16.Нсустойчивые режимы работы гту. Основные признаки и

последствия. На каких режимах она возникает. Причины неустойчивой

работы.

3.4. Неустойчивые режимы

При работе ГТУ на таких режимах наблюдаются колебания пара­метров газовоздушного потока, возникновение повышенной вибрации, резкий рост температуры газа перед турбиной, появление звуковых толчков на газовыпуске, начинается процесс вибрационного горения. Последствиями такой работы ГТУ могут быть самопроизвольная ее остановка, отрыв лопаток компрессоров и турбин, а также крепежа, разрушение топливных и масляных трубопроводов и др.

Неустойчивая работа ГТУ может возникнуть как на установивших­ся, так и на переменных режимах, но чаще всего при пуске и остановке (разгоне или сбросе частоты вращения).

Основной причиной неустойчивой работы ГТУ является срыв процессов, происходящих в ее узлах (входных устройствах, компрес­сорах, турбинах, камерах сгорания, газовыпускных устройствах). Превалирующее значение имеет компрессор. Это обусловлено особен­ностями его рабочих характеристик, тесной взаимосвязью с турби­ной, крайне острой чувствительностью к любым отклонениям от опти­мальных условий обтекания проточной части.

17.Неустойчивый режим работы компрессора, когда он возникает и чем сопровождается? Основные причины и их анализ. Нормальная и срывная характеристики, чем они обусловлены? Коэффициент запаса устойчивости. Основная формула.

Неустойчивый режим работы компрессора (помпаж) может воз­никнуть при уменьшении объемного расхода воздуха ниже допустимых значений для данных условий. Он сопровождается резкими колебания­ми давления воздуха, интенсивной пульсацией его потока, значительным усилением шума, носящим вибрирующий характер, появлением значительных хлопков и ударов, сильной вибрацией и тряской, рос­том температуры воздуха перед компрессором, падением его производительности и КПД. Указанные явления имеют прогрессирующий харак­тер и в конечном итоге могут привести к разрушению компрессора. Поэтому его работа в режиме помпажа нежелательна.

При нормальном режиме работы компрессора наблюдается слабая пульсация потока воздуха с малой амплитудой и большой частотой. С приближением к границе помпажа эти явления усиливаются и стано­вятся более очерченными.

На режиме помпажа наблюдаются резкие колебания давления и скорости потока воздуха с большой амплитудой и малой частотой. При этом величина среднего давления за компрессором резко падает по сравнению с беспомпажным режимом работы.

Возникновение помпажа в компрессоре связано с образованием в отдельных элементах его проточной части срывных течений воздуха сильной интенсивности.

Установлено, что компрессор при каждой частоте вращения имеет как бы две характеристики: одна соответствует нормальному режиму работы, а вторая - режиму срыва (рис.3.14 [11]).

К вопросу определения разрыва напорной характеристики компрессора при работе в помпажном режиме

Рис.3.14. (1 – нормальная характеристика; 2 – срывная характеристика).

Во время помпажа работа компрессора носит автоколебательный характер, периодически переходя с характеристики нормального ре­жима на срывную и обратно. В связи с некоторым запаздыванием пере­хода с характеристики срыва на нормальную процесс возврата идет с несколько большим расходом воздуха, вследствие чего образуется так называемая петля гистерезиса aba’b’(рис.3.14).

Наличие двух рабочих характеристик объясняется двумя форма­ми течения воздуха в компрессоре: безотрывной и полного срыва.

Срывные течения воздуха в компрессоре обусловлены отклонением его режима работы от оптимального, при этом возможны случаи увели­чения и уменьшения расхода воздуха по сравнению с расчетными.

С повышением расхода воздуха и данных частотах вращения угол входа потока на лопатки увеличивается, а угол атаки при этом принимает отрицательные значения, вследствие чего происходит пе­реориентация движения потока относительно профилей лопаток. Он начинает набегать на выпуклые части профилей и вызывает срыв потока со стороны вогнутых частей.

С понижением расхода воздуха при данных частотах вращения угол входа потока на лопатки, наоборот, уменьшается, а угол атаки принимает большие положительные значения. При этом поток воздуха начинает набегать на вогнутую часть профиля лопатки и вызывает срыв с выпуклой поверхности лопатки, причем в этом случае созда­ются более благоприятные условия для развития явлений срыва.

