книги из ГПНТБ / Переходные процессы в газотурбинных установках

В табл. V. 1 для ряда схем ГТУ, кроме представленных на рис. V.12 и V.13, приведены предельные набросы топлива А В Г 0 , при кото­ рых заброс параметров соответствует достижению предельной тем­ пературы газа или возникновению помпажа в компрессоре. В таблице не приведены схемы с регенерацией, поскольку для них допустимые по температуре газа абсолютные набросы топлива примерно такие же, как и для соответствующих схем без регенерации. Опасность же зна­ чительного перерегулирования по степени сжатия для схем с регене­ рацией, как отмечалось, сравнительно невелика (по крайней мере для двух компрессорных схем):

Естественно, что на каждом режиме лимитирующим является меньшее из значений предельного наброса топлива. В случае, когда наброс топлива лимитируется помпажом компрессора, необходимо учитывать, что часто быстрое протекание процесса не позволяет устранить помпаж за счет автоматического открытия противопомпажного клапана, получающего импульс, например, по расходу и напору компрессора. Однако можно, вероятно, устранить помпаж при программном управлении, если, например, через регулятор приемистости связать противопомпажные клапаны или поворотные сопла ТВД непосредственно с сектором газа, чтобы набросу топлива сразу сопутствовало открытие противопомпажных клапанов или сопел ТВД (см. п. 36).

Наиболее желательным все же является обеспечение достаточ­ ного запаса по помпажу на рабочих режимах ГТУ и, кроме того, осуществление не мгновенного, а сравнительно плавного увеличения расхода топлива.

Относительно ограничения наброса топлива предельной темпе­ ратурой газа необходимо отметить, что кратковременное (в течение нескольких секунд, например) ее превышение не приводит к суще­ ственному увеличению средней температуры металла лопаток и дру­ гих деталей турбины вследствие их достаточно большой тепловой емкости [5]. Однако такие кратковременные забросы температуры увеличивают опасность разрушения деталей проточной части от тепло­ вой, усталости [19]. Предельно допустимые набросы топлива по су­ ществу определяют допустимую интенсивность увеличения расхода топлива. -

Зависимость допустимых набросов топлива от коэффициента запаса устойчивости

Устойчивость работы компрессора на заданном режиме ГТУ можно, как отмечалось в гл. I , количественно оценить коэффициен­ том запаса устойчивости, который часто в литературе называют коэффициентом запаса по помпажу

в помпаж. в[ — степень сжатия в КНД на этом режиме, которая определяется однозначно при постоянных оборотах КНД по извест­ ному Gnp2. Из уравнения (V.4)

(V.5)

Для КВД коэффициент запаса устойчивости

где Т\ и Т\ — температура перед КВД на исходном и помпажном

режимах.

Поскольку степень сжатия в КНД обычно изменяется мало, абсолютная температура за ним также изменится мало. Поэтому радикал в правой части последнего уравнения близок к' единице, что позволяет, сопоставляя это уравнение с уравнением (V.5), при­ ближенно записать

Для двухкомпрессорной схемы с промежуточным охлаждением тем­ пература перед КВД при набросе топлива не изменяется, т. е. Т[1Т\у = 1. Поэтому для нее уравнение (V.6) является не прибли­ женным, а практически точным.

Таким образом, уравнения (V.3) и (V.6) позволяют весьма просто оценить предельно допустимый наброс топлива на данном режиме. Если полученное по этим уравнениям ТЬу превышает максимально допустимую температуру газа Т 3 т а х , наброс топлива будет ограни­ чиваться последней, а не помпажом компрессора.

Из приведенных зависимостей видно, что в тех случаях, когда допустимый наброс топлива лимитируется помпажом компрессора, увеличение ky позволяет значительно улучшить приемистость ГТУ.

ГТУ с регенерацией. В ГТУ с регенерацией наличие газовой емкости регенератора, как было показано в предыдущей главе, приводит к постепенному повышению давления за компрессорами при мгновенном набросе топлива. При этом с увеличением степени сжатия одновременно повышаются обороты компрессора. Естест­ венно, в этом случае с точки зрения помпажа допустимы более зна­ чительные набросы топлива, допустимые значения которых чаще всего ограничиваются предельной температурой газа.

23. АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК СХЕМ БЛОКИРОВАННЫХ

ГТУ ПРИ ВНЕЗАПНЫХ ВОЗМУЩЕНИЯХ ПО МОМЕНТУ

В процессе проектирования установки и системы РУЗ важно знать характеристики ГТУ при внезапных возмущениях по моменту и по­ стоянном расходе топлива, которые могут возникнуть, например в судовой ГТУ при оголении винта, в ГТУ наземного транспорта при

изменении уклона пути или в стационарной ГТУ при некоторых ава­ рийных условиях.

При мгновенном набросе момента на силовом валу блокирован­ ных ГТУ в случае постоянного расхода топлива переход к новому установившемуся режиму происходит без скачка параметров. Дело в том, что возмущение воздействует прежде всего на обороты сило­ вого вала, которые не могут изменяться скачком в силу значительной инерционности ротора, а изменяются плавно. При этом происходит перераспределение степеней сжатия по компрессорам, изменение расхода и соответствующее ему плавное изменение температуры газа до значения на новом установившемся режиме.

