книги из ГПНТБ / Гительман А.И. Динамика и управление судовых газотурбинных установок

рактеризует разворот лопастей в сторону уменьшения шага. Оче­ видно, что в положении неустойчивого равновесия наиболее сильно должны проявляться такие факторы, как люфты, наличие воздуха в масле и другие реальные свойства сйстемы изменения шага. Опыт подтверждает, что возникающие в этих условиях колебания лопа­ стей при больших шаговых отношениях могут приводить к замет­ ному изменению нагрузки на винте. Например, при испытаниях

а)

Mjc-m

Рис. 68. Гидродинамические силы на лопастях ВРШ газотурбохода «Парижская коммуна»: а — зависимость гидродинамического момента, разворачивающего ло­ пасти при ys = 18,2 уз и пв = 102 об/мин (режимы вблизи полного хода): плюс —

в сторону увеличения н , минус — в сторону уменьшения н ; б —соотношения,

соответствующие неустойчивому положению лопастей: выше линии vs = idem гидродинамический момент стремится развернуть лопасти в сторону увеличения

Н , ниже -т- в сторону уменьшения.

БУШ — выносной указатель шага; одно деление БУШ соответствует шагу Н — 1 м, т. е.

и эксплуатации газотурбохода «Парижская коммуна» наблюдалось самопроизвольное изменение и последующее восстановление поло­

режиме приводило к 2—3%-ному изменению частоты вращения выходного вала ГТУ. На осциллограммах наладочных испытаний были зарегистрированы самопроизвольные затяжеления ВРШ, кото­ рые из-за недостаточного запаса устойчивости, имевшего место в этот

120

период испытании, приводили к помпажу. Поэтому при выборе различных запасов на стабильность режимов возможность само­

ющие наиболее трудные условия работы ГТУ, для судов водоизме­ щением 7000—60 000 т могут достигать величин

Т — 5 — 16 с; М = 1 5 -5 0 % ,

где Г — период аппроксимирующей синусоиды, АМ и М й— соот­ ветственно отклонение от среднего значения (амплитуда) и среднее значение момента на винте в течение цикла колебаний.

Именно эти величины рекомендуется использовать в качестве предельных при расчетах, моделировании и испытаниях. На завод­ ском стенде и в составе судна следует планировать проверку на килевую качку, имитируя ее гидротормозами или лопастями ВРШ. Построенные по этим данным траектории процесса на характери­ стиках компрессоров и осциллограммы различных параметров по­ зволяют своевременно проанализировать влияние качки на ха­ рактеристики ГТУ (см. гл. VIII).

При конструировании и испытаниях систем управления судовых ГТУ следует учитывать такие динамические факторы, как качка, удары и вибрация при ледовом плавании. По данным эксплуатации судов водоизмещением 18 000—22 000 т («Полоцк», «Ленинский ком­ сомол», «Парижская коммуна») при килевой качке наблюдалось отклонение от вертикали (или горизонтали) до 5°, а при бортовой — до 10°. Период колебаний составлял 6— 12 с. Фактически при небла­ гоприятных условиях, связанных с состоянием моря, с курсом, загрузкой, эти величины могут оказаться значительно больше. Поэтому заданиями на новые судовые ГТУ обычно предусматривается возможность работы оборудования с отклонением от вертикали при бортовой качке 22,5° и при килевой 10° с периодом качки 5— 17 с. В особенно трудных условиях могут оказаться системы управления при использовании ГТУ на ледоколах и судах ледового плавания. При работе этих судов во льдах наблюдаются сильная вибрация корпусных конструкций, значительные ударные перегрузки. Этим в значительной мере можно объяснить многочисленные ложные сраба­ тывания систем управления, отмечаемые при эксплуатации ледоко­ лов. Например, за 10 суток работы во льдах ледокола «Капитан Ме­ лехов» произошло 550 срабатываний защиты [60]. Ложные срабаты­ вания защит наблюдались также при эксплуатации ледоколов «Ленин», «Москва», «Ленинград» и др. При разработке систем управ­ ления ГТУ, предназначенных для ледокольных судов, эти факторы следует учитывать и предварительно испытывать оборудование на ударных копрах и вибростендах.

121

При полностью облегченном винте даже минимальная мощность, развиваемая ГТУ на устойчивом холостом ходу, может приводить к высокой частоте вращения ВРШ. В начальный период создания крупнотоннажных судов с ВРШ возникал вопрос о максимально допустимой частоте вращения ВРШ в условиях швартовки с точки зрения размыва портовых сооружений. В связи с этим на «Париж­ ской коммуне» были проведены проверки, показавшие, что даже при частоте вращения облегченного ВРШ, близкой к номинальной, никаких особых потоков, не присущих швартовкам обычных судов, не возникает. Таким образом, при швартовных маневрах частота вра­ щения может варьироваться практически во всем рабочем диапазоне.

