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

где ТУ, = -^ ’10— постоянная времени объема;

APi

P i

При выводе уравнения (241) давление и температура воздуха перед КВД приняты неизменными.

Уравнение для объема между КНД и КВД приобретает вид

Линеаризуя уравнение (231) и переходя к безразмерным коэффи­ циентам, получаем для корпуса судна

160

Для описания связи между подачей топлива и температурой газа часто используют уравнение камеры горения, пренебрегая ее объе­ мом, тепловой аккумуляцией и передаточным запаздыванием. Такое упрощение обычно оправдано, так как время, определяемое указан­ ными факторами, на порядок меньше постоянных времени объемов и роторов ГТУ, и процесс в камере горения для большинства иссле­ дований можно принимать квазистационарным (подробнее см. § 1 1 ).

Из баланса тепла в камере горения имеем

Температура воздуха Тв на выходе из регенератора (т. е. на входе в камеру горения) на протяжении переходных процессов, описы­ ваемых приведенными выше уравнениями, обычно остается неизмен­ ной из-за сильного изолирующего влияния регенератора. Поэтому, переходя к приращениям, получаем из (244) для Тв = const и

т)к г = const

Приведенные выше линеаризованные уравнения описывают соб­ ственно газотурбинную установку. Дополнив их дифференциальными уравнениями контуров регулирования, можно получить систему уравнений, необходимую для описания динамики турбовинтового комплекса с автоматическим управлением как в свободном движении, так и при различных внешних возмущениях.

Поскольку вопросы составления и анализа линеаризованных уравнений широко освещены в литературе, здесь сделаем лишь некоторые общие замечания.

Внастоящее время благодаря ЭВМ отпали трудности, связанные

свычислениями для систем линейных уравнений ГТУ практически любого интересующего порядка. Разработаны стандартные про­ граммы, с помощью которых можно быстро получить данные о ди­ намических свойствах системы (частотные характеристики, вид переходного процесса и др.). Это позволяет выбирать наиболее вы­ годные конструктивные характеристики и в конечном счете обеспе­

162

чивает оптимальный синтез системы управления ГТУ с точки зре­ ния запаса устойчивости, заброса параметров и т. п. При таком линейном анализе особое внимание необходимо уделять факторам, которые в реальной системе могут способствовать появлению или увеличению нежелательных нелинейностей. Например, при исполь­ зовании в регуляторах ГТУ узлов силовой компенсации типа пока­ занной на рис. 134 следует учитывать, что усилия от контактов седло— шариковый клапан — жиклер могут иметь заметную величину. Поэтому увеличение запаса устойчивости, полученное при линейном анализе (например, благодаря уменьшению коэффициента усиле­ ния за счет уменьшения управляющего усилия), может привести в реальном контуре регулирования к появлению колебательного режима, вызванного увеличением нечувствительности, поскольку для преодоления указанных контактных усилий потребуется боль­

исходя из допущения о том, что при малых отклонениях от п0 мощ­ ность турбины остается неизменной (см., например, [57]), т. е. кру­

тящий момент турбины оценивается в форме AfT = -co^ st (рис. 77 —

штриховые линии). При рассмотрении работы свободной тяговой турбины (например, совместно с гребным винтом, т. е. Мс = Мв) такое допущение справедливо. Действительно, 'при Вт= const параметры перед тяговой турбиной практически неизменны. Следо­ вательно, изменение ее мощности при изменении частоты вращения определяется в основном только характером кривой к. п. д., который в соответствии с рис. 15 вблизи максимума, обычно имеющего место на установившихся режимах, меняется незначительно. При рас­ смотрении работы турбины компрессора (Мс = М к) указанное допу­ щение может привести к грубой ошибке, так как в случае В = const при снижении частоты вращения турбокомпрессора суммарное влия­ ние уменьшения расхода газа, к. п. д. и степени расширения на мощ­ ность турбины оказывается больше, чем влияние увеличения темпе­ ратуры газа, в результате чего мощность турбины заметно снижается. При увеличении частоты вращения мощность турбины по тем же при­ чинам повышается (см. рис. 77 — сплошные линии). Таким образом,

можность получения на отдельных режимах (например, холостого хода) положительной величины коэффициента самовыравнивания а, свидетельствующей о неустойчивости турбокомпрессора. При допу-

а 0, свидетельствующего о большом запасе собственной устой­ чивости ГТД (турбокомпрессора). Это противоречит выработанному практикой требованию производить оценки с запасом в неблагоприят-

ную сторону. Поэтому использования указанного допущения для анализа ГТД при оценке динамических свойств турбокомпрессора следует избегать.

