Глава 3. Эксплуатация судовых газотурбинных энергетических установок

3.1. Пуск в действие

Пуск ГТУ представляет собой неустановившийся процесс вывода на режим холостого хода, т.е. минимальный режим устойчивой рабо­ты. Он состоит из сочетания сложных явлений, происходящих в ос­новных элементах ГТУ (компрессорах, камере сгорания, турбинах). Устойчивость и безотказность пуска при любых эксплуатационных условиях - одно из основных требований, предъявляемых к ГТУ. Однако, несмотря на надежность и апробированность систем, гаранти­рующих выполнение этого требования, в период пуска ГТУ, под воздействием различных эксплуатационных факторов возможно наруше­ние его нормального протекания и даже срыв.

В период пуска ГТУ происходит изменение моментов, развивае­мых стартером и турбиной, а также общего момента сопротивления системы ТК блока. Его основные этапы приведены на рис.3.1 [11].

Этапы запуска гту

Рис 3.1. (1 - момент стартера М_ст; 2 - момент турбины М_т; 3 –суммарный момент стартера и турбины М_ст + М_т; 4 - общий момент сопротивления ТК блока М_ст + М_т ; I,II,III - этапы запуска).

На первом этапе происходит раскрутка ТК блока с помощью стартера до частоты вращения n₁, соответствующей началу пос­тупления в камеру сгорания воздуха и осуществлению процесса вос­пламенения в ней.

На втором этапе (от n₁ до n₂) продолжается раскрутка ТК блока, но уже при совместной работе стартера и турбины. После достижения ТК частоты вращения n₂, когда мощность турбины становится достаточной для его дальнейшей раскрутки, стартер отключается.

На последнем этапе (от n₂ до n_xx) продолжается увеличение мощности турбины и выход ГТУ на режим холостого хода.

Рассмотрим процессы, происходящие в элементах ГТУ, в период ее пуска от n= 0, до n=n_xx.

Потребная для работы компрессора мощность определяется его параметрами: КПД (η_к), производительностью (G_к) и величи­ной перепада тепла, характеризующего достигнутую степень повыше­ния давления при определенной температуре наружного воздуха. Ха­рактер изменения некоторых из них от частоты вращения в период пуска ГТУ представлен на рис.3.2.

Характер изменения параметров работы компрессора при запуске ГТУ

Рис.3.2. (1 - степень повышения давления π_к ; 2 - произ­водительность G_к; 3 - потребляемая мощность N_e^k; I - начало горения топлива; II - отключение стартера; III - частота вращения холостого хода).

Мощность, развиваемая турбиной ТК блока, также определяется параметрами: температурой газов на входе, их степенью расширения и расходом. Характер изменения некоторых из них в зависимости от частоты вращения при запуске корабельной ГТУ представлен на рис.3.3.

Характер изменения параметров работы турбины при запуске корабельной ГТУ

Рис.3.3. (1 - температура газов перед турбиной Т₃; 2 - степень расширения газа е ; 3 – мощность турбины N_е^T ; I - начало горения топлива; II - отключение стартера; III - частота вращения холостого хода).

Характер изменения параметров работы ГТУ-20 транспортного судна при ее запуске приведен на рис.3.4 [15].

Осциллограмма запуска ГТУ-20

Рис.3.4 (1 - число оборотов ТКВД n₁; 2 - температура газа перед ТВД T₁; 3 - число оборотов ТКНД n₂; 4 - давление топлива перед форсунками Р_T; _____ из холодного состояния; _ _ _ _ _ из прогретого состояния; I - включение зажигания и подача топлива; II - отклю­чение зажигания; III - страгивание ТКНД; IV – отключение стартера).

В общем случае процесс запуска ГТУ можно разбить на следующие этапы: страгивание, холодный разгон и подача топлива.

Для страгивания ТК блока к нему с помощью стартера подводится энергия, обеспечивающая преодоление сопротивления всей системы и ускорение ротора. При этом крутящий момент стартера должен быть не менее, чем в 1,5-2,0 раза больше момента страгивания, определяемого по формуле:

М_стр=ξ*Р*r, (3.1)

где Р - вес ротора ТК; r - радиус подшипника, ξ = 0,3 - коэф­фициент трения покоя.

