книги из ГПНТБ / Переходные процессы в газотурбинных установках

личных значениях к. п. д. турбины и компрессора и температуры газа на номинальном режиме. Из кривых видно, что повышение но­ минального к. п. д. турбокомпрессора и температуры газа улучшает устойчивость ГТУ на всех режимах. Повышение номинальной сте­ пени сжатия выше определенного предела (е0 = 2,5-г-3,5) уменьшает устойчивость на номинальном режиме. При этом граница устой­ чивости может несколько сместиться в зону более низких оборотов, что объясняется некоторым относительным повышением степени

газа, к. п. д. турбокомпрессора или степени сжатия понижают устой­ чивость.

Влияние аккумуляции тепла в камерах сгорания и проточной части турбины. При увеличении (вследствие возмущения) оборотов турбокомпрессора часть саккумулированного в металле камер сго­ рания и турбин тепла передается газу. Это приближает процесс к случаю регулирования при постоянной температуре, т. е. ухудшает устойчивость (см. рис. III.3).

Влияние изменения температуры наружного воздуха. Как известно [40], при изменении температуры наружного воздуха 7\ рабочие точки на характеристике компрессора при частичных нагрузках, а также к. п. д. всех агрегатов ГТУ, отношения температур и другие параметры подобия в этих точках не изменяются. Поэтому в сход­ ственных точках характеристики не изменится и величина устойчи­ вости. Граница устойчивости при различных значениях 7\ будет соответствовать одному и тому же значению приведенных оборотов

п/у 7\. Абсолютное значение оборотов, соответствующих границе устойчивости, с понижением Тг уменьшается. Исключение состав­ ляют блокированные схемы. При наличии дополнительного регули­ рования по температуре наружного воздуха с помощью, например ВРШ в судовой ГТУ, в этих схемах можно в некоторых пределах влиять на устойчивость.

Влияние числа ступеней турбин и некоторых других факторов.

О влиянии на устойчивость таких факторов, как число ступеней тур­ бин, рабочие обороты, изменение гидравлических сопротивлений и др., можно судить по их воздействию на параметры ГТУ при частичных нагрузках [40].

Так, уменьшение числа ступеней ТНД в схеме 1Н понижает тем­ пературу газа и степень сжатия на малых режимах и, следовательно, приводит к некоторому смещению границы устойчивости в зону более высоких оборотов. Уменьшение числа ступеней ТВД на параметры ГТУ в области рабочих режимов практически влияет мало, поэтому влияние его на устойчивость также невелико.

Одной из важнейших характеристик ГТУ, особенно транспорт­ ных, на переходных режимах является приемистость, которая харак­ теризуется временем перехода установки с холостого хода на расчет­ ный режим.

Переход с режима холостого хода на расчетный режим осуще­ ствляется обычно подачей избыточного топлива в камеру сгорания.

сопротивления, вследствие чего обороты ГТУ постепенно увеличи­ ваются до номинальных.

Произвольный во времени закон подачи топлива в камеру сгора­ ния недопустим. В зависимости от схемы ГТУ и положения точки холостого хода на характеристиках компрессоров дополнительная подача топлива в камеру сгорания может привести либо к недопусти­ мому повышению температуры газа перед турбиной, либо к смещению рабочей точки компрессора в область помпажа. Если область допу­ стимых параметров при разгоне ограничить линией помпажа компрес­ сора и предельной температурой газа, то оптимальным будет такой процесс подачи топлива, который проходит вдоль границ помпажа и допустимой температуры газа [76]. Время приемистости при этом будет минимальным для данной области разгона. Так, для схемы 1Н-Р предельную область разгона на характеристике компрессора (рис. IV.4) можно считать заключенной между линией установив­ шихся режимов /, границей помпажа 2 и линией предельной тем­ пературы 3.

Однако чаще всего теоретически можно получить еще меньшее время приемистости, если осуществлять разгон при постоянной пре­ дельной температуре газа (кривая 3), устраняя помпаж открытием противопомпажного клапана. Выигрыш мощности турбины за счет повышения температуры обычно оказывается больше потери мощ­ ности компрессора за счет сброса воздуха. Осуществить такую про­ грамму разгона возможно, естественно, лишь при наличии надежного автоматического противопомпажного устройства (при условии, что возникающие во время разгона температурные градиенты в деталях турбины не вызывают недопустимых пластических деформаций, см. п. 25, 33). Такая программа разгона принята для приведенного ниже сравнительного анализа.

Следует отметить, что допустимая предельная температура газа перед турбиной определяется не только условиями прочности лопа­ ток и дисков турбин вследствие роста механических напряжений и градиентов температур, но и изменением зазоров в проточной части

указанными на рис. IV. 1) буквами О, П, Р обозначается наличие в схеме соответственно промежуточного охлаждения, подогрева и регенерации. При наличии в схеме нескольких промежуточных охла­ ждений и подогревов ставится соответствующее число букв О и П. Например, прямая двухкомпрессорная схема с силовой ТСД, про­ межуточным охлаждением, промежуточным подогревом и регене­ рацией обозначается 2/С-ОПР, а двухвальная перекрестная схема с блокированной ТНД, с промежуточным охлаждением и подогре­ вом — 2ХБН - ОП .