§23. Приемистость и режимы остановки ГТУ

Увыполненных судовых ГТД время разгона от холостого до пол­ ного хода, как правило, не превышает 3—5 мин.

Допускаемые кратковременные забросы параметров при разгоне

обычно не превышают 1,5% для температуры газа и 2—3% для ча­ стоты вращения. Минимальный запас по помпажу Л£у не должен уменьшаться ниже 10— 15%.

Эффективным средством ускорения разгона ГТД в схемах, где винт жестко связан с компрессором, является применение ВРШ. Облегчая винт в период разгона, можно использовать освободив­ шуюся мощность тяговой турбины для ускорения разгона турбо­ компрессоров. В схеме со свободной тяговой турбиной для ускоре­ ния разгона наиболее инерционного агрегата — турбокомпрессора (или турбокомпрессоров) газогенерирующей части — наиболее эффективно увеличение теплоперепада на его турбине путем травле­ ния газа перед тяговой турбиной или раскрытия регулируемого соплового аппарата тяговой турбины (как это сделано, например, на ГТД судна «Джон Саржент»).

Эффективным способом увеличения приемистости является умень­ шение диапазона частоты вращения между отдельными установив­ шимися режимами, так как при этом снижается влияние основного аккумулятора энергии — массы вращающихся частей ГТУ.

При нормальной (плановой) остановке двигатель выводят на ре­ жим холостого хода и после некоторого времени, необходимого для стабилизации температур его деталей (для судовых регенеративных ГТД — обычно около 10 мин), выключают подачу топлива. Выбег вращающихся частей двигателя (время с момента выключения топ­ лива до прекращения вращения) фиксируется. Уменьшение выбега по сравнению с данными, полученными при вводе двигателя в экс­ плуатацию, может свидетельствовать о каких-либо неисправностях — например, задевании, задирах в подшипниках и т. п. Выбег роторов ГТУ-20 при остановке с холостого хода составляет примерно 5 мин.

Кроме плановых остановок возможны экстренные и случайные остановки с любого из режимов двигателя. Причиной этих остановок может служить срабатывание какой-либо защиты или аварийная ситуация, требующая немедленного выключения топлива. В этом случае предварительное охлаждение двигателя на холостом ходу исключается. В двигателях с регенератором и ГТД легкого типа указанные внеплановые остановки не вызывают особо нежелатель­ ных последствий.

При отсутствии регенератора, особенно в ГТД промышленного типа, остановка с больших режимов приводит к термическому удару, так как на горячие части двигателя с момента выключения топлива

164

поступают холодные массы воздуха, перекачиваемые через двигатель вращающимися по инерции компрессорами.

В эксплуатации безрегенераторных ГТУ известны случаи появ­ ления трещин на турбинных дисках и лопатках и даже аварии ГТД в результате нескольких внеплановых остановок. Для предотвраще­ ния термических ударов в безрегенераторных ГТД целесообразно применять заслонки, сблокированные с подачей топлива: в момент выключения топлива такая заслонка перепускает основную массу холодного воздуха в обвод турбин.

В ряде случаев может оказаться необходимым прекратить на­ чальный процесс остановки двигателя (например, при ложном сра­ батывании защиты). Как показали специальные проверки, проведен­ ные на ГТУ-20, после выключения топлива при вращающихся рото­ рах можно вновь запустить установку. Для этого нужно повторить все операции запуска. В случае подачи рабочего топлива при частоте вращения ТКВД, превышающей частоту вращения, соответствующую отсоединению стартера, последний можно не включать.

