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

я)

в)

Рис. 79. Выходные характе­ ристики судовых ГТУ: а — двухкомпрессорная схема с блокированным КНД (рис. 1, а); б — схема со свобод­ ной тяговой турбиной (рис. 1, б); в — простейшая схема (турбокомпрессор с камерой

горения).

Черточка над буквой означает, что величина отнесена к ее зна­ чению на полном ходу.

140

винтового комплекса в составе судна. В частности, на различных этапах проектирования с их помощью наиболее наглядно может быть проведен сравнительный анализ эффективности оптимальных про­ грамм управления и характера частичных режимов.

Ниже дается в качестве примера такой анализ для установки ГТУ-20.

На рис. 80 приведены выходные характеристики, построенные по данным эскизного проекта. Из их рассмотрения можно сделать сле­ дующие выводы. Область возможных режимов ограничена сверху линией предельной мощности и температуры, а снизу —■границей

"'/Нео

Рис. 80. Расчетные выходные характеристики ГТУ-20 (эскизный проект).

помпажной зоны КНД. При номинальной винтовой характеристике (т. е. при шаге ВРШ, соответствующем полному ходу, или при работе на винт фиксированного шага) в районе 60%-ной частоты вращения возникает неустойчивый режим, а при дальнейшем снижении работа становится невозможной, так как потребляемая винтом мощность превышает мощность, развиваемую ГТУ.

Программе экстремального управления по экономичности соот­ ветствует линия минимального расхода топлива на милю, проходя­ щая через точки максимальной скорости, достижимой при данном расходе топлива. Однако такая программа может быть реализована только в пределах мощности 25—75%, так как выше указанного интервала минимальный расход топлива при данной скорости опре­ деляется предельной температурой газа, а ниже — запасом устой­ чивости.

Таким образом, в диапазоне мощностей 75—100%, т. е. в основ­ ном рабочем интервале транспортного судна, оптимальная программа управления определяется одним параметром — постоянной (макси­ мальной) температурой газа. Следовательно, в рабочем диапазоне

141

операции по поддержанию оптимальной программы «винт—газ», которая может рассогласовываться при изменении атмосферных условий, ветра, волнения, изменения первоначальных характери­ стик ГТУ, ВРШ, корпуса судна, можно свести к ручному или авто­ матическому регулированию максимальной температуры газа, т. е.

рактере воздействий режим по пв будет нестабильным, так как практически точка пересечения линии В = const с линией = = const при различных эксплуатационных состояниях меняет свое положение. Так же, как в первом случае, для перехода на новый режим в точку 1 необходимо уменьшить подачу топлива и увеличить шаг винта.

Как показал расчетный и экспериментальный анализ (рис. 82), в рассматриваемом диапазоне мощностей линия постоянной темпе­ ратуры практически совпадает с линией постоянной частоты враще­ ния ТКВД. Совпадение не нарушается и при изменении температуры атмосферного воздуха. Отсюда следовал важный вывод, что до надеж­ ного освоения регулирования ГТУ по температуре газа можно использовать более простое и отработанное автоматическое регули­

рование частоты вращения ТКВД. Это и было реализовано

(см. гл. VIII).

За пределами режимов больших ходов (ниже мощности 75%) минимальный расход топлива для заданной скорости судна не опре­ деляется каким-либо одним параметром, что затрудняет управление по оптимальной программе при изменении внешних условий и ха­ рактеристик турбовинтовой группы. Однако на пониженных режи­ мах отклонение от оптимальной программы незначительно влияет на экономические показатели транспортного судна. Поэтому можно ограничиться работой вблизи оптимальной программы, которая на

142

этом участке по характеру близка к программе, характеризуемой линиями постоянного шага винта.

Выходные характеристики, полученные расчетами технического

нию перед форсунками — см. гл. VI). Воздействия производились по жесткой программной связи, определяемой профилированием кулаков пульта. Поскольку это обеспечивало простейшую структуру управления, то для того, чтобы исключить необходимость какихлибо усложнений, предполагалось проверить эксплуатационную допустимость этого исходного варианта. Стендовые испытания пер-

143

вого этапа выявили большое число факторов, смещающих режим при постоянной подаче топлива, — таких, как изменение тепло-

Рис. 83. Выходные характеристики ГТУ-20 по результатам стендовых испытаний.

