книги из ГПНТБ / Переходные процессы в газотурбинных установках

рання мощность турбины резко уменьшается. Поэтому число оборо­ тов ротора уже через 2,5 сек достигает номинального значения, а за­ тем продолжает быстро уменьшаться.

Зависимости числа оборотов силового вала от времени при пол­

Рабочая линия компрессора для схемы 1Б-Р в период сброса нагрузки проходит вдали от границы помпажа. Рабочие линии ком­ прессоров для одноступенчатых схем при полном сбросе нагрузки даны на рис. V.2.

Необходимо отметить, что характеристики схем ГТУ при полном

рядка 15%. Такой относительно высокий заброс оборотов объяс­ няется тем, что мощность независимой по оборотам силовой турбины после сброса нагрузки расходуется (в отличие от блокированных схем) только на разгон ротора и преодоление трения в подшипни­ ках. Поэтому обороты силовой турбины продолжают увеличиваться и после гашения камеры сгорания, несмотря на резкое уменьшение

,теплового перепада и к. п. д. Росту оборотов способствует и увели­ чение расхода через турбину после гашения камеры сгорания. Когда к. п. д. силовой турбины вследствие уменьшения теплоперепада и роста приведенного отношения скоростей и/Сф становится отрицатель­ ным, начинается постепенное уменьшение оборотов турбины до пол­ ной остановки.

Как и у всех схем с независимой силовой турбиной, после сброса нагрузки до гашения камеры сгорания компрессор работает в точке,

соответствующей номинальному режиму (если не учитывать некото­ рое влияние оборотов силовой турбины на расход). После гашения камеры сгорания обороты компрессорного вала быстро уменьшаются до останова, который благодаря интенсивному торможению компрес­ сором наступает значительно раньше, чем у силового вала.

Линия режимов компрессора при сбросе нагрузки проходит в зоне максимальных к. п. д. далеко от границы помпажа (рис. V.2).

Необходимо отметить, что линии режимов компрессоров при сбросе нагрузки для всех схем с независимой силовой турбиной будут прак­ тически такими же, как и при сбросе топлива (см. п. 19), если пре­ небречь влиянием оборотов на пропускную способность силовой турбины. Для блокированных же схем при сбросе нагрузки на валу потребителя вначале создается значительный избыточный момент, благодаря которому возникает заброс оборотов, в отличие от случая, когда сброс топлива не связан с одновременным сбросом нагрузки.

Схемы с двумя ступенями сжатия

ис одной ступенью сгорания

Сх е м ы 2/С-ОР и 2/Н-ОР с независимыми силовыми турбинами среднего и низкого давлений при полном сбросе нагрузки имеют динамические забросы оборотов соответственно 17 и 12% (рис. V.1). При рассмотрении схем с несколькими последовательно включенными турбинами следует помнить, что при изменении режима работы давле­ ние перед турбиной изменяется примерно пропорционально расходу. Поэтому степень расширения в ТНД будет изменяться резко, а в ТСД

и особенно в ТВД — незначительно. Меньший заброс оборотов у схемы 2/Н-ОР объясняется более интенсивным снижением тепло­

0,94 от номинальных. Рабочие линии КВД проходят в устойчивой зоне далеко от границы помпажа (рис. V.3). Это объясняется тем, что обороты более «легкого» ротора КВД понижаются значительно быстрее, чем обороты ротора КНД. Вследствие этого при заданных расходе и общей степени сжатия степень сжатия КВД понижается за счет соответствующего повышения степени сжатия в КНД (см. п. 19).

Интересно отметить, что вследствие полного сброса топлива здесь КНД попадает в помпаж несколько раньше, чем в случае сброса топлива от максимального до расхода холостого хода (см. рис. V.3, IV. 15, IV. 16).

С х е м ы 2/БВ-ОР и 2/БН-ОР при полном сбросе нагрузки имеют динамические забросы оборотов соответственно 4 и 3,5%. Относи­ тельно невысокие забросы, как и в схеме 1Б-Р, объясняются нали­ чием компрессора на силовом валу. Работа силовой ТНД (схема 2/БН-ОР) уменьшается более интенсивно после гашения камер сго­ рания, чем работа силовой ТВД (схема 2/БВ-ОР), поэтому и заброс оборотов для схемы 2/БН-ОР несколько меньше.