§ 24. Работа турбовинтовой группы при реверсе

Реверс ГТД с турбиной заднего хода. Этот вид реверса может быть осуществлен только на ГТД, имеющем свободную тяговую тур­ бину, поскольку любая жесткая связь с компрессором исключает возможность изменения направления вращения.

На рис. 92, а приведены совмещенные характеристики винта и ГТД с ТЗХ, по которым удобно рассмотреть процессы, происхо­ дящие при реверсе.

В точке 1 момент сопротивления винта равен вращающему мо­ менту турбины переднего хода, и турбовинтовая группа находится в состоянии устойчивого равновесия, соответствующем полному переднему ходу судна. Если теперь мгновенно переключить газ с турбины переднего хода на турбину заднего хода, то при частоте вращения пПхо> к моменту сопротивления винта прибавится вра­ щающий момент ТЗХ, направленный в ту же сторону (против вра­ щения переднего хода), что и момент винта. Под действием суммар­ ного момента, определяемого отрезком 1—2 , частота вращения начнет уменьшаться. При этом начнут уменьшаться вращающий момент ТЗХ (по линии II) и момент сопротивления винта (по линии III), если считать в первом приближении, что скорость судна в началь­ ном периоде реверса остается неизменной. При частоте вращения п момент сопротивления винта станет равным нулю, а затем вплоть до полной остановки гребного вала на винте будет вращающий мо­ мент (направленный против остановки винта), вызванный набегаю­ щим потоком воды, — винт работает в турбинном режиме.

После остановки гребной вал изменит направление вращения и частота вращения снова начнет повышаться вплоть До точки 3, в ко­ торой вращающий момент ТЗХ станет равным моменту сопротивле­ ния винта. При неизменной скорости судна переходный процесс

165

в этой точке должен был бы закончиться. Однако под действием боль­ шой отрицательной тяги, развиваемой винтом, судно начинает сни­ жать скорость. Это приводит к уменьшению момента сопротивления на винте (по мере перехода от линии II I к линии V) и, следовательно, к дальнейшему увеличению частоты вращения, — переходный про­ цесс идет вдоль линии вращающего момента ТЗХ (линии II), тдк как именно здесь лежат точки пересечения линий моментов турбины и винта. В точке 4 судно останавливается, однако под действием

Рис. 92. Характеристики при реверсе: а — с турбиной заднего хода:

отрицательного упора на винте начинает двигаться назад с непре­ рывно увеличивающейся скоростью. Переходный процесс продол­ жает идти вдоль линии II, вплоть до достижения скорости полного заднего хода, когда тяга винта становится равной сопротивлению судна, а вращающий момент турбины — моменту сопротивления винта, что приводит к окончанию переходного процесса.

Таким образом, рассмотренный переходный процесс состоит из двух периодов. В первом периоде при неизменной скорости судна под действием избыточного момента выходной вал останавливается и разгоняется в противоположном направлении вплоть до частоты вращения, соответствующей равенству вращающего момента ТЗХ и момента сопротивления винта. Во втором периоде под действием от­ рицательной тяги судно начинает снижать скорость до полной оста­ новки, а затем увеличивать вплоть до достижения заданной скорости заднего хода. Время первого периода определяется моментными характеристиками винта и ТЗХ (линии II и III), а также моментом инерции всей турбовинтовой группы. Время второго периода опре­ деляется моментными характеристиками II— V, тяговыми характе­ ристиками винта и буксировочной характеристикой судна, а также

166

массой (водоизмещением) судна. Допущения о мгновенном НереХоДё

стурбины переднего хода на ТЗХ и о неизменности скорости судна

впервом периоде реверса, принятые для простоты рассмотрения, вполне оправданны, так как время перекладки органов реверса со­

ставляет несколько секунд, а время первого периода в несколько раз меньше всего времени реверса.

Реверс ГТД с ТЗХ имеет существенный недостаток. При вращении ТЗХ на режимах переднего хода возникают большие потери на тре^ ние и вентиляцию, что обусловливает требование всемерного уменьшения размеров ТЗХ, т. е. ее мощности. Последнее приводит к ухуд­ шению маневренных свойств судна, снабженного этим видом реверса. Правда, как показывают исследования, повышение мощности ТЗХ сверх некоторого предела, связанного с различными параметрами судна, не дает существенного эффекта в выбеге [10]. Это в ряде слу­ чаев может облегчить организацию приемлемого реверса ГТУ с ТЗХ.