144

и шаг винта по указанной выше линии выходных характеристик, но не непосредственно, как первоначально, а через контуры регу­ лирования частоты вращения ТКВД и ТКНД Т

Для иллюстрации собственной устойчивости ГТУ при различных законах регулирования на различных режимах на рис. 85 приведены выходные характеристики ГТУ-20, построенные по результатам ходовых испытаний. Видно, что наибольшее саморегулирование,

Рис. 85. Выходные характеристики ГТУ-20 при различных законах регулирования.

1 - В т const (на ПХЭ 2800 кг/ч, на СХ 1800 кг/ч, на MX 1100 кг/ч); 2 — t x — const (со-

обусловленное углом между характеристиками отвода (характери­ стика винта) и подвода (характеристика ГТУ), соответствует закону регулирования В = idem.

Законы Д = idem и — idem соответствуют значительно мень­ шему саморегулированию.

В схеме рис. 79, в разница между законами Вт= idem и tx — idem еще больше, а в схеме рис. 79, б она практически отсутствует, так как из-за малого влияния частоты вращения тяговой трубины на

1 Регулируемый КПГ позволяет реализовать программу, при которой частота вращения ТКВД и ТКНД постоянна на всех режимах. Это исключает необходимость согласованной перенастройки контуров регулирования частоты вращения ТКВД и ТКНД на частичных и переходных режимах, что заметно упрощает систему уп­ равления. Недостатком является резкое снижение экономичности вследствие пере­ пуска газа. Регулируемый направляющий аппарат ТНД в значительной мере устра­ няет этот недостаток.

На рис. 8 6 приведена выходная характеристика двигателя, имеющего 'свободную тяговую турбину (ТНД), с линией работы регулятора частоты вращения ТНД, который воздействует на ре­ гулятор расхода топлива (см. схему рис. 118).

В спаренных ГТУ (два газотурбинных двигателя работают на один винт) при выключении одного из двигателей или уменьшении его режима и неизменном шаге винта второй двигатель оказывается перегруженным. Особенно заметно это проявляется в схемах ГТУ с компрессором, жестко соединенным с гребным валом, так как от­ ключение двигателя не только уменьшает суммарную мощность, передаваемую винту, но требует дополнительной энергии от второго двигателя на вращение блокированного компрессора.

Рис. 86. Выходные характеристики ГТД со свободной тяговой турбиной.

1 — характеристика регулятора частоты вращения выходного вала, 2 — внешняя характеристика дизеля, близкого по мощности (индекс О соответствует режиму полного хода).

^Для упрощения построений выходную характеристику спарен­ ной ГТУ удобно изображать в виде выходной характеристики одного двигателя, но с удвоенным значением мощности по оси ординат ха­ рактеристики. В этом случае при отключении одного двигателя орди­ ната характеристики винта условно должна удваиваться, а при работе блокированного компрессора — дополнительно возрастать на величину мощности вращаемого компрессора. Естественно, что такое построение допустимо только при одинаковых характеристиках двигателей спаренной ГТУ. При заметных различиях характеристик анализ существенно усложняется, так как для определения совме­ стной работы ВРШ и двух двигателей на установившемся режиме необходимо выбрать для каждого двигателя линию по принятому закону регулирования (В = idem, t1 = idem и т. п.) и просумми­ ровать обе выбранные линии. Точка пересечения с винтовой харак­ теристикой определит частоту вращения, соответствующую балансу всех трех мощностей. Из рассмотрения выходных характеристик следует, что схема со свободной тяговой турбиной допускает отключение второго двигателя без изменения шага.

146

Для схем с блокированным компрессором практически во всех случаях для работы при отключенном втором двигателе требуется ВРШ. При этом отключение двигателя по топливу обычно целесооб­ разно только в аварийных случаях и при различных кратковремен­ ных отказах. Длительная работа на одном двигателе целесооб­ разна только при отсоединении остановленного двигателя, чтобы не требовалось затраты энергии на вращение его компрессора.

§ 20. Выбор запаса по помпажу компрессоров

Анализ данных испытаний примерно 30 транспортных, судовых и стационарных ГТУ показал, что фактическая зона между линией рабочих режимов и границей помпажа (запас по помпажу) для боль­ шинства ГТУ в широком диапазоне режимов превышает Aky = = 20—25%. Об этом свидетельствуют следующие данные:

Как правило, на ГТУ, у которых в начале наладки или внедре­ ния величина этой зоны была меньше Aky = 15%, наблюдалось значительное число помпажей. В большинстве случаев в процессе наладки или при создании следующих модификаций запасы были увеличены до значений Aky ^ 2 0 % .