Указанный выше механизм образования явлений срыва идентичен как для рабочих лопаток, так и для лопаток спрямляющих аппаратов. Однако для разных типов осевых компрессоров развитие срывных явлений имеет свои особенности. Например, у компрессоров с длин­ными лопатками при малых относительных диаметрах втулок в первый период участки срывов формируются только на части лопатки. С дальнейшим уменьшением расхода воздуха происходит увеличение этих участков. При таком образовании зон срыва напорные характеристики ступени не имеют резких разрывов и поэтому переход с нормаль­ной характеристики на характеристику срыва идет равномерно.

При работе компрессоров с короткими лопатками при больших относительных диаметрах втулок уменьшение расхода воздуха вызы­вает примерно одинаковые изменения угла атаки набегающего потока по всей высоте лопатки. Это приводит к образованию зоны срыва на всей длине лопатки, что объясняет резко выраженный разрыв напор­ных характеристик.

Возникновение зон срыва приводит к уменьшению площади проход­ных межлопаточных каналов, что вынуждает воздух растекаться по соседним каналам лопаток, работающих в нормальном режиме. Это приводит к изменению у них угла атаки набегающего потока. Справа от зоны срыва углы атаки лопаток уменьшаются, что препятствует распространению срыва в этом направлении. Слева от зоны срыва уг­лы атаки лопаток увеличиваются, тем самым, облегчая распростране­ние срыва. В результате этого зона срыва все время перемещается в сторону, противоположную вращению ротора, со скоростью примерно в два раза меньшей скорости вращения ротора. В абсолютном движе­нии вращение зон срыва представляется по ходу ротора с соответ­ствующим отставанием.

При полном переходе на характеристику срыва компрессор снова начинает работать устойчиво, но при значительно меньшем напоре. Переход с одной характеристики на другую происходит скачкообразно.

Возникновение помпажа при работе компрессора на характерис­тиках срыва происходит в зависимости от влияния на его работу взаимосвязанных с ним систем - воздухоподводящих и находящихся за компрессором. Характер их работы в каждом отдельном случае определяет возможность и условия возникновения помпажа.

Эксплуатационные причины, вызывающие помпаж компрессоров, можно разделить на четыре группы [11]: искажение аэродинамических качеств проточной части и воздухоподводящих устройств; ненормальная работа антипомпажных устройств; неисправности работы топливо-регулирующей аппаратуры.

Первая группа причин связана с изменением геометрии элемен­тов проточной части компрессоров, которые происходят в результате эрозионного воздействия на них твердых частиц, коррозии и загрязне­ния их солями морской воды и продуктами неполного сгорания отра­ботавших газов.

Вторая группа включает изменения геометрии воздухозаборных и входных устройств компрессоров. Это связано с неточным сочлене­нием элементов воздухопроводов, эксплуатационными нарушениями их внутренней облицовки, появлением шероховатостей и выпучиваний, отставания листов обшивки. Возможны случаи затеснения воздухоза­борных устройств из-за обмерзания защитных сеток, затягивания внутрь чехлов, разрушения листов их обшивки и др.

Третья группа связана с неисправной работой ленты перепуска воздуха из компрессора. Возможны случаи ее обрыва, а также несво­евременного открытия или закрытия из-за неисправной работы центро­бежного датчика частоты вращения или механизма управления ею.

Результатом действия причин четвертой группы является наруше­ние установленных программ темпа запуска и набора частоты враще­ния ГТУ. Например, внезапная подача большого количества топлива в камеру сгорания приводит к резкому увеличению сопротивления газовоздушного тракта и искажению характера течения воздуха в комп­рессоре, и кроме помпажа вызвать пожог лопаток турбины.

Для оценки устойчивости компрессора против помпажа использу­ется коэффициент запаса по помпажу или коэффициент запаса устойчи­вости компрессора против помпажа:

Ку=(π*кn G*р)/(π*кр G*n) = √(T*3n/T*3p), (3.4)

где π*кn и π*кр - степени повышения давления; G*р и G*n - расхо­ды воздуха; T*3n и T*3p - температуры газа перед турбиной; индексы (n) и (р) соответственно обозначают границу помпажа и рабо­чую линию.