Величина указанного запаса обуславливается изменением момен­та страгивания в зависимости от времени стоянок, количества вскрытий, ремонтов и др.

На этапе холодного разгона необходимо принимать во внимание следующее обстоятельство: момент сопротивления ТК до подачи топ­лива в камеру сгорания для ГТД различ­ного класса может быть принят, равным моменту сопротивления компрессора, т.к. момент сопротивления турбины в это период пренеб­режимо мал. Для определения момента сопротивления ТК при В = 0, т.е. в области небольшого сжатия воздуха, может быть использована формула:

М/М₀ ≈ (n/n₀)² , (3.2)

где М₀, n₀ - момент и частота вращения ТК на основном расчетном режиме.

При подаче топлива необходимо руководствоваться следующим. Продолжительность запуска ГТУ определяется временем подачи топлива и чем раньше оно будет подано, тем меньше время запуска. При экстренном запуске вводится ряд ограничений. Для обеспечения устойчивого горения в камере сгорания минимальное число оборотов компрессора должно составлять 10-20 % от значения полного хода. Удовлетвори­тельный распыл топлива должен быть обеспечен при его минимальном расходе через форсунки. Применительно к форсункам с механическим распылом эта величина обычно составляет 10-20 % от расхода на полном ходу, а с воздушным распылом она может быть снижена до 5-10 %. При выборе числа оборотов и количества топлива в момент подачи необходимо учитывать, что из-за неудовлетворительного рас­пыла, низкой скорости и температуры воздуха его значительная часть может не сгореть вообще или будет догорать в проточной части тур­бин. Поэтому КПД камеры сгорания в этот период падает до 60-70 % (вместо 97-98 % на полном ходу).

Приведенные цифры являются ориентировочными, т.к. рабочий процесс камер сгорания в пусковом режиме существенно зависит от типа камеры, форсунок и системы подачи топлива и в отдельных слу­чаях может выходить за указанные пределы. Исходя из условий надеж­ности запуска, число оборотов и расход топлива в момент его подачи должны быть не менее 20 % от их значений на режиме полного ПХ. В условиях нормальной эксплуатации указанные ограничения отсут­ствуют. Например, в ГТУ-20 топливо подается после выхода ТК на холодный установившийся режим.

Для осуществления пуска судовых ГТУ находят применение три вида стартера (электродвигатели постоянного и переменного тока, паровая турбина), каждому из которых присущи свои особен­ности. Так, электродвигатель постоянного тока обладает хорошей моментной характеристикой, допускает регулирование режима прос­тейшими способами (например, изменением напряжения в обмотке возбуждения), однако имеет большие габариты и для своей работы требует наличие выпрямителя.

Электродвигатель переменного тока обладает теоретически наилучшей моментной характеристикой ( _ст = f(n)). В то же время обычные малогабаритные двигатели (с короткозамкнутым ротором) допускают работу при пониженной скорости вращения только в течение нескольких секунд из-за многократной перегрузки по току, что для запуска ГТД неприемлемо, т.к. раскрутка ТК из-за его инер­ции обычно занимает несколько минут. Применение регулируемых двигателей (например, с фазным ротором) нерационально из-за увели­ченных габаритов и сложности системы регулирования. Поэтому для запуска ГТУ наиболее целесообразным является электродвигатель переменного тока в сочетании с гидротрансформатором. Такой комп­лекс представляет собой электрогидравлическое пусковое устройство. Наилучшей пусковой характеристикой обладает паровая турбина, т.к. она развивает большую мощность при предельно малых габаритах. Ее применение ограничивается необходимостью наличия пара, а это ставит запуск ГТД в зависимость от работы паровых котлов.

Мощность стартера составляет 2-4 % от мощности ГТД.

При выборе времени запуска определяющим является вес ГТД. Например, в легких ГТД, благодаря малой массе деталей, не возни­кает опасность недопустимых температурных напряжений, кораблений и т.п., связанных с его быстрым нагревом при запуске. В этом случае запуск определяется временем разгона ротора. В тяжелых ГТД, наоборот, вследствие массивности их деталей необходим постепенный и длительный прогрев. Время выхода из холодного неподвиж­ного состояния на режим холостого хода в большинстве случаев составляет 10 мин, а на режим полного хода - (20-30) мин; из горячего состояния - соответственно (4-6) мин и (6-8) мин. Экстренный запуск в 3-4 раза быстрее нормального запуска ГТД.