Рабочие линии КНД и КВД для схемы 2/БВ-ОР проходят в зоне устойчивой работы, но КНД работает в зоне, близкой к границе помпажа. Избежать помпажа КНД удается потому, что в отличие от

других схем здесь приняты примерно одинаковые времена роторов агрегатов ВД и НД, учитывая инерционность редуктора и движи­

оборотов при полном сбросе нагрузки соответственно 8 и 3%, т. е.

мический заброс оборотов 7%, т. е. выше, чем схема 2/БВ-ОР. Камера сгорания низкого давления в схеме 2/БВ-ОПР помещена за силовой

Рабочая линия КВД проходит в устойчивой зоне, а КНД при

а КВД — турбиной низкого давления. Схема имеет сравнительно малый динамический заброс оборотов (3,9%), как и все блокирован­

ложена далеко от границы помпажа и характеризуется быстрым умень­ шением степени сжатия. Степень сжатия КНД, напротив, изме­

21. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ГТУ ПРИ СБРОСЕ НАГРУЗКИ

Влияние конструктивного исполнения: моментов инерции и номинальных оборотов

Инерционность роторов оказывает большое влияние на величину заброса оборотов при сбросе нагрузки и на режимные линии ком­ прессоров.

Увеличение времени вала силовой турбины, т. е. возрастание величины JnllNo, уменьшает заброс оборотов при сбросе нагрузки. Увеличение времени компрессорного вала удаляет линию режимов компрессора от границы помпажа. Так, для схемы 1Н-Р при увели­ чении времени роторов в 2,7 раза заброс оборотов уменьшается от

15 до 9%, а линия режимов компрессора значительно сдвигается от границы помпажа (рис. V.2). При малом времени вала компрессора, особенно в случае большой воздушной емкости регенератора, ком­ прессор может попасть в помпаж.

Для схем с двумя компрессорными валами расположение линий режимов на характеристиках компрессоров зависит от отношения

ниях моментов инерции и номинальных оборотов компрессорных валов. Из рис. V.6 видно, что опасность возникновения помпажа КНД при сбросе нагрузки уменьшается при увеличении времени обоих роторов и увеличении отношения Rp2/Rpi- Аналогичный вид имеют кривые и для других рациональных (прямых) двухкомпрессорных схем.

Влияние воздушной емкости регенератора

Наличие большого регенератора и связанных с ним газовоздуш­ ных емкостей может значительно увеличить заброс оборотов при сбросе нагрузки. В предельном случае для схемы 1Н-Р при бесконеч­ ном времени воздушной емкости заброс оборотов возрастает при­ мерно до Дп = 55-ь60% от птах. С увеличением воздушной емкости возрастает опасность помпажа компрессоров, поскольку при пони­ жении оборотов общая степень сжатия поддерживается сравнитель­ но высокой, соответствующей давлению в емкости.

Всхеме 1Н без регенерации заброс оборотов составляет всего 6%,

алиния режимов компрессора резко отдаляется от границы помпажа (рис. V.2). Значительное уменьшение заброса оборотов объясняется более резким падением температуры после гашения камеры сгорания по сравнению со схемой 1Н-Р и относительно меньшим расходом через турбину, который в схеме 1Н-Р сохраняется повышенным за счет газовоздушной емкости.

Перерегулирование по оборотам можно существенно уменьшить, например, сбросом воздуха за компрессором (перед регенератором).

Отечественные ГТУ, например ГТУ-4 КТЗ, ГТ-700-5 НЗЛ , оборудованы клапаном перепуска воздуха (КПВ) из-за компрессора, ГТУ-20 Л К З — из-за КВД. При сбросе нагрузки 2 Мет до холостого хода динамический заброс оборотов для ГТ-700-5 (схема 1Н) при использовании КПВ составляет всего 6% [86]. Однако и этот заброс

пс,об J мин

может быть уменьшен до 3,8%, если в системе регулирования исполь­ зовать импульс по ускорению ротора силового вала в дополнение к импульсу по скорости (рис. V.7).

