книги из ГПНТБ / Переходные процессы в газотурбинных установках

сколькими термопарами, либо по косвенным параметрам, опреде­ ляющим температуру газа перед турбиной, сигнал от которых по­ дается на ограничение скорости нарастания подачи топлива в ГТУ.

Обеспечение устойчивой работы компрессора в переходном про­ цессе осложняется быстрым, почти мгновенным повышением давле­ ния за ним при внезапном набросе расхода топлива, особенно в ГТУ без регенерации.

В связи с этим система регулирования должна иметь ограничи­ вающий регулятор скорости, регулятор температуры, антипомпажные устройства, регулятор приемистости. Эти устройства должны быть высокочувствительными, быстродействующими, т. е. обладать малой инерционностью. Принцип работы и соображения для выбора таких устройств рассмотрены ниже. Изменение в эксплуатации ха­ рактеристик составных элементов ГТУ (например, вследствие за­ носа проточной части турбины или компрессора), атмосферных условий, характеристик топлива также не должны нарушать на­ дежной работы установки и ее системы регулирования.

Кроме того, агрегат должен быть снабжен системой защиты. При появлении неисправностей, нарушающих нормальный режим работы, автоматические устройства подают предупредительный сиг­ нал с последующим отключением агрегата. Применение ограничи­ вающих и защитных устройств повышает надежность и позволяет избежать аварий ГТУ.

36. ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ В СИСТЕМАХ РЕГУЛИРОВАНИЯ, УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ ГТУ

Качество переходного процесса, его надежность, скорость и от­ сутствие недопустимых забросов параметров в первую очередь за­ висят от свойств системы регулирования, управления и защиты (РУЗ). В частности, большое практическое значение приобретает

и надежностью. Не вызывает существенных трудностей и регулиро­ вание этих параметров как на заданном уровне, так и по различным программам. Значительно сложнее оказывается решение задач, связанных с регулированием наиболее важных параметров ГТУ: температуры газа и запасов устойчивости компрессоров.

Остановимся на этих вопросах подробнее.

Как показывает практика, температурное поле перед турбинной

В процессе эксплуатации зоны пониженной и повышенной темпе­ ратур изменяют свое положение, что делает необходимым измерять температуру в нескольких местах потока.

величину, уже заметно влияющую на прочность напряженных эле­ ментов ГТУ. При запусках и частичных режимах, где запас до предельной температуры шире, изменение kT имеет меньшее значе­ ние, но по возможности должно учитываться.

Рис. VIII . 4 . Ограничитель температуры газа: а — принци­ пиальная схема; б — экспериментальная статическая ха­ рактеристика ограничителя

(1 — при п о в ы ш е н и и д а в л е н и я ; 2 — при п о н и ж е н и и )

Представляют интерес идеи косвенного определения темпера­ туры газа, например, по соотношению расходов топлива и воздуха в камере сгорания, соотношению расхода и давления газа перед ТВД

идр. На рис. VIП.4 приведена схема ограничителя температуры газа, работающего по косвенным параметрам. С помощью пружины 2

идросселя 1 ограничитель настраивается на начало слива топлива при достижении заданной максимальной температуры газа. При работе ГТУ нарушение заданного соотношения между давлением топлива, действующим на золотник 3, и давлением воздуха за ком­ прессором, действующим на мембрану, приводит к появлению слива

топлива. При этом давление топлива за насосом 5 и перед форсункой 4 падает, что ограничивает температуру газа.

