книги из ГПНТБ / Переходные процессы в газотурбинных установках

расширения ТНД на номинальном режиме обусловливает малое влияние изменения степени расширения на тепловой перепад в ней, т. е. производная дНт/де мала. Поэтому с увеличением во времени степени расширения тепловой перепад в ТНД растет сравнительно мало.

по причинам, рассмотренным ниже, время приемистости увеличи­ вается до 130 сек, а рабочие точки КНД несколько (но не сильно)

стости для схемы 2/БН-О (время разгона от минимального по оборотам устойчивого холостого хода до номинальных оборотов) сравнительно невелико — порядка 50 сек.

Схемы с двухступенчатым сжатием и сгоранием

Характеристики переходных процессов схем с двухступенчатым сжатием и сгоранием аналогичны характеристикам схем с двухсту­ пенчатым сжатием и одноступенчатым сгоранием.

температура газа на частичных нагрузках ниже (для схем с повтор­ ным подогревом принята программа регулирования на частичных ре­ жимах при равных температурах за камерами сгорания t3 = t3). Оба компрессора при наборе нагрузки работают в устойчивой зоне (рис. IV.7).

С х е м а 2/БН-ОП, работающая на винт, имеет время приеми­ стости 95 сек, т. е. такого же порядка, как и схема 2/БН-О. При на­ личии регенерации у схемы 2/БН-ОПР время приемистости повы­ шается до 125 сек.

При разгоне на малых оборотах КНД схемы 2/БН-ОП в отличие от схемы 2/БН-О подвержен помпажу, что делает необходимым ис­ пользование в ГТУ противопомпажного устройства. Помпаж объяс­ няется более высокой степенью сжатия, принятой на номинальном

Для улучшения приемистости пришлось бы допустить заметное превышение номинальной температуры газа. Компрессоры в схемах 2/БВ-ОП и 2/БВ-ОПР при разгоне работают в зоне устойчивых режимов.

С х е м а ХТГЗ 2 х X БН-ООПР (КНД и КВД — на валу ТВД, а КСД и генератор — на валу ТНД), приводящая генератор перемен-

17. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ПРИЕМИСТОСТЬ ГТУ

Влияние конструктивного исполнения ГТУ: моментов инерции и номинальных оборотов роторов

В зависимости от конструктивного исполнения ГТУ при заданных параметрах цикла моменты инерции и номинальные обороты роторов могут быть самыми различными, что оказывает решающее влияние на приемистость установки.

В установках с одним компрессорным валом или с несколькими компрессорными валами, если моменты инерции и номинальные

но и их соотношение. Это изменение времени роторов можно всегда

для любых произвольно выбранных значений моментов инерции и номинальных оборотов роторов данной схемы ГТУ (с двумя компрес­

для расчетного варианта) величины параметра приемистости вала

видно, что увеличение момента инерции или оборотов одного из ком­ прессорных валов увеличивает приемистость ГТУ, однако время ротора К Н Д влияет на приемистость гораздо сильнее, чем время

меньшей величиной и меньшим влиянием момента инерции вала КВД, который вследствие применения более высокой степени сжа­

пературы газа должна быть ограничена. Детальней этот вопрос рассмотрен в гл. V I I .

Влияние числа ступеней и числа оборотов турбины

Как показано в [40], число ступеней ТНД оказывает существен­ ное влияние на характеристики ГТУ. Применение малоступенчатой ТНД в схемах ГТУ с силовой турбиной низкого или среднего давле­ ния приводит к понижению температуры газа на частичных нагруз­ ках и удалению рабочих точек КНД от границы помпажа. Это улуч­ шает характеристики ГТУ на переходных режимах, уменьшает время приемистости.

Всхемах с расположенной высоко по линии расширения силовой турбиной число ступеней ТНД оказывает обратное влияние. Число ступеней ТВД на характеристики ГТУ в области рабочих режимов влияет мало.