Устойчивость компрессора против помпажа определяется место­расположением линии рабочих режимов на его характеристике. Чем ближе она проходит от линии помпажа, тем меньше запас устойчивос­ти при данных конкретных условиях. На практике эта величина опре­деляется по приведенной частоте вращения, характеризующей границу

18.Загрязнение проточных частей элементов ГТУ. В чем оно выражается? Характер загрязнения по длине проточной части турбины и компрессоров. Основные причины загрязнения. последствия загрязнения. Факторы, влияющие на интенсивность загрязнения.

Оно выражается в виде налипания на лопатки спрямляющих, направляющих и сопловых аппаратов, а также рабочие лопатки комби­нированных отложений солей, масла, сажи, пыли, которые, перемеши­ваясь, образуют плотную маслянистую темную массу или нагар. Из них преобладающими являются соли морской воды, составляющие до 80 % отложений.

В процессе эксплуатации ГТУ наибольшему загрязнению подверга­ется проточная часть компрессоров. Это связано со сложностью их конфигурации и относительно малыми зазорами.

Характер загрязнения по длине проточной части неодинаков. Первые ступени компрессоров загрязняются меньше благодаря происхо­дящей самоотмывке их влагой, выделяющейся из воздуха. По мере дви­жения по проточной части вследствие увеличения температуры возду­ха и испарения влаги степень загрязнения облопатывания возраста­ет.

При наличии масляных паров и пленки на деталях проточной части компрессоров процесс отложений интенсифицируется. Попадание масла в компрессор является следствием малой эффективности рабо­ты лабиринтовых уплотнений на режимах пониженной мощности из-за недостаточного подпора воздуха, а также возможных неисправностей и износа. В этом случае загрязнение представляет собой образование масляных суспензий, имеющих свойство вязко-пластичного тела. Они формируются вследствие перемешивания масла, солей морской воды, пыли, частиц, продуктов неполного сгорания отработавших газов и др. Их вязкость превышает вязкость чистого масла в 150-200 раз, что способствует образованию плотных отложений на деталях проточной части [16] .

Факторы, влияющие на интенсивность и характер загрязнения проточных частей ГТУ вообще, можно разделить на две группы: кон­структивные и эксплуатационные.

Снижение влияния конструктивных факторов можно достигнуть путем рационального расположения воздухозаборных шахт, использо­вания фильтров, сепараторов и др.

Эксплуатационные факторы обусловлены характером использова­ния судна и ГТУ. Они могут быть значительно смягчены за счет пра­вильного выбора курса движения, скорости хода, времени работы ГТУ и обеспечения выполнения необходимых регламентных мероприятий.

Загрязнение проточных частей компрессоров и турбин вызывает ухудшение эксплуатационных показателей работы всей ГТУ. Оно вы­ражается в падении ее мощности вследствие снижения КПД компрессо­ров и турбин. Кроме того, загрязнение приводит к увеличению расхода топлива, роста температуры газов перед турбиной, снижению запаса устойчивости компрессоров против помпажа.

Основной причиной снижения КПД компрессоров и турбин при загрязнении является нарушение аэродинамики обтекания воздухом и газом рабочих элементов их проточных частей. Наиболее чувствительны в этом отношении компрессоры. Турбины в меньшей степени реагируют на нарушение аэродинамики при загрязнении их проточных частей. Это связано с различием протекающих в них процессов.

Загрязнение приводит к изменению профиля рабочих, сопловых и направляющих лопаток вследствие чего увеличиваются профильные потери и коэффициент лобового сопротивления, снижается коэффициент подъемной силы. В конечном итоге, например, у компрессора падает напор отдельных ступеней и всего агрегата, а его рабочая линия смещается к границе неустойчивой работы.

19-Способы борьбы с загрязнением проточных частей элементов ГТУ.

Виды промывочных сред и твердых очистителей. Способы промывки.

Системы защиты проточных частей элементов ГТУ, их состав.

