако по сравнению с одновальной установкой относительное понижение КПД здесь значительно меньше.

Важным моментом для рассматриваемой установки является выбор режима минимальной нагрузки. Такой режим выбирают на основании следующих условий:

благоприятное тепловое состояние проточной части турбины, поскольку начальная температура газа в режимах малой нагрузки может возрастать;

качество распыла топлива, так как с уменьшением нагрузки расход топлива падает, а вместе с ним уменьшается и перепад давления топлива на форсунку, который определяет качество распыла;

обеспечение минимального запаса по помпажу компрессора, поскольку с падением нагрузки коэффициент устойчивости компрессора уменьшается.

Выходные характеристики ГТУ представляют собой обычные для турбин зависимости мощности и момента от частоты вращения ротора при постоянном расходе рабочего тела (рис. 4.7б). Каждая точка зависимостей N = f(n) и М = f(n) отвечает тому или иному режиму работы турбокомпрессорного блока, а характер этих зависимостей определяется изменением КПД силовой турбины. Для генераторной ГТУ частота вращения силовой турбины остается при всех нагрузках постоянной, поэтому КПД силовой турбины по мере уменьшения нагрузки падает.

Важной особенностью рассматриваемой ГТУ является неуклонный рост вращающего момента силовой турбины по мере уменьшения частоты вращения выходного вала. Эта внутренняя приспособляемость ГТУ к внешним условиям повышает надежность их эксплуатации.