При отработке программ управления и выставлении режимов следует учитывать, что при швартовных испытаниях (или швартов­ ках) в условиях малых акваторий, размеры которых не превышают одного — трех корпусов судна, отраженные потоки могут значительно изменять характеристики винта, свойственные швартовным режимам при vs = 0. Например, при швартовных испытаниях ГТХ «Париж­ ская коммуна» в заводском ковше наблюдалось значительное облег­ чение винта, характеристики которого при этом соответствовали скорости хода примерно 20 уз, т. е. номинальному ходовому режиму. Известны аналогичные наблюдения при швартовных испытаниях других судов. В частности, для снижения нагрузок при швартовных испытаниях двигателей иногда используют специальные ограничи­ тельные сооружения вблизи вращающегося винта.

При отработке процессов управления ГТУ в составе судна сле­ дует учитывать также, что нагрузочные характеристики винта сильно зависят от глубины, если она не превышает двух-трех осадок судна. При уменьшении глубины винт затяжеляется, что связано в основном с увеличением сопротивления движению судна, которое при плавании по мелководью может на 20% превышать сопротивле­ ние глубокой воды [51 ]. Например, при ходовых испытаниях газотурбохода «Парижская коммуна» изменение нагрузки на винте под влиянием различной глубины достигало 10— 15%. Возможно также заметное затяжеление винта, связанное с другими эксплуатацион­ ными факторами, приводящими к увеличению сопротивления кор­ пуса, которое может достигать 50% вследствие обрастания [51 ]

и20—40% (в среднем за рейс) под влиянием ветра и волнения моря

[42].За 26 месяцев, прошедших после докования (из них шесть меся­ цев плавания в тропиках), скорость газотурбохода «Парижская коммуна» на полном ходу упала на 1,5 уз (т. е. приблизительно на 8%), что соответствует увеличению мощности, потребляемой винтом, при неизменной скорости, примерно на 25% [46].

Более простой является оценка влияния таких факторов, как загрузка судна (осадка) и направление движения (ход вперед или назад). Определяющие их буксировочные характеристики судна с самого начала проектирования известны с достаточной достовер­ ностью. Обычно уменьшение сопротивления в балласте достигает 25% сопротивления в грузу, а сопротивление движению назад— на 10— 20% больше, чем на переднем ходу. Например, на ГТХ «Парижская

122

коммуна» при ходе в балласте (осадка Тср = 4,8 м) мощность, потреб­ ляемая винтом, уменьшалась почти на 25% по сравнению с ходом в грузу (с осадкой Тср = 9,7 м) [46].

При наличии ВРШ значение этих факторов уменьшается, осо­ бенно если его конструкция допускает любое количество микропере­ кладок, необходимых для процесса регулирования. В этом случае целесообразно, чтобы ВРШ имел собственный регулятор частоты вращения. Тогда от системы управления турбовинтовым комплексом к ВРШ будет поступать задание по частоте вращения, а не по поло­ жению лопастей, как это делается при отсутствии собственного регу­ лятора. Достоинством такого варианта воздействий является отсут­ ствие двух дистанционных связей внутри контура регулирования ча­ стоты вращения: от пульта управления ГТУ к механизму изменения шага ВРШ (задание) и от измерителя частоты вращения выходного вала к пульту управления (отработка). Каждая из этих связей является дополнительным звеном, содержащим нечувствительность, запаздывания и др., и тем самым может ухудшать качество регули­ рования. Например, дистанционная связь между пультом управле­ ния и ВРШ в период наладочных испытаний газотурбохода «Париж­ ская коммуна» имела большую нечувствительность — до 5%. Это приводило к сильным колебаниям лопастей при выходе на режимы. Только введение новой дистанционной связи с малой нечувствитель­ ностью (менее 1%) обеспечило устойчивую работу на всех режимах, включая полный ход и апериодический процесс выхода на режимы. Дистанционная же связь между пультом управления и входным уст­ ройством собственного регулятора частоты вращения ВРШ может влиять лишь на точность задания регулируемой частоты вращения. На устойчивость контура свойства этой дистанционной связи воздей­ ствовать не будут. Однако следует отметить, что дистанционная связь между пультом и ВРШ во всех случаях должна иметь высокий класс точности. Действительно, ее нечувствительность, если даже и не влияет на устойчивость, затрудняет точное задание скоростного режима ВРШ. Это в свою очередь делает неудобными (а иногда и не­ возможными) установку и корректировку находящихся близко один от другого режимов — таких, например, как полный и самый пол­ ный ход, на которых частота вращения различается примерно на 5%.