Для расчета переходных процессов были приняты следующие параметры номинального режима: температура за камерами сгора­ ния t3 — t'3 = 800° С, температура воздуха атмосферного и после

Гидравлические потери в схемах учтены соответствующим за­

определялись методом экстраполяции с учетом потерь на сброс воз­ духа через противопомпажный клапан.

Время приемистости во всех случаях, кроме оговоренных особо, определялось при условии поддерживания постоянной предельной температуры газа во время разгона t3 = із = 825° С, что косвенно учитывает влияние аккумуляции тепла в регенераторе, камере сгорания и в проточной части турбины. Задание закона изменения температуры газа перед турбиной вместо закона изменения подачи топлива значительно упрощает расчет и позволяет провести сравни­ тельный анализ характеристик приемистости схем ГТУ при равных условиях.

Для удобства сравнительного анализа была принята одинаковая мощность сравниваемых ГТУ Ne = 7500 кеш, однако по формулам подобия (см. п. 8) можно произвести приведение динамических ха­ рактеристик для любой мощности,

Для исследования были приняты главным образом сравнительно «легкие» варианты ГТУ — высокооборотные, напряженные, с мини­ мальным числом ступеней турбин и компрессоров. Номинальные обороты и моменты инерции роторов (с учетом момента инерции потребителя мощности и других присоединенных масс) определялись из условия равнопрочности различных ГТУ [40], что позволяет провести обоснованное сравнение.

С точки зрения прочности в ГТУ лимитирующими чаще всего являются размеры лопаток первой ступени турбины. Поэтому есте­ ственно сравнивать различные ГТУ с соблюдением условий равно­ прочности, т. е. при одинаковой заторможенной температуре и рав­

подобных треугольников скоростей условие равнопрочности можно выразить следующими уравнениями:

(IV. 1)

J__£o

A z

где

(IV.2)

Dz и DZtt — средние диаметры при числе ступеней z и z0; lz и lZo — длины лопаток; Ьг и bZo — ширины лопаток; е — степень расшире-

как дискретная: приведенная воздушная емкость предполагалась размещенной за регенератором (перед камерой сгорания). Время воздушной емкости, т. е. время, за которое емкость высокого давле­

Необходимо отметить, что полученные динамические характери­ стики различных схем ГТУ справедливы лишь для тех начальных параметров и характеристик турбин и компрессоров, которые при­ няты для исследования. Но поскольку для всех схем приняты оди­ наковые условия сравнения, данный анализ позволяет достаточно обоснованно судить об относительных динамических качествах раз­ личных схем ГТУ. Влияние на динамические характеристики таких

до номинальной осуществляется при постоянных оборотах за счет повышения температуры газа. Это требует дополнительного времени, иногда довольно большого, чтобы избежать недопустимых темпера­ турных напряжений в деталях турбины.

Для схемы 1Б-Р в случае привода винта время приемистости со­ ставляет 10 мин. Большое время приемистости обусловлено сравни­ тельно высокой начальной температурой газа на частичных нагруз­ ках, близкой к температуре газа на номинальном режиме. Поэтому

быточный момент будут малы, а переходный процесс затягивается. Для схемы 1Б время приемистости —8,5 мин.

Время и характеристики разгона судовой ГТУ с ВРШ зависят от осуществляемого в каждом конкретном случае закона изменения шага винта в зависимости от его оборотов и скорости судна. Для определе­ ния времени приемистости этот закон необходимо задать. В настоя­ щем исследовании во всех случаях, кроме оговоренных особо, пред­ полагалось, что для блокированных судовых ГТУ задан такой закон изменения шага винта в период разгона, при котором мощность на винте пропорциональна кубу его оборотов. Это означает, что при малых скоростях судна винт разгоняется при уменьшенном шаге; с повышением скорости судна и оборотов винта последний постепенно затяжеляется, а шаг его увеличивается до номинального значения.

Разгон ГТУ можно намного ускорить, осуществляя его при ВРШ в положении нулевого момента. Однако в этом случае скорость судна останется неизменной во время разгона ГТУ, увеличение скорости судна начнется лишь после перекладки лопастей винта при дости­ жении номинальных оборотов. Все же при таком законе изменения шага винта общее время разгона ГТУ судна обычно меньше, чем при поддержании кубической зависимости между мощностью и оборотами.

Во время разгона ГТУ компрессор до оборотов 0,72 от номиналь­ ных работает в неустойчивой зоне, т. е. с открытым противопомпаж-

даря большой газовой емкости при начальном «набросе» топлива степень сжатия сравнительно плавно повышается от значения при

ротам силовой турбиной, динамические характеристики, как отмеча­ лось, практически одинаковы при любом назначении ГТУ.

Время приемистости для схемы 1Н-Р составляет 2 мин. Баланс­

ниє относительных оборотов роторов во времени показано на рис. IV.6.

Динамические характеристики схем без промежуточного охла­ ждения 2/С и 2/Н аналогичны характеристикам схем 2/С-О и 2/Н-О,

однако несколько более благоприятны в связи с тем, что рабочие линии КНД" на установившихся режимах располагаются для схем без промежуточного охлаждения дальше от границы помпажа. Время приемистости для схем 2/С и 2/Н также несколько меньше.

газа на частичных нагрузках ниже, время приемистости для схемы 2/БН-О, естественно, больше. Кроме того, увеличенная степень 100