Следует отметить, что время открытия КПВ должно быть согласо­ вано с временем прекращения подачи топлива. Эксперименты на ГТУ-4 показали, что если КПВ открываются раньше или одновре­ менно с закрытием топливных клапанов, то температура газа может возрасти на 30—50° С, несмотря на уменьшение расхода топлива. Оптимальным для этой установки можно считать открытие КПВ через 0,1—0,2 сек после начала уменьшения подачи топлива. Запаздывание в открытии КПВ на 0,4—0,5 сек увеличивает динамический заброс оборотов примерно вдвое и продолжительность переходного процесса тоже вдвое.

Влияние аккумуляции тепла в регенераторе и проточной части турбины

После гашения камер сгорания рабочий газ может получить зна­ чительную часть тепла, саккумулированного в металле регенератора, газопроводов, камер сгорания, турбин, что повышает заброс оборотов. Поэтому действительные забросы оборотов могут оказаться значи­ тельно больше, чем вычисленные без учета аккумуляции тепла в ме­ талле. Так, для схемы 1Н-Р при удельном весе регенератора 2 кгс/квт заброс оборотов с учетом аккумуляции тепла в металле регенератора, камеры сгорания и проточной части турбины составляет 21% про­ тив 15% без учета тепловой емкости. Если учитывать аккумуляцию тепла только в регенераторе, заброс оборотов составит 19,5%.

126

Уместно отметить, что влияние тепловой емкости турбины, как правило, лимитируется теплоотдачей в проточной части, а не време­ нем тепловой емкости. Поэтому в многоступенчатых турбинах реак­ тивного типа влияние тепловой аккумуляции в турбине может резко возрасти вследствие увеличения поверхности теплообмена в проточ­ ной части. При проектировании системы регулирования необходимо внимательно учесть влияние тепловой аккумуляции.

Влияние запаздывания регулирования

Время запаздывания регулирования, т. е. время от сброса на­ грузки до гашения камер сгорания, существенно влияет на величину заброса оборотов, поскольку до гашения камер сгорания перепад

лирования обеспечивает гашение камер сгорания после превышения определенного числа оборотов. Так, если камера сгорания гасится после превышения номинальных оборотов на 10%, заброс составляет 18% от номинальных оборотов.

Влияние поворотных направляющих лопаток компрессора и турбины

Влияние поворотных направляющих лопаток компрессора и тур­ бины на величину динамического заброса оборотов исследовано на примере схемы 1Н-Р. Открытие поворотного направляющего аппа­ рата (ПВНА) компрессора несколько увеличивает заброс оборотов: примерно на 1% при смещении линии п = const на 5% вправо. При

температуре—несколько больше. Что касается допустимых набросов топлива по помпажу компрессора, то при значительной газовоздуш­ ной емкости регенератора возможность перерегулирования по сте­ пени сжатия существенно уменьшается, особенно в двухкомпрессорных схемах.

Естественно, что допустимые набросы топлива в ГТУ будут тем больше, чем дальше располагаются рабочие линии компрессоров от границы помпажа и чем ниже температура газа на частичных нагрузках.

На рис. V.13 для схемы 2/С-О нанесены кривые относительного расхода топлива, соответствующего установившимся режимам,

а также достижению предельной температуры и помпажа КНД или КВД при мгновенном набросе топлива. Из кривых видно, что допу­ стимые набросы топлива в схеме 2/С-О во всем диапазоне рабочих режимов лимитируются предельной температурой газа. Это объяс­ няется относительно высокой температурой газа на установившихся частичных режимах. Помпаж в КВД наступает при меньших набросах топлива, чем помпаж в КНД, что характерно для большинства ГТУ, особенно при больших нагрузках. Это связано с тем, что при постоян­ ных оборотах КНД и КВД небольшому изменению степени сжатия КНД и, следовательно, параметра расхода на всасе в КВД соответ­ ствует значительное изменение в ту же сторону степени сжатия КВД особенно в случае крутых изодром на характеристике КВД.

Нетрудно убедиться, что заброс всех параметров при мгновенном набросе топлива не зависит от схемы ГТУ и определяется лишь рабочими точками компрессоров на заданном установившемся ре­ жиме. Поэтому на номинальном режиме для всех схем с одинаковой степенью сжатия в компрессорах допустимые набросы топлива ока­ зываются одинаковыми.