Однако практическое применение косвенные методы находят только в тех случаях, когда требуемая точность измерения факти­ ческой температуры невелика, т. е. имеются большие запасы на нестабильность замера температуры. Накопление погрешностей в измерении косвенных параметров (как правило количество этих параметров два и более) и эксплуатационные отклонения от исход­ ной зависимости, определяющей температуру как функцию выбран­ ных параметров, обычно настолько значительны, что при отсутствии указанных больших запасов надежное измерение температуры

становится невыполнимым. Особенно это проявляется при работе на тяжелых топливах, промышленно-загрязиенном или морском воз­ духе и т . п. В этих условиях нестабильность теплотворной способ­ ности топлива, колебания его вязкости, заносы и износ форсунок, турбин, камер сгорания, загрязнение компрессоров, изменение внешних условий сильно меняет исходные соотношения между тем­ пературой газа и измеряемыми для ее определения косвенными па­ раметрами.

На переходных режимах значительную роль начинает играть тепловая инерционность термоизмерительных элементов. Как пра­ вило, в промышленных ГТУ (стационарных и транспортных) тре­ буются длительные сроки службы этих элементов, что ограничивает возможности снижения их металлоемкости и, следовательно, инер­ ционности. Этим, в частности, объясняется распространение схем с динамической компенсацией инерционности измерительного эле­ мента. Однако известные термоизмерительные устройства с такой компенсацией отработаны пока только на продуктах сгорания легких (т. е. малозольных) топлив.

При замере температуры продуктов сгорания тяжелых топлив надежная динамическая компенсация становится трудно реализуе­ мой. Действительно, по мере заноса термоэлемента коэффициент теплоотдачи к нему от газа снижается. Это приводит к изменению динамических характеристик термоэлемента (рис. VIII.5), вызывает прогрессирующую по величине ошибку при компенсации. При установке температурных датчиков за турбинами необходима до­ полнительная динамическая компенсация запаздывания темпера­ туры газа, вызванного тепловой аккумуляцией проточной части турбины, расположенной перед датчиком. Эта аккумуляция заметно проявляется в большинстве турбин промышленного типа, особенно в многоступенчатых. Так, в шестиступенчатой турбине ГТ-700-12 (НЗЛ) в первый момент времени к выходу турбины проходит лишь около 60% от относительного изменения температуры газа на входе. В малоступенчатых турбинах ГТК-Ю, ГТ700-5 (НЗЛ), ГТУ-20 (ЛКЗ) эта величина составляет 80—85%.

Приведенные соображения указывают на необходимость тща­ тельного учета многих эксплуатационных факторов при измерении системой РУЗ температуры газа, являющейся одним из важнейших параметров установившихся и переходных режимов ГТУ. В резуль­ тате такого учета своевременно определяется достижимая точность регулирования температуры газа и уже на первых этапах создания ГТУ принимаются необходимые запасы на возможные эксплуата­ ционные отклонения температуры по сравнению с идеализирован­ ными процессами регулирования, получаемыми при проектировании и стендовых испытаниях.

Большие практические трудности в измерениях возникают при организации противопомпажного регулирования и защиты. Здесь следует остановиться на трех возможных принципах замера предпомпажного состояния компрессоров.

Наиболее распространенным в современных ГТУ является замер параметров, определяющих положение границы помпажа на уни­ версальной характеристике компрессора. Вторым принципом, реализованным в отдельных опытных системах защиты, является замер параметра, характеризующего начало помпажа, например скорости падения давления за компрессором, изменения направле­ ния потока в проточной части и т. п. Наиболее перспективным пред­ ставляется принцип замера изменения какого-либо параметра,

непосредственно предшествующего помпажу системы компрессор— сеть. Рассмотрим некоторые вопросы, связанные с практикой исполь­

на участке патрубка компрессора между входным сечением и ВНА наблюдается стабильная зависимость

устройств, а использовать отборы на входном патрубке компрессора, перепад на которых тарируется при стендовых испытаниях ГТУ (рис. VIII . 6) .

