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

ных трактов и проточных частей. Действительно, процесс запуска в основном характеризуется положительной величиной , что

обусловливает превышение расхода воздуха (газа) на подводе по сравнению с расходом на отводе для любого участка газовоздушного тракта (см. § 14). Как следствие, фактические процессы на харак­ теристиках компрессоров расположены правее, т. е. дальше от гра­ ницы помпажа, чем процессы без учета объемов. Величина этого от­ клонения при запуске даже для установок с регенерацией и проме­ жуточным охлаждением составляет максимум 2—3%, т. е. соизмерима с точностью определения расходов, и, кроме того, обусловливает расчетный запас на ширину рабочей зоны характеристик компрес­

соров. 4 Существенному упрощению анализа пусковых режимов способ­

ствует также возможность исключить из рассмотрения регенератор, так как в большинстве случаев программа управления запуском связана с измерением и регулированием таких параметров, как тем­ пература газа перед турбиной, частота вращения и т. п. Поэтому обычно оказывается возможным компенсировать динамические свой­ ства регенератора соответствующим изменением подачи топлива. Промежуточные воздухоохладители в качестве динамических звеньев, как правило, тоже могут быть исключены из рассмотрения, так как температура охлаждающих поверхностей при запуске, так же как на других режимах ГТУ, близка к температуре воды, и в динамике влияние их тепловой емкости заметно не проявляется (см. § 1 2 ). Опытные данные [45] и анализ показывают, что из рассмотрения можно также исключить тепловую емкость металла проточных ча­ стей, так как при малых степенях расширения влияние увеличенного показателя политропы на располагаемую работу незначительно.

Благодаря малой металлоемкости, незначительным объемам и быстродействию процесса горения в большинстве случаев при ана­ лизе запуска можно также не рассматривать динамику камер горе­ ния (в редких случаях, когда это необходимо, можно воспользоваться рекомендациями § 1 1 ).

Таким образом, в исследованиях запуска, как правило, удается ограничиться квазистационарным описанием процессов, рассматри­ вая в качестве аккумуляторов только роторы турбокомпрессоров и другие элементы вращения.

Ниже с учетом приведенных соображений рассмотрены основные вопросы, возникающие в практике расчетов запуска.

Для схем современных судовых ГТУ наиболее общим является рассмотрение запуска установки с двумя последовательно распо­ ложенными компрессорами — КНД и КВД — при раскрутке пуско­ вым устройством турбокомпрессора высокого давления. Результаты этого рассмотрения нетрудно распространить на однокомпрессор­ ные и многокомпрессорные установки с раскруткой пусковым устройством двух или более турбокомпрессоров. Зависимости (200) и (2 0 2 ) являются уравнениями сети (с учетом /гДин ^ 1 ) и для режима запуска. В частности, из этих соотношений определяется запас

170

устойчивости относительно границы помпажа в пусковом режиме.

Примем для оценки этого запаса соотношение (131). Подставив (200) в (131), получим

Учитывая, что на пусковом режиме изодромы вблизи границы помпажа идут сравнительно полого, в ряде случаев можно упростить выражение (246), приняв а 1п = аЧр1р,, Тт. е. (при Т ы1г = Г1р) 1

бокомпрессора, близких к расчетным (рис. 93). Подобная картина наблюдается и в одновальных ГТУ, имеющих многоступенчатую турбину [45].

Турбины, расположенные в выходной части турбинной группы (тяговая турбина, турбины остальных компрессоров), в процессе раскрутки ТКВД могут иметь пониженные (и/с0)т. ср вплоть до (ы/с0)т ср = 0. Однако влияние изменения пропускной способности этих турбин на а х всей турбинной группы, как правило, мало и соиз­ меримо с суммарными погрешностями расчета запуска, т. е. может не приниматься во внимание. Более того, пониженное (ы/с0)т ср последующих турбин, обусловливая некоторое увеличение про­ пускной способностью турбинной группы, в известной мере компен­ сирует уменьшение а х при повышенных значениях (ы/с0)т. ср тур­ бины высокого давления. Благодаря этому в практических расче­ тах запуска обычно отпадает необходимость учитывать влияние частоты вращения на пропускную способность раскручивающей

171

На большей части процесса запуска давление перед турбиной р г существенно влияет на величину а 1; в отличие от большинства уста­

достаточно незначительна, чтобы в большинстве практических иссле­ дований ее можно было не принимать во внимание (см. рис. 94, б).

ЛТ

Рис. 94. Пропускная способность турбин при запуске: а — семиступенчатая реактив­ ная турбина ГТ 25-700 ЛМЗ [45]; б — турбинная группа ГТУ-20 ЛКЗ (две последо­ вательно расположенные двухступенчатые турбины со степенью реактивности сту­ пеней 20—30%).

1 — по опытным данным; 2 — по формуле Стодолы —Флюгеля; I — зона пусковых режимов;

II — зона рабочих режимов от холостого до полного хода

помимо детального поступенчатого расчета турбинной группы до­ статочно точные результаты дает формула Стодолы— Флюгеля:

где величины с индексом 0 принимаются из известного режима, бли­ жайшего к пусковому диапазону (например, холостого хода). По­ скольку некоторые экспериментальные данные (особенно для мало­ ступенчатых турбин) указывают на возможность получения для действующей ГТУ пониженных значений-ах (см. рис. 94) по сравне­ нию с вычисленными по формуле (248), иногда целесообразно с целью расчетного запаса применять несколько измененное соотношение:

(249)

Заниженное значение а х при использовании формулы (249) обусловливает получение менее благоприятных данных, чем пред­ полагается впоследствии получить при испытаниях, так как в соот-

172

ветствии с зависимостью (2 0 2 ) вычисленная линия режима л, = f (а,) на характеристике компрессора будет смещена в область меньших расходов и меньших к. п. д., а предельная температура Т 1п, соответ­ ствующая перемещению режимной точки вдоль границы помпажа, окажется ниже, т. е. понизится вычисляемая предельная мощность турбины. Как следствие, выбранные по результатам такого расчета характеристика пускового устройства и программа подачи топлива будут содержать резервы для компенсации отклонений реальных пусковых характеристик от расчетных.

Значение а 0. п. в всего тракта перепуска воздуха, включающего регулирующий орган, с достаточной степенью точности можно пред­ ставить в виде зависимости от р[ и h (здесь h — ход клапана пере­ пуска воздуха или угол поворота воздушной заслонки). Эту зави­ симость, полученную расчетом тракта или по результатам продувок, удобно выразить в виде графика, аналогичного приведенному на рис. 62.

В ГТУ, компрессоры которых не имеют специальных устройств для расширения допомпажной