В заключение сделаем замечание по поводу режима «стоп судно» при использовании ВРШ. Хотя шаг работающего ВРШ, при котором судно неподвижно, обычно близок к H/D = 0, но установить его точное значение удается лишь экспериментально при испытаниях судна на плаву. Поскольку момент на винте в зоне малых шагов зависит от H/D незначительно, то на зависимости М = f (п)я/о~о возможное отличие НЮ = 0 от (H/D)Vs=о также мало сказывается,

т. е. практически не влияет на режим ГТУ. Тяга, напротив, при из­ менении шага вблизи (H/D)Vs==o может проявляться заметно, и

судно получает при неточной установке шага некоторый ход, даже в положении кулачкового вала «стоп судно». Возможность устране­ ния этой неточности какой-либо простой регулировкой следует учи­ тывать при планировании работ по наладке программы «винт—газ».

123

Г Л А В А IV

СОВМЕЩЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АГРЕГАТОВ

§17. Совмещение расходных характеристик турбин

икомпрессоров

Для наглядности анализа и для упрощения расчетов удобен метод наложения характеристик сети на универсальную характе­ ристику компрессора.

Здесь р, £0— коэффициенты увеличения расхода газа за счет топ­ лива (см. § 11) и уменьшения расхода за счет отбора на охлаждение и уплотнения; Д(?дин1— дополнительная разность расходов между сечениями на выходе из компрессорной группы и входом в турбинную группу, возникающая в динамике вследствие аккумуляции объема газовоздушного тракта (см. § 14); Gx и — весовой расход через турбинную группу и производительность компрессора.

Подставив в (199) соотношения

Уравнение (200) является характеристикой сети для компрес­ сора, подающего воздух в тракт перед турбинной группой, незави­ симо от схемы цикла ГТУ и от числа компрессоров. Из анализа этого уравнения следует ряд важных выводов, в частности, о малой зави-

т

симости характеристики сети ~ — idem от режима остальных тур­

бин и компрессоров установки. Например, в двухкомпрессорных схемах, имеющих многоступенчатую турбинную группу, приведен-

1 О погрешностях при определении йдин см. §. 14.

124

ный расхода! в диапазоне уровней давления от холостого до полного хода является практически постоянной величиной (см. § 2). В этом

же интервале практически неизменным ортается комплекс .

Поэтому на установившихся режимах и при малофорсированных пе­

мой линией, идущей из условного начала координат л, = 0 и а, = 0. При давлениях ниже давления режима холостого хода (например, на режимах запуска) на начальном участке до появления заметного наддува от КНД изменение величины а х — f (р2) практически зави­ сит только от степени сжатия в КВД я,. Таким образом, и на этом

т

участке характеристика сети определяется только отношением -Д-,

11

отклоняясь от прямой в начало координат характеристики компрес­ сора (Я] = 1 и а, — 0) благодаря зависимости а г от я,. Между двумя рассмотренными диапазонами имеется небольшой участок, на котором а ъ заметно изменяясь, зависит не только от я,, но и от

я и , т. е. от режима КНД. На этом участке изотермы т — idem

расслаиваются по я и. Однако в большинстве расчетов, за исключе­ нием некоторых случаев, требующих высокой точности, это расслое­ ние можно не учитывать вследствие его малости и незначительной протяженности рассмотренного участка.

При строгом учете всех факторов некоторое влияние на расслое-

Т

ние линий ~ = idem могут оказывать изменение частоты вращения

отдельных турбин турбинной группы, положение органов перепуска газа внутри турбинной группы, положение промежуточных направ­ ляющих аппаратов в турбинной группе. Однако влияние этих факто­ ров на а х в большинстве случаев либо очень незначительно, либо может быть учтено дополнительными коэффициентами в уравнении (200), что оставляет в силе сделанные выше выводы. В переходных режимах, на участках, имеющих значительные ускорения, изотермы в динамике смещаются по Я; пропорционально Адин1.

величина /един1. При запуске с открытым клапаном за компрессором, ближайшим к турбинной группе, смещение изотерм зависит также от величины перепуска:

125

при отсутствии наддува компрессора (в двухкомпрессорных схе­

мах — при я п = 1).

Для приближенной оценки характеристики сети можно восполь­ зоваться формулой Стодолы—Флюгеля в форме

«ю ^ У 1 - ( я 1Яи)у2 *

где индекс 0 соответствует номинальному режиму, а вместо общей степени расширения в турбинной группе использована близкая

кней величина общей степени сжатия; я* — степень сжатия в КВД;

яп — степень сжатия в компрессорах (одном или более), предшест­ вующих КВД.

Подставив (203) в (200), получим

Воднокомпрессорных схемах я и = 1 и соотношение (204) упро­ щается:

Вподкоренном выражении соотношения (204) первое слагаемое

вдиапазоне рабочих режимов во много раз больше единицы, благо­

даря чему влияние я и на я, в этом диапазоне незначительно. На малых и особенно на пусковых режимах оба слагаемых соизмеримы,

что приводит к указанному выше расслоению линий т = idem по я п.

