6.3. Регулирование температуры газа

Вторым основным параметром, характеризующим режим работы газотурбинной установки, является температура газа перед турбиной. С точки зрения экономичности цикла (обеспечения высокого термического к.п.д.) целесообразно, чтобы турбина работала при максимально возможных температурах газа, а с точки зрения прочности и долговечности ГТУ необходимо, чтобы температура рабочего газа не превышала допустимого предела. Исходя из этих условий, температура газа перед турбиной на установившемся номинальном режиме должна поддерживаться с точностью до 1%, а на переходном режиме кратковременные забросы ее не должны превышать 1,5—2,0%'.

Температура газов перед турбиной в различных точках поперечного сечения потока отличается на значительную величину, достигающую 10%, поэтому для получения среднемассового или расчетного значения необходимо измерять температуру газа в нескольких точках и брать среднее значение ее. После прохода газа через проточную часть турбины он перемешивается и температурная неравномерность потока уменьшается, а так как отношение средней температуры газов перед и после турбины, даже при изменении режима работы в широком диапазоне, близко к постоянной величине, то наряду с установкой измерительных приборов перед турбиной их часто устанавливают и за турбиной.

В качестве чувствительных элементов (измерительных приборов) в САР температуры применяют термопары, дилатометрические либо манометрические датчики.

Так как чувствительные приборы этого типа обладают существенной инерционностью (постоянная времени 3—5 с), то на неустановившихся режимах могут возникнуть значительные погрешности. Для уменьшения этих динамических погрешностей в регуляторах температуры газа применяют различные компенсационные устройства. Один из возможных способов компенсации тепловой инерционности термопары показан на рис. 80. При такой схеме соединения сигнал от измерительного элемента суммируется с его производной, умноженной на постоянную времени, в результате чего можно получить сигнал, соответствующий действительному значению мгновенной температуры (t_д — действительная мгновенная температура газа; t_и — выходной сигнал термопары; Т — постоянная времени термопары — 3-5 с).

Рис. 80. Схема устройства для компенсации динамической погрешности

в регуляторе температуры

Одна из возможных схем САР температуры газа и частоты вращения ГТУ приведена на рис. 81. Изображенная схема работает по ограничительному принципу и обеспечивает стабилизацию температуры газа и частоты вращения на режиме, близком к номинальному.

Рис. 81. Схема САР температуры газа и частоты вращения ротора ГТУ

Чувствительным элементом температуры служит термобаллон 7, а частоты вращения — механический регулятор 2.

При превышении температуры газа выше допустимого значения трубка терморегулятора 4 отжимает рычаг 5, который открывает клапан 6, перепускающий часть топлива, поступающего к форсунке 8, на слив в цистерну 9.

При увеличении частоты вращения отжимается рычаг 1, открывается клапан 3 и также перепускается часть топлива на слив. Рассмотренные способы регулирования (n=const или G=const) в достаточной степени обеспечивают стабильную работу ГТУ при установившихся режимах. В то же время каждый из этих способов обладает определенными недостатками при работе ГТУ в переходных либо переменных режимах.

На работу судовой ГТУ существенное влияние оказывают параметры наружного воздуха и топлива, причем это влияние будет сказываться различно в зависимости от того, что стабилизируется системой автоматического регулирования — частота вращения ротора или подача топлива.

В системах со стабилизацией частоты вращения (n = const) при повышении температуры наружного воздуха количество воздуха, подаваемого в камеру сгорания, а следовательно, и количество газов, поступающих в турбину, уменьшатся, мощность турбины и ее частота вращения снизятся, регулятор частоты вращения увеличит подачу топлива в камеру сгорания и повысит тем самым температуру газов, поступающих в ТВД. В этом случае при работе турбины на режимах, близких к номинальным, температура газов может превысить допустимую по условиям прочности.

При регулировании расхода топлива невозможно с необходимой точностью поддерживать на заданном уровне такие основные параметры, как частота вращения и температура газов, поэтому регулирование расхода топлива является косвенным методом регулирования.

При этом способе регулирования изменение температуры наружного воздуха будет оказывать значительно более слабое влияние на изменение температуры газов, зато изменение калорийности топлива при изменении фракционного состава или обводнении его резко скажется на изменении температуры газа и мощности турбины.

Кроме того, при косвенном регулировании система не реагирует на изменение вязкости топлива, закоксование форсунок и другие эксплуатационные условия.

В связи с этим в системы автоматического регулирования частоты вращения (или расхода топлива) газотурбинных установок в обязательном порядке включают дополнительные защитные устройства.