Учитывая, что надежность запуска ГТД в действие определяется моментом сопротивления раскручиваемого ТК, поэтому при его работе в таком режиме необходимо создать условия для уменьшения величины сопротивления и увеличения вращающего момента. В зависимости от типа ГТД для этих целей используют различные способы. В ГТД прос­тейшей схемы для улучшения пусковой характеристики уменьшают нагрузку на выходном валу, например, путем постановки на нулевой шаг лопасти ВРШ, отсоединения ГТД от гребного винта и т.п. В ГТД со свободной пропульсивной турбиной уменьшают сопротивление за турбиной компрессора, например, путем вытравливания газа на ее входе или раскрытием сечения поворотом сопловых аппаратов.

Для ГТД с двумя компрессорами имеются свои особенности. В начальный период запуска ТКНД неподвижен, т.к. момента, разви­ваемого его турбиной, не хватает для страгивания. В этот период помимо потери на выхлопе турбины раскручиваемого ТК (как и в схе­ме со свободной турбиной), добавляется потеря от прососа воздуха через неподвижный КНД, которая по опытным данным равна:

ΔР_пр = кz(G/G₀)², (3.3)

где z - число ступеней компрессора; G - количество просасывае­мого воздуха; G₀ - номинальная производительность компрессора; к≈1.

Из формулы (3.3) видно, что даже при малых расходах воздуха

компрессор представляет собой существенное сопротивление, сле­довательно, для улучшения пусковой характеристики ГТД следует либо с помощью специального пускового устройства заранее страги­вать ТКНД, либо уменьшать потери путем введения дополнительного воздушного тракта в обвод КНД.

Наиболее распространенной причиной повышения момента сопротивления при запуске является помпаж компрессора, приводящий к резкому снижению его КПД. В этом случае рациональным способом улучшения пусковой характеристики является вытравливание в атмос­феру небольшого количества воздуха из компрессора. Возникающие при этом потери будут значительно меньше по сравнению с выигры­шем от увеличения КПД компрессора в процессе его выхода из помпажа. Например, в ГТУ-20 компрессор при работе во время запуска в зоне помпажа имеет КПД около 65 %, а при выходе из помпажа - около 85 %, т.е. КПД увеличивается более чем на 20 %. Количест­во же воздуха, вытравливаемое для выхода из помпажа, составляет менее 10 %.

На запуск ГТД оказывает влияние его тепловое состояние. Нап­ример, запустить ГТД из прогретого состояния легче, чем из холод­ного. Это связано с уменьшением радиальных зазоров турбин и комп­рессоров, и соответствующим увеличением их КПД.

Как указывалось выше, при запуске ГТУ в действие в ее основных элементах происходят специфические процессы. Их сущность излага­ется ниже.

КАМЕРА СГОРАНИЯ. В этом элементе в конце первого этапа запуска при достижении ТК блоком частоты вращения n₁ (рис.3.1) происходит зажигание топлива. Для обеспечения ее надежного нача­ла и устойчивой последующей работы необходимы эффективные дейст­вия воспламеняющего устройства, хорошее смесеобразование и ор­ганизация горения.

В качестве воспламеняющих устройств наибольшее распростране­ние получили пусковые воспламенители, состоящие из пусковых фор­сунок и устройств, обеспечивающих необходимое формирование огне­вого факела. Их пусковые качества в основном обусловлены расходом топлива. В камерах сгорания, имеющих пусковые воспламенители, по­дается в 1,5 раза больше топлива, чем без них.

Устойчивость работы пускового воспламенителя определяется скоростью воздушного потока на входе в диффузор камеры сгорания и коэффициентом избытка воздуха в нем, а эффективность работы - температурой, глубиной проникновения факела внутрь жаровой трубы и местом расположения. Значения этих параметров взаимосвя­заны с составом смеси в воспламенителе и совершенством рабочего процесса.

После поджигания топливо-воздушной смеси происходит расп­ространение пламени по всему объему жаровой трубы камеры сгорания. Факторами, определяющими его характер, являются отношение количест­ва тепла, выделившегося в начальном сферическом объеме смеси, где происходит электрический разряд, к количеству отводимого тепла. Зависимость здесь такова: чем больше это отношение, тем лучше происходит распространение пламени.