На рис. V. 11 сплошными линиями изображен переходный про­ цесс ГТУ, выполненной по схеме 2/БН-О при мгновенном увеличе­ нии момента на валу движителя от Мв0 = 1,0 до Мд = 1,2 при по­ стоянном расходе топлива (Вт — 1,0). Уменьшению числа оборотов силового вала, степени сжатия КНД и расхода воздуха соответствуют некоторое увеличение оборотов компрессорного вала, степени сжа­ тия КВД и температуры газа. Причем, уменьшению оборотов сило­

При уменьшении момента картина переходного процесса будет обратной. Обороты силового вала и расход воздуха увеличатся, а температура газа понизится. Таким образом, при резком набросе

мого повышения оборотов силового вала.

Возмущение по моменту на валу независимой по оборотам сило­ вой турбины на параметры ГТУ обычно не влияет, поэтому в дан­ ном параграфе рассмотрены характеристики только блокированных ГТУ [45].

На рис. V. 14 представлены характеристики переходного про­ цесса для схемы 1Б при периодическом изменении момента потре­

место, например для судовой ГТУ при работе на волнении. Довольно значительное отклонение момента по амплитуде (±20%) с большим периодом колебаний (Т = 12 сек) не вызывает существенного откло­ нения оборотов ГТУ от номинальных. Максимальное отклонение оборотов в начале процесса составляет 2,5%. В дальнейшем эти от­ клонения уменьшаются и становятся симметричными относительно

Рис. V. 14. Изменение оборотов и температуры газа при синусоидальном изменении момента потребителя для схемы 1Б при постоянном ра­ сходе топлива

Щ16

0,5

0,5

режимов ГТУ, соответствующие достижению предельной темпера­ туры газа, помпажу компрессора и предельно допустимым оборотам силового вала для схем 1Б и 2/БН-О при мгновенных изменениях момента по закону fx (т) = AM и при синусоидальных возмущениях

ветствующие условному холостому ходу при п = 0,5rt0 .

Как видно из рис. V.15 для схемы 1Б допустимые набросы мо­ мента ограничены на малых режимах помпажом компрессора, а на больших режимах — предельной температурой газа. Сбросы мо­ мента во всем диапазоне режимов лимитируются предельными мак­ симальными оборотами силового вала. Допустимая амплитуда от­ клонения момента при периоде колебаний 12 сек очень велика во всем

максимальные обороты. Таким образом, в зоне рабочих режимов ГТУ даже существенные отклонения момента при значительной ам­ плитуде колебаний не вызывают опасности с точки зрения превыше­ ния допустимых максимальных оборотов. Опасность может возник­ нуть при работе ГТУ близ холостого хода, когда синусоидальные колебания момента могут привести к потере собственной устойчи­ вости ГТУ.

Для схемы 2/БН-О при мгновенном набросе момента (рис. V.16) лимитирующим фактором в зоне больших и средних режимов яв­ ляется максимальная температура газа, а в зоне малых режимов —

Периодическое изменение момента, как и для схемы 1Б, в зоне малых нагрузок может привести к потере собственной устойчивости ГТУ.

Характеристики ГТУ при внезапных возмущениях по моменту для схемы с промежуточным подводом тепла 2/БН-ОП аналогичны характеристикам для схемы 2/БН-О. Однако допустимые возмуще­ ния по моменту, которые ограничены предельной температурой газа, меньше, чем для схемы 2/БН-О. При поддержании постоянного рас­ хода топлива в камерах сгорания наиболее опасной с точки зрения возникновения максимальной температуры газа является вторая камера сгорания.

Перерегулирование по оборотам будет практически незначитель­ ным, если

колебательном изменении возмущения по топливу или моменту %а

в зависимости от колебания нагрузки во времени. Из кривых видно, что при периоде колебаний возмущающего момента —40 сек ампли­ туда колебаний оборотов примерно соответствует квадратичной зависимости между числом оборотов и моментом, т. е. при увеличе­ нии момента сопротивления на гидротормозе в с раз обороты сило­

чая (при одинаковой амплитуде возмущающего момента).

Расчет оборотов силового вала в зависимости от изменения воз­ мущающего момента произведен по методике, изложенной в гл. I I . Расчетные данные по колебанию оборотов в зависимости от изме­ нения момента на гидротормозе хорошо совпадают с эксперименталь­

вода центробежных нагнетателей на газоперекачивающих станциях и генераторов переменного тока в качестве пиковых или полубазо­ вых агрегатов на электростанциях. Для этих ГТУ можно отметить

прессоров в области рабочих режимов облегчают организацию пере­ ходных процессов в стационарных ГТУ. Вместе с тем для них харак­ терны относительно большие мощности и увеличенные размеры

усложняет организацию переходных процессов из-за увеличенных температурных напряжений (см. п. 8). Особенно велики темпера­ турные напряжения в деталях массивного корпуса турбины.

На рис. V. 18 представлены зависимости для температурного поля и разности температур по толщине стенки в обойме диафрагмы турбины ГТ-25-700 ЛМЗ при аварийном останове со сбросом нагрузки

[85]. Здесь же даны кривые изменения параметров во времени в этом переходном процессе.

На рис. V.19 представлены графики изменения тангенциальных ох

обойм диафрагм и др. Оптимальную программу вывода ГТУ на номинальный режим при этом можно найти из условия обеспечения за заданное время разгона минимальной суммарной пластической деформации указанных деталей [106]. Для сокращения времени переходного процесса в этом случае необходимо уменьшать гради­ енты температур в деталях ГТУ, чтобы исключить недопустимые тем­ пературные напряжения. Одним из способов уменьшения температур­ ных градиентов в деталях турбин может оказаться увеличение тем­ пературы газа на частичных режимах, т. е. уменьшение диапазона возможного изменения температуры газа в переходных процессах. Как отмечалось в гл. IV, повышение температуры газа на частичных