Для борьбы с загрязнением проточных частей ГТУ возможны два пути: использование защитных устройств для воздухозаборников и периодические промывки. В эксплуатационных условиях наиболее эффективен второй способ. В качестве промывочных сред могут при­меняться пар, вода, топливо, специальные растворы и смеси, обла­дающие различной эффективностью очистки. Процесс промывки осущест­вляется с помощью различных устройств, например, состоящих из нескольких распылителей, смонтированных в приемной части комп­рессора и расположенных по окружности, через которые под давле­нием подается промывочная жидкость в его проточную часть.

Применительно к газотурбогенераторам типа "Аллен" промывка проточной части компрессоров осуществлялась путем подачи дистил­лированной воды в приемные воздушные патрубки через каждые 6 ч, что обеспечивало нормальные условия их работы без значительного загрязнения в течение 2000 ч [16].

Системой промывки проточных частей ГТД оборудовались оте­чественные ГТД АИ-20 СПК типа "Буревестник" и ГТД Д-25В СПК типа "Вихрь". Эксплуатация ГТД на СПК "Буревестник" выявила необходи­мость промывки проточной части двигателя специальным раствором через каждые 500 ч работы [15].

При использовании в процессе промывки пара или дистиллиро­ванной воды удаляются только соли морской воды и лишь частично восстанавливаются характеристики компрессоров. В случае комбини­рованного загрязнения, связанного с присутствием масла и промыш­ленных отложений, промывка паром и водой оказывается малоэффек­тивной. Поэтому промывки с использованием пара или воды осуществ­ляются для удаления "засоления" проточных частей и в профилакти­ческих целях. Они проводятся на режимах холодной прокрутки и хо­лостого хода. Допускается промывка и на пониженных мощностях. Возможна промывка и на полной нагрузке, но лишь с частичным восстановлением его характеристик. После окончания промывки де­лается горячий запуск двигателя для просушки проточной части.

Для сильно загрязненных проточных частей ГТУ применяется комбинированная промывка сначала керосином или дизельным топливом, а затем паром или дистиллированной водой в несколько циклов до восстановления первоначальной степени чистоты. В эксплуатационной практике для этих целей использовались растворители типа "Прогресс' МЛ-22, МЛ-6 и др. [16]. Они оказались достаточно эффективны при отмывке отложений и промышленных отходов в компрессорах.

Для очистки проточных частей ГТУ могут быть использованы и твердые очистители. Наибольшее распространение для этих целей получил карбобласт (зернистый порошок, состоящий из размельченных скорлупок грецких орехов и абрикосовых косточек). Его действие очень эффективно. Например, при очистке ГТД "Протей" в проточную часть было введено 6,6 кг карбобласта тремя порциями по 2,2 кг с интервалом в I мин. После введения первой порции частота вра­щения компрессора повысилась на 100 об/мин, а температура газов перед турбиной упала на 32 °С. После второй порции порошка частота вращения компрессора возросла, еще на 100 об/мин, а температура газов снизилась на 5 °С. При вскрытии компрессора его лопатки оказались совершенно чистыми [11]. Некоторые иностранные фирмы рекомендуют ежедневно очищать проточные части компрессоров путем введения в них до 0,2 кг карбобласта.

Применительно к корабельным ГТУ для защиты проточных частей используют различные фильтрующие и дренажные системы, устанавливаемые в воздухозаборных устройствах. Защитные фильтры бывают двух типов: инерционные и сетчатые.

Инерционные фильтры - сепараторы отделяют брызги морской во­ды за счет резкого изменения направления движения воздуха. Они просты и эффективны в работе. При скорости движения воздуха более 19,5 м/с они задерживают около 95 % частиц размером более 5 мкм, при этом потери давления составляют менее 130 Па. Инерционные филь­тры-сепараторы хорошо защищают проточные части ГТУ от попада­ния в них частичек грунта и песка.

В сетчатых фильтрах-сепараторах основным элементом являются специальные сетки, изготовляемые из стали, титана, меди, пласти­ков и др. Толщина фильтрующей сетки может составлять 100-300 мм. Такие фильтры-сепараторы удовлетворительно задерживают различные частицы размером более 5 мкм. Падение давления на них при скорос­тях потока 3-6 м/с составляет от 120 до 750 Па.

В эксплуатационной практике могут быть использованы и электро­статические фильтры различных конструкций. Они обладают высокой защитной эффективностью, но мало надежны и сложны для эксплуата­ции.