3.5 Способы регулирования гту

Для ГТУ изменение режима КС связано с изменением мощности, развиваемой ГТУ. Из общей формулы N = g ∙ H видно, что изменение мощности может быть достигнуто путём регулирования расхода рабочего тела g или полезной удельной работы Н. Регулирование мощности ГТУ осуществляется тремя способами:

1) регулирование осуществляется в основном за счёт изменения начальной температуры перед ГТ (путём изменения подачи топлива в КС), изменения удельной работы Н при слабо меняющихся других параметрах (g, π_к степень сжатия компрессора), называется регулированием первого рода или качественным способом регулирования. При этом способе КПД ГТУ претерпевает наибольшее значение изменения.

2) регулирование осуществляется путём одновременного изменения как расхода рабочего тела g, так и Н (удельная работа рабочего тела). Такое регулирование называется регулированием второго рода или смешанным. КПД ГТУ изменяется меньше, чем при качественном регулировании.

3) регулирование осуществляется при помощи изменения расхода рабочего тела при практически неизменяемых температурах. Этот тип называется регулированием третьего рода или количественным, удельная работа и КПД ГТУ меняется незначительно.

Количественное регулирование может быть применено только в замкнутых ГТУ путём пропорционального изменения давления в схеме ГТУ. В ГТУ открытого типа невозможно осуществлять пропорциональное изменение давления во всех точках схемы, так как нижний уровень атмосферного давления (Ра) не может быть изменен произвольно. Поэтому в ГТУ открытого типа при регулировании мощности отношение давлений в ОК непрерывно меняется. В ГТУ открытого типа изменение мощности осуществляется регулированием первого или второго рода, поэтому полезная работа и КПД обычно снижается вместе с понижением нагрузки.

Изменение экономичности ГТУ при частичных нагрузках зависит от того, насколько способ регулирования приближается к количественному.

При качественном способе регулирования происходит резкое изменение удельной работы Н при мало изменяющемся расходе рабочего тела g, в этом случае следует ожидать значительного снижения КПД ГТУ при частичных нагрузках. Этот способ регулирования характерен для одновальных ГТУ.

Если способ регулирования достигается при существенном изменении расхода рабочего тела, то Н меняется в меньшей степени, благодаря чему экономичность ГТУ на частичных нагрузках будет более высокой. Регулирование второго рода характерно для установок с разрезным валом.

Вопросы для самопроверки

Какие способы регулирования ГТУ существуют?
В чем заключается регулирование первого рода?
В чем заключается регулирование второго рода?
В чем заключается регулирование третьего рода?
Как обеспечивается экономичность способов регулирования?

3.6 Совмещенная характеристика ок и гт (одновальная)

Характеристикой ОК является связь между КПД ОК, приведенной частотой вращения ротора, приведенным расходом и степенью сжатия компрессора на режимах частичных нагрузок. Характеристика ОК является универсальной.

Сплошные утолщенные кривые соответствуют постоянным приведенным частотам вращения ротора. Постоянному КПД соответствуют тонкие линии.

С увеличением частоты вращения ротора растет q – расход воздуха.

При этом степень сжатия равна номинальной, а приведенная частота вращения равна 1.

ОК проектируют так, чтобы на номинальных режимах работы КПД был максимальным. С уменьшением расхода воздуха при постоянной степени сжатия изменяются углы натекания потока воздуха на лопатки. При чрезмерном увеличении углов натекания, поток отрывается от лопаток и возникает его срыв, который захватывает несколько лопаток. Зона срыва перемещается по окружности рабочего колеса со скоростью 0,5-0,7 окружной скорости. При этом могут происходить также полные срывы потока, которые захватывают все лопатки, работа компрессора становится неустойчивой. Если для каждой _к определить q, при котором рабочий компрессор становиться неустойчивым, то на универсальной характеристике можно построить кривую, которая будет называться границей помпажа.

При неустойчивом режиме работы в компрессоре резко изменяется q и P. Эти изменения происходят переодически и являются самоподдерживающимися (автоколебательными). Автоколебательный процесс в тракте ГТУ называется помпажом. Работа в режиме помпажа недопустима, так как может вызвать поломку лопаток или другие последствия, которые могут привести к аварии. Для того чтобы вывести компрессор из помпажа, необходимо увеличить q. С этой целью предусмотрены противопомпажные клапана в области средних степеней осевого компрессора. Помимо противопомпажных клапанов для предусмотрения помпажа применяются поворотные лопатки, которые устанавливаются перед первой ступенью компрессора. Эти лопатки позволяют изменить q через ОК без срыва потока на рабочих лопатках.

Совмещенная характеристика ОК и ГТ (рис. 35-37) представляет собой зависимость следующих величин: степени сжатия π, приведенного температурного коэффициента τ, приведенной частоты вращения n и приведенного расхода рабочего тела q.

К системе ГТУ ГТ следует рассматривать как сеть, на которой работают компрессоры. Особенностью такой сети является то, что ее сопротивление не только в связи с изменением расхода рабочего тела, но также зависит от температуры газа перед ГТ и в некоторой степени от ротора ГТ.

Т очку пересечения характеристик ОК и ГТ определяют параметры совместной работы. При приведенной частоте ОК и температурным коэффициентом = 1 режим является номинальным. При снижении температуры ГТ характеристика становится более пологой. Точкам на более пологих характеристиках ГТ соответствует пониженное давление перед ГТ и несколько увеличенный расход воздуха.

При этих условиях происходит уменьшение работы расширения газа в ГТ, одновременно уменьшается работа сжатия в компрессоре, но в меньшей степени, чем работа расширения в ГТ, т. к. последнее снижается не только в связи с понижением τ_m, но и в результате понижения температуры перед ГТ. При дальнейшем снижении подачи топлива наступает момент, когда работа ГТ становится равна работе ОК, при этом полезная работа ГТУ Н_т- Н_к= 0 и установка переходит в режим холостого хода. Для одновальной ГТУ при постоянной n ее рабочая линия совпадает с характеристикой ОК.

Рис. 35. Совмещенная характеристика ОК и ГТ

– приведенная частота вращения; – приведенный расход рабочего

тела; – коэффициент полезного действия; Т_ном – номинальная

температура

Особенностью ГТУ, выполненных по схеме с разрезным валом, заключается в том, что частота вращения ТВД практически независима от частоты вращения ТНД.

Режим работы турбокомпрессора (ОК+ТВД) в этой схеме определяется одним параметром подачей топлива в КС. ТВД может оказывать влияние на ТНД только через уменьшение расхода рабочего тела, а это влияние слабое. Так же нагрузки силовой турбины ТНД практически не оказывает влияние на работу ТВД.

Для такой схемы характерно регулирование второго рода.

Изменение температуры перед ТВД, обусловленое балансом соблюдения мощностей, при этом будет не такое значительное, как в одновальной ГТУ при const n.

Режим с пониженной мощностью будет характеризоваться точкой, при которой степень сжатия, температура и расход будут ниже.

Рабочая линия ГТУ с разрезным валом (рис. 37) не совпадает с характеристикой ОК. Вследствие одновременного снижения температуры перед ГТ и степени сжатия ОК, КПД ГТУ с разрезным валом на частичных режимах будет иметь более высокое значение.