Вустановках для наземного транспорта с механической пере­ дачей на колеса, в судовых установках при оголении винта обороты ГТУ при заданном расходе топлива могут изменяться в широких пределах. Эти изменения, особенно для многоступенчатых турбин активного типа, могут привести к изменению пропускной способ­ ности силовой турбины и параметров всей установки, а следовательно,

кизменению ее характеристик на переходных режимах. Например, для схемы 1Н при многоступенчатой активной сило­

вой ТНД уменьшение ее оборотов вызовет увеличение пропускной способности. При заданном расходе степень расширения Т Н Д умень­ шится, а ТВД — увеличится. Это вызовет снижение температуры и отдалит рабочие точки компрессора от границы помпажа. Время приемистости уменьшится. На максимальном режиме при уменьше­ нии оборотов силовой турбины до нуля рабочая температура газа понизится более чем на 100° С.

Увеличение оборотов приведет к противоположному результату. Эти выводы справедливы и при изменении оборотов силовой Т Н Д для более сложных схем.

Влияние некоторых других факторов

Влияние на характеристики переходных режимов ГТУ таких факторов, как изменение к. п. д. турбины и компрессора при частич­ ных нагрузках, изменения гидравлических сопротивлений, параме­ тров номинального режима также определяется, главным образом, влиянием этих факторов на температуру газа при частичных нагруз­ ках [40].

Влияние температуры атмосферного воздуха

При понижении температуры наружного воздуха от Т10 до Tlt по крайней мере в. ГТУ с независимой силовой турбиной без про­ межуточного охлаждения и подогрева, на установившихся режимах в соответствии с условиями подобия рабочая линия на характери­

смотрена возможность специальной переналадки регулятора приеми­

апредельные набросы топлива определяются, например, оборотами.

Вэтом случае при повышении Тх перерегулирование по степени сжа­ тия компрессоров и температуре газа Т3 будет увеличиваться, что необходимо учитывать.

Влияние газовых емкостей, связанных с наличием регенерации

Если в ГТУ отсутствует регенерация, то воздушные емкости между компрессором и турбиной будут незначительными. Как пока­ зывает опыт, пренебрежение влиянием воздушных емкостей (Rv = 0) в этом случае не отразится на качественной стороне анализа.

газа за камерой сгорания при разгоне единственным существенным аккумулятором, определяющим продолжительность переходного про­ цесса для схем ГТУ без регенерации, будет масса роторов ГТУ. Избыточная работа при набросе топлива будет расходоваться только

время приемистости приведено в табл. IV.2.

При наборе нагрузки в схеме с регенерацией рабочие линии компрессоров несколько сдвигаются в зону устойчивой работы, так как расход через компрессоры больше, чем через турбины, а раз­ ница в расходах идет на уплотнение газа в емкости, связанной с на­ личием регенерации (см. рис. IV.3).

Всхемах ГТУ без регенерации (Rv = 0) резкое увеличение температуры газа перед турбиной сразу же вызывает сокращение расхода и, следовательно, повышение общей степени сжатия. При этом обороты в силу значительной инерционности роторов не успе­ вают существенно увеличиться. Рабочие точки на характеристиках компрессоров при постоянных оборотах резко сместятся в область повышенных степеней сжатия и пониженных расходов, т. е. в сто­ рону границы помпажа.

Всхемах ГТУ с регенерацией, имеющих значительную воздушную емкость между компрессором и турбиной, давление в емкости посте­ пенно увеличивается вместе с оборотами.

Рис. IV. 10. Влияние величины Яу на переходный процесс при разгоне ГТУ для схемы 2/БН-ОР:

линии установившихся режимов, но при Ry = 0, как указывалось выше, имеет место скачкообразное приближение рабочей ' точки к границе помпажа в момент наброса топлива (скачок влево). По мере разгона рабочая линия КНД смещается вправо, пересекает линию установившихся режимов и в дальнейшем проходит справа от нее.

разгона рабочие линии располагаются либо слева, либо справа от линии установившихся режимов (правее для больших значений Rv).