В последующий период горения начинает возрастать давление в камере сгорания, в результате чего происходит переброс пламени через специальные патрубки в остальные холодные ее объемы и под­жигание в них топливо-воздушной смеси.

Надежность распространения пламени по всему объему камеры сгорания зависит от геометрических размеров и кинетической энер­гии выходящего факела, определяющих его воспламеняющую способ­ность, а также от характеристик смеси в циркуляционных зонах хо­лодных жаровых труб.

Геометрические размеры поджигающего факела при постоянном перепаде давлений между жаровыми трубами обусловлены только вели­чиной проходного сечения пламеперебрасывающего патрубка.

Устойчивое воспламенение смеси в камере сгорания возможно лишь при проникновении огневого факела в зону обратных токов цир­куляционной области. Если этого не произойдет и топливовоздушная смесь будет поджигаться на периферии жаровой трубы, стабильного горения смеси во всем объеме жаровой трубы не образуется, т.к. пламя постоянно будет сноситься потоком, движущимся с большой скоростью в зоне прямых токов.

Условия воспламенения смеси и пламеобразование во всем объе­ме жаровой трубы непосредственно зависят от состава горючей смеси и качества ее образования. Горение происходит при вполне опреде­ленных соотношениях паров топлива и воздуха.

Время подготовки смеси связано со скоростью испарения топ­лива. Оно определяет возможности сгорания смеси в пределах жаро­вой трубы. Интенсивность испарения топлива непосредственно зави­сит от степени его распыла (величины капелек) и усиливается с уменьшением их размеров.

При попадании огневого факела в зону обратных токов происхо­дит интенсивное испарение капель топлива и его воспламенение с распространением процесса воспламенения и на зону прямых токов. Устанавливается стабильный процесс горения, при котором горение смеси в зоне прямых токов постоянно поддерживается очагом пламени в зоне обратных токов. После этого отключаются пусковые воспла­менители.

Пусковые возможности камеры сгорания характеризуются ее пус­ковой характеристикой. Она определяет область воспламенения и ее границы, а также максимально допустимые значения скорости потока и коэффициента избытка воздуха.

КОМПРЕССОР. Для ускорения вывода ГТУ на режим холостого хода необходимо иметь температуру газа перед турбиной максимально до­пустимой. Однако препятствием этому является предел устойчивой работы компрессора.

Известно, что область такой работы осевого компрессора при низкой частоте вращения существенно сужена. Кроме того, при ин­тенсивном возрастании температуры газов перед турбиной заметно увеличивается сопротивление газовоздушного тракта ТК и, как след­ствие, снижается производительность компрессора. Его степень по­вышения давления в области малых оборотов возрастает медленно. В конечном итоге происходит уменьшение осевой скорости воздушно­го потока, увеличение угла атаки обтекания лопаток и возможен срыв потока. Компрессор будет работать неустойчиво (помпажировать), в результате чего начнется колебание давления воздуха на выходе, снизится его производительность и возникнет вибрация. Все это отразится на работе турбины. При падении давления за компрессором нарушится установившаяся работа камеры сгорания и догорание газов будет происходить уже за турбиной. При сниженном давлении на входе и возросшем противодавлении на выходе существенно уменьшит­ся тепловой перепад, срабатываемый турбиной и, как следствие, про­изойдет снижение интенсивности роста частоты вращения ТК блока. В таких условиях возможны "зависание" частоты вращения и срыв запуска ГТУ. Во избежание этого, величина критерия устойчивости компрессора против помпажа должна быть К_у >1,1. При значениях К_у > 1,1 (очень малых запасах устойчивости) требуется корректи­ровка подачи топлива на запуске вручную.

Характеристика компрессора при работе его на пусковых режи­мах приведена на рис.3.5 [11].

Видно, что при запуске рабочая линия компрессора заметно смещается в сторону к границе устойчивости по сравнению с рабо­той на установившихся режимах.

На некоторых ГТУ допускается выход рабочей линии компрессора за границу устойчивой работы на первом этапе запуска, т.к. в этот период топливо в камеру сгорания не подается, а поэтому серьезной опасности ГТУ не подвергается. В противном случае (по каким-то причинам произойдет подача топлива в камеру сгорания) ГТУ попадет в помпаж и возможен пожог лопаток турбины.