Другим недостатком является то, что органы переключения из-за высоких температур и больших объемов газа получаются малона­ дежными и имеют большой габарит. По сравнению с паровыми тур­ бинами, где реверс с ТЗХ нашел широкое применение, ГТД находится в неблагоприятных условиях, так как он не имеет вакуума, в котором обычно вращается паровая ТЗХ на переднем ходу, и объемные рас­ ходы газа в нем в несколько раз выше расходов пара вследствие низ­ ких давлений и высоких температур рабочего тела в ГТД. Из-за уменьшенных размеров ТЗХ расход газа на нее меньше, чем на тур­ бину переднего хода, поэтому при переключении газа с одной тур­ бины на другую необходимо изменять подачу топлива, чтобы при изменившемся противодавлении за турбокомпрессором не изменился его режим. Это также усложняет реверс.

Реверс ГТД с реверсивной передачей. Этот вид реверса может быть осуществлен на ГТД любой схемы, так как направление вра­ щения тяговой турбины не изменяется. Реверсивная передача ра­ ботает следующим образом. На переднем ходу тяговая турбина че­ рез гидромеханическую муфту жестко соединена непосредственно с ведущей шестерней редуктора; насос и турбина гидромуфты заднего хода вращаются в противоположные стороны. При реверсе жесткое соединение муфты1 выводится из зацепления и передача осуще­ ствляется через гидравлическую часть муфты. Затем подается масло на гидромуфту заднего хода, а муфта переднего хода опустошается. Турбина гидромуфты заднего хода вращается при этом в направле­ нии, обратном ее нормальному направлению, и развивает крутя­ щий момент, характеристика которого аналогична характеристике газовой ТЗХ. Поэтому весь переходный процесс при реверсе каче­ ственно не отличается от рассмотренного выше реверса с ТЗХ. Недостатком рассмотренной системы является вращение вхолостую муфты заднего хода на режимах переднего хода, что, так же как

вслучае с ТЗХ, приводит к потере мощности на трение и вентиляцию.

1На переднем ходу жесткое соединение вводят, чтобы избежать потерь мощности, которые имели бы место при работе только на гидромуфте.

167

Существенным недостатком практически является необходимость синхронизации валов при переходе с заднего на передний ход для жесткого их соединения муфтой, а также обилие последовательных операций при реверсе, обусловленных тремя обязательными орга­ нами — двумя гидромуфтами и муфтой жесткого сцепления. Все это, безусловно, затрудняет управление турбовинтовой группой, услож­ няет этот вид реверса и снижает его надежность.

Реверс ГТД с ВРШ. Так как винт регулируемого шага не требует изменения направления вращения тяговой турбины, то его можно применять с ГТД любой схемы.

На рис. 92, б приведены характеристики момента сопротивления ВРШ при изменении шагового отношения HID и при неизменной частоте вращения для трех скоростей судна (кривые I, II, III). В точке 1 крутящий момент ГТД равен моменту сопротивления винта, а тяга винта — сопротивлению движения судна, т. е. имеет место установившийся режим полного переднего хода. Установившемуся режиму полного заднего хода соответствует точка 5. Рассмотрим реверс с полного переднего на полный задний ход. Для упрощения будем считать (так же как в случае с ТЗХ), что в начальный период маневра скорость судна изменяется мало и поэтому может быть при­ нята неизменной. Тогда по мере перекладки лопастей момент сопро­ тивления винта будет изменяться по линии I.