Вкачестве примера можно привести судовую установку ГТУ-20,

вкоторой в процессе наладочных испытаний для исключения пом­

третья часть остановок машин, находящихся в эксплуатации, была вызвана помпажем. Поэтому на следующей модификации (ГТ 700-5) запас по помпажу был увеличен до 30% (по расходу), что практи­ чески ликвидировало помпажи [35].

Однако большие запасы обычно связаны с использованием зон характеристик компрессоров, имеющих пониженные к. п. д. и сте­

гаются из большого числа различных составляющих, обоснованный учет которых может способствовать правильному выбору оптималь­ ной зоны между линией стационарных режимов и границей помпажа.

Влияние объемов трактов. На переходных режимах процессы, связанные с падением давления в трактах за компрессорами ГТУ, могут приводить к заметному уменьшению запасов по помпажу. Это связано с уменьшением общей проточной способности сети, на которую работает компрессор (см. § 17). Для приближенной оценки этой составляющей запаса следует с помощью зависимостей § 17

мому компрессору и к тракту за" ним.

На рис. 87 для примера приведена расчетная зависимость между изменением запаса по помпажу КВД и скоростью изменения давле­ ния в объеме за КВД установки ГТУ-20 (V <=» 16 м3). Зависимость построена для параметров за КВД в области малых ходов, что соот­ ветствует наибольшему влиянию объемов тракта. Имея такие гра­

фики и располагая данными о возможной скорости изменения давления в объеме за

компрессорами, можно, оценив dp , при­

ближенно определить требуемый запас по Aky. Основной трудностью при этом яв­ ляется значительная неравномерность ускорений в реальных переходных про­ цессах.

Например, в целом медленный пере­

на каком-либо из участков процесса. До проведения подробного динамического анализа обоснованное выявление таких участков сопряжено с большими трудностями. В этих случаях следует по расчетным или экспериментальным данным о переходных процессах близких прототипных ГТУ провести обработку про­

цессов, имеющих наибольшую неравномерность В результате

можно установить поправочный коэффициент kH= \ dx /шах / \ dx / ср

(индексы шах и «ср» относятся соответственно к максимальному уско­ рению, наблюдаемому на режиме, и среднему ускорению, получае­ мому путем деления разности давлений в начале и конце процесса на время процесса). Анализ большого числа маневров ГТУ-20, вы­ полненных с окончательно принятыми программой и системой управ­ ления, показал, например, что kH^ 2 .

Определив ориентировочно ^ . для заданного времени пе­

реходного режима, нетрудно, пользуясь коэффициентом ka, оценить

148

приближенно определить требуемый запас Aky на объемы трактов при реализации заданного времени маневра. Впоследствии, при под­ робном динамическом анализе, эта составляющая будет неоднократно уточняться, однако ее предварительная оценка необходима для одновременного выбора параметров цикла, режимных точек на ха­ рактеристиках компрессоров и т. п.

Для иллюстрации пользования гра­ фиком рис. 87 приведем следующий пример. Приняв в качестве заданного времени перехода с режима полного на режим малого хода 1 0 0 с и оценив перепад давлений в тракте за КВД ве­

*кгг/г*м2

но и разгона, сделанный вывод не утрачивает смысла, так как наи­ большие Akyl на рис. 8 8 в основном соответствуют режимам сброса.

Смещение границы помпажа компрессора из-за заноса и влаго-

содержания. Определение этой составляющей весьма сложно. Для ее оценки необходимы различные испытания на натурных моделях компрессоров, позволяющие построить зависимость Aky (смещения границы помпажа) от расхождения изодром (см. § 9). Имея такую зависимость для компрессоров рассматриваемой ГТУ или прибли­ женно распространяя на эти компрессоры зависимости, известные для компрессоров других ГТУ, можно сделать некоторые количе­ ственные выводы. Так, основываясь на опыте эксплуатации газотурбохода «Парижская коммуна», можно ориентировочно установить, что максимальное расхождение изодром КВД в период между очи­ сткой и промывкой в отдельных случаях доходило до 3%, а коли­ чество воды в воздухе (после действующих фильтров и водоотбойников), по ориентировочным расчетам, может составлять —0,25%. Имея эти данные, по графикам рис. 42 можно ориентировочно оце­

149