Таким образом, газовоздушная емкость при разгоне ГТУ увели­ чивает время приемистости, но одновременно удаляет рабочие линии

Однако, если в расчете исходным является заданный закон по­ дачи топлива, тепловая аккумуляция регенератора существенно влияет на температуру газа в переходном процессе и, следовательно, на время приемистости. Поэтому при проектировании системы регу­

цию в проточной части турбин, особенно для многоступенчатых кон­ струкций с большой поверхностью теплообмена в лопаточном аппа­ рате. Что касается камеры сгорания, то ее тепловая инерция обычно невелика и ее в большинстве случаев можно не учитывать при рас­ четах переходных процессов [91 и др . ] .

Необходимо отметить, что влияние тепловой емкости существенно зависит от ее состояния в начале переходного процесса, особенно в ГТУ с резким падением температуры газа при частичных нагруз­ ках. Так, если в ГТУ по схеме 2/Н-Р вначале сбросить нагрузку, а затем начать разгон, регенератор окажется «горячим» и будет добавлять тепло в цикл, а не отнимать, как при обычном разгоне.

Тепловая инерция элементов проточной части турбины менее существенна, но будет действовать в ту же сторону, что и регене­ ратор.

Влияние принятого закона изменения температуры газа

Принятый закон изменения температуры газа при разгоне очень сильно сказывается на приемистости ГТУ. Если, например, для схемы 1Н разгонять установку от холостого хода не при постоянной температуре газа ^3 = 825° С, а вдоль границы помпажа на харак­ теристике компрессора, а затем при t3 = 825° С = const (рис. IV.4), то компрессор будет работать в устойчивой зоне. Но в этом случае избыточная температура перед турбиной в начале разгона будет зна­ чительно меньше, чем в случае разгона при предельной температуре газа 825° С с открытым противопомпажным клапаном, а время при­ емистости больше: 180 сек вместо 95 сек. Время приемистости воз­

Если осуществить разгон при постоянной избыточной темпера­ туре газа At3 = 25° С, время приемистости для схемы 1Н резко воз­ растет— примерно до 1400 сек, а рабочие точки компрессора сместятся в зону устойчивой работы, почти совпадая с рабочей линией ком­ прессора на установившихся режимах.

Некоторые конструктивные меры улучшения приемистости

Для улучшения динамических характеристик ГТУ иногда це­ лесообразно установить поворотные направляющие аппараты в ком­ прессоре и турбине. Так, открытием соплового аппарата Т Н Д схемы

1Н можно увеличить перепад на ТВД и ускорить разгон компрессор­ ного вала.

Аналогичное действие вызывает временное уменьшение шага ВРШ для блокированной схемы судовой ГТУ или обвод газа в силовой турбине. Все указанные способы связаны с временным уменьшением отдаваемой потребителю мощности в период приема нагрузки.

Ускорить разгон ГТУ можно также установкой на компрессор­ ном валу электродвигателя или другого устройства, дающего допол­ нительный момент при разгоне. Существенно уменьшить время приемистости можно с помощью впрыска воды в камеру сгорания. При этом нет необходимости увеличивать температуру газа при набросе нагрузки.

Если использовать тепло уходящих из турбины газов для подо­ грева воздуха перед компрессором, можно обеспечить на частичных режимах постоянство температуры газа перед турбиной или ее из­ менение по заданной программе [30]. При этом изменение темпера­ туры газа на переходных режимах уменьшается. Это позволяет без существенного понижения к. п. д. ГТУ на частичных нагрузках улучшить динамические характеристики, уменьшая температурные напряжения в деталях турбины, если они лимитируют допустимые набросы топлива.

Если время приемистости ГТУ определяется температурными на­ пряжениями в деталях турбины, его можно также уменьшить, увели­ чивая температуру газа перед турбиной на долевых режимах за счет либо дросселирования на входе в компрессор, либо выпуска части воздуха за компрессором [60].

Приближенная оценка приемистости ГТУ

Во многих случаях, в частности на начальных стадиях проекти­ рования ГТУ, требуется быстро, хотя и весьма ориентировочно, оценить время приемистости установки. Для этого можно восполь­ зоваться приближенной формулой [40], полученной исходя из фи­ зической сути происходящих при разгоне процессов