Показатель степени п в соотношении (VII 1.3) мало зависит от типа входных устройств компрессора и режима его работы. В боль­

Воздух 2ати от пне&мосистемы ~

к пульту г Ті для ручного

управления

Перепад на входном патрубке и перепад на компрессоре в ка­ честве командных импульсов позволяют реализовать с помощью блока соотношения воздействие на регулирующий орган по линии,

приблизительно соответствующей постоянному коэффициенту запаса

Рис. VIII . 8 . Характеристики противопомпажной системы Л К З по результатам ис­ пытаний в составе ГТУ: а, б — режимы срабатывания системы соответственно в координатах настройки командного блока и характеристики компрессора НД :

1 — л и н и я настройки; 2 — г р а н и ц ы п о м п а ж а ; 3,4 — срабатывание на р а б о т а ю щ е й Г Т У при м е д л е н н о м и быстром п о д х о д а х к л и н и и настройки; 5 — с р а б а т ы в а н и е на н е р а б о т а ю щ е й Г Т У пр и подаче и м п у л ь с о в на к о м а н д н ы й б л о к от с п е ц и а л ь н о г о п р и с п о с о б л е н и я

состояния по косвенным параметрам. Основные трудности при этом следующие. Из условий экономичности ГТУ запас по помпажу на установившихся режимах при спецификационных условиях выби­ рается обычно небольшим (ky = 1,15-^1,25).

Впроцессе эксплуатации за счет заносов проточных частей турбин и компрессоров, изменения атмосферных условий, динамики переходных режимов и других причин режимная линия на характе­ ристике компрессора может значительно приближаться к границе

помпажа (до 10% и более по ky). С другой стороны, сама граница помпажа из-за загрязнения компрессоров, повышенной влажности воздуха, увеличения радиальных зазоров и т. п. может изменять свое положение, перемещаясь в сторону рабочих режимов. Таким образом, зона между режимной линией и границей помпажа может заметно уменьшаться.

Вэтих условиях приобретает важнейшее значение точность и стабильность настройки, быстродействие исполнительных органов, точность тарировки расхода. В частности, колебания столбов дифма-

нометров на работающей машине приводят при тарировке к зна­ чительной погрешности за счет неодновременности замера. Это дает разброс точек, достигающий нескольких процентов. Особенно за­ метно это проявляется при тарировке патрубков КВД (см. рис. VIII.6).

В сочетании с отклонением зависимости, реализуемой блоком соотношения, от изменения параметров вдоль действительной гра­ ницы помпажа указанные факторы приводят либо к необходимости большого исходного запаса относительно границы помпажа (за счет снижения экономичности), либо4 обусловливают ненадежную ра­ боту системы: ложные срабатывания при настройке, выполненной

близко к линии рабочих режимов, или возможность помпажа1 при настройке вблизи помпажной границы. Все это вызывает большие практические трудности, если указанные факторы своевременно не учитываются при проектировании,, отработке и эксплуатации си­ стем этого типа.

Рассмотрим принцип действия противопомпажных устройств, срабатывающих непосредственно по импульсу, сопровождающему начало помпажа. В схеме на рис. VIII . 9, а обе мембранные полости соединены с нагнетанием компрессора 4: одна напрямую, вторая через дроссель 3 и емкость 2. Последнее приводит к тому, что на мембране 5 (связанной со штоком 6, действующим на противопомпажное устройство) в переходном режиме возникает перепад, прибли­ зительно пропорциональный скорости изменения давления за ком­ прессором. Пружиной / и дросселем 3 обеспечивается настройка срабатывания при скорости падения давления, соответствующей на­ чалу помпажа, но превышающей значения на любых неаварийных переходных режимах ГТУ. На рис. VIII . 9, б мембрана 5 воспри­ нимает перепад давлений, возникающий на датчике скоростного напора 7 при изменении направления потока с нормального 8 на срывное 9 (в начале помпажа). Это приводит к перемещению мем­ браны 5 со штоком 6, воздействующим на срабатывание противопомпажного устройства.

Общим недостатком схем на рис. VIII . 9 (и им подобных) является возможность работы, хотя и кратковременной, ГТУ в помпаже.