На участке 1— 2 винт облегчается, в связи с чем необходимо умень­ шить крутящий момент двигателя, причем желательно по линии /, так как в этом случае благодаря равенству моментов винта и ГТД частота вращения будет оставаться неизменной. В точке 2 момент винта принимает значение полного переднего хода, и, следовательно, двигатель снова полностью нагружен. Полная перекладка лопастей современного ВРШ может быть произведена за 10—30 с, поэтому участок 1—2, на котором двигатель недогружен, а упор заднего хода на винте непрерывно растет, желательно пройти с максималь­ ной скоростью перекладки, т. е. за несколько секунд. После выхода в точку 2 перекладку целесообразно замедлить и вести вслед за изме­ нением скорости судна до полного заднего хода (или в крайнем слу­ чае до остановки) таким образом, чтобы момент сопротивления на винте все время был равен полному крутящему моменту ГТД. Это обеспечит неизменность частоты вращения, и с ГТД будет сниматься полная мощность, т. е. на винте будет максимально возможная тяга: реверс будет осуществлен в кратчайшее время. Действительно, если перекладку от точки 2 вести быстрее, чем указано, — например с максимальной скоростью, то положение лопастей, соответствующее полному заднему ходу, будет достигнуто практически еще на пол­ ной скорости судна вперед, момент сопротивления на винте (точка 3) будет намного больше полного момента ГТД, и под действием этой разности частота вращения будет падать вдоль внешней характери­ стики двигателя. Как следует из выходных характеристик трех рас­ смотренных выше схем ГТД (рис. 79), мощность ГТД будет при этом падать. Если рассмотреть другой крайний случай — перекладку в точке 2 вообще прекратить, — то по мере изменения скорости судна

168

момент сопротивления винта будет падать от точки 2 до точки 4, соответствующей заднему ходу судна с принятым положением лопа­ стей. Крутящий момент двигателя при этом придется уменьшить, так как в противном случае частота вращения превысит значение полного хода, что недопустимо.

Снижение крутящего момента двигателя при неизменной частоте вращения соответствует снижению мощности, передаваемой на винт, т. е. уменьшению тяги.

Таким образом, после точки 2 чрезмерное замедление перекладки, так же как ее чрезмерное ускорение, приводит к замедлению реверса. Поэтому целесообразно либо вводить кратковременную задержку перекладки в точке 2 (как, например, на ГТУ-20), либо реализовать переменную скорость перекладки, как указано в § 16.

Реверс с помощью ВРШ не имеет недостатков, присущих двум рассмотренным выше устройствам. Действительно, в процессе всего реверса (за исключением участка 1—2 ) двигатель в большинстве слу­ чаев может развивать полную мощность, т. е. обеспечивает судну наилучшие маневренные характеристики, несмотря на несколько меньший к. п. д. ВРШ по сравнению с к. п. д. ВФШ. Управление ВРШ простое, так как не требует манипуляций одновременно с несколь­ кими устройствами (типа двух перепускных органов ТЗХ или трех муфт реверсивной передачи).

§ 25. Переходные режимы при запуске

Запуск занимает особое место среди переходных процессов судо­ вых газотурбинных установок. Являясь весьма ответственным экс­ плуатационным режимом, он вто же время наиболее трудно поддается анализу, так как основные этапы запуска протекают при параметрах, далеких от расчетных. Крайне низкие перепады давлений и темпе­ ратур на турбинах, компрессорах, трактах и малые крутящие мо­ менты чрезвычайно затрудняют большинство измерений, в связи с чем экспериментальный материал по характеристике основных агрегатов ГТУ на режимах запуска, как правило, весьма ограничен и менее достоверен, чем на других режимах. Поэтому важное практи­ ческое значение приобретают приближенные приемы анализа, со­ держащие достаточный расчетный запас на различные трудноучи-

тываемые факторы.

Основные задачи, возникающие при запуске, связаны с орга­ низацией такого процесса, который при минимальной мощности пускового устройства надежно обеспечивает работу компрессоров в допомпажной области и кратчайшее время выхода на минимальный рабочий режим без существенных термических перегрузок. Указан­ ные свойства должны обеспечиваться с учетом возможного эксплуата­ ционного ухудшения характеристик установки и наиболее неблаго­ приятного изменения внешних условий.

Анализ пусковых режимов судовых ГТУ показывает, что в боль­ шинстве случаев можно пренебрегать влиянием объемов газовоздуш­

169