Из сопоставления выражений (204) и (205) следует, что при оди­ наковом положении точки полного хода на характеристике компрес­

126

Аналогично из баланса расходов между двумя последовательно расположенными компрессорами

Уравнение (207) является хатактеристйкой сети для первого из двух указанных компрессоров.

Из анализа уравнения (207) следует важный вывод, что при дан­

ном а 1 и неизменном отношении ^ (например, при наличии возду­

хоохладителя) характеристика сети на стационарных и медленных переходных режимах также представляет собой прямую линию, выходящую из точки я п = 0, а п = 0. Эта линия проходит примерно эквидистантно границе помпажа, приближаясь к ней с уменьше­ нием а,.

При отсутствии воздухоохладителя температура перед вторым компрессором равна температуре на выходе из первого, поэтому, подставив (125) в (207), получим

<2М)

При травлении воздуха завоздухоохладителем смещение изо­ терм определяется величиной а0.п. в2 в уравнении

Из табл. 1 видно, что расхождение между непосредственно за­ меренной степенью сжатия и ее значением, вычисленным по форму­ лам (200) и (207), при практической точности измерений параметров ГТУ незначительно. Это позволяет использовать уравнения сети типов (200), (207) и им подобные не только для анализа, но и для вза­ имной увязки и проверки параметров в процессе измерений на ста­ ционарных и переходных режимах

Наглядное представление о влиянии отдельных факторов на совместную работу турбин и компрессоров в составе ГТУ дает гра­ фическое совмещение характеристик сети и компрессора. Например, в двухкомпрессорной схеме снижение частоты вращения КВД вызы-

127

вает при = idem и п и = idem смещение режима совместной

работы на характеристиках КНД и КВД из точки а в точку б (рис. 69). Обычно характеристика КВД подчиняется неравенству

Поэтому в рассмотренном случае не только режим КНД, но и режим КВД смещается в зону меньших ky.

Аналогичная картина наблюдается при ухудшении напорной характеристики компрессора (например, при заносе, при увеличении радиального зазора, связанном с износом мастики, и т. п.), так как при неизменной частоте вращения изодрома КВД смещается в об­ ласть пониженных степеней сжатия.

На рис. 70 приведены данные длительных испытаний одного из двигателей ГТУ-20 на стенде. На характеристике КВД нанесены изотермы tx = 750° С для широкого диапазона температур воздуха перед КВД tx (0—40° С), вычисленные по формуле (200). Все экспе­ риментальные точки (сплошные кружки) также соответствуют ре­ жимам, имеющим tx — 750°С и tx = 5—39° С. Приведение этих точек

к одной температуре воздуха перед компрессором txпр = 40° С по формуле

< 2 | 2 >

показывает их хорошее совпадение с линией tx = 40° С (контурные кружки), что свидетельствует о приемлемой точности нанесенных расчетных линий tx = idem (для tx = 750° С). Экспериментальные точки при высоких степенях сжатия КВД соответствуют начальному

128

периоду испытаний, при низких степенях сжатия —■концу доводоч­ ных и длительных ресурсных испытаний, связанных с заметным за­ носом КВД. На рис. 70, б нанесены экспериментальные точки из

числа приведенных на рис. 70, а, имеющие пп <=« 1. Точки, характе­ ризующие пониженную степень сжатия, соответствуют начальному периоду испытаний, повышенную — заключительному.

Сопоставляя рис. 69 и 70, нетрудно заметить, что отмеченная выше картина изменения режима на характеристиках компрессоров хо­ рошо подтверждается экспериментально. Здесь, так же как ранее, следует подчеркнуть, что совмещение характеристик сети и компрес­ сора, ближайшего к турбинной группе, не зависит от числа компрес-

соров перед ним. Таким образом, сделанные на примере двухкомпрес­ сорной схемы выводы справедливы как для однокомпрессорных схем, так и для схем с числом компрессоров более двух.

Совмещение расходных характеристик удобно для выполнения различных ориентировочных оценок. Например, для приближенного расчета температуры газа при использовании давления воздуха за компрессорной группой в качестве командного импульса, воздей­ ствующего на подачу топлива при запуске или разгоне (см. гл. V), удобен следующий способ.

Записав уравнение расхода воздуха через камеру горения в форме

где А 0 включает постоянные члены (параметры расчетного режима) формулы Стодолы — Флюгеля в форме (213), А 0 включает А а и посто­ янную, получаемую при приближенном представлении (143) в форме,

подобной (146).

При наличии регенератора Тв%к_т= Тв (Тв — температура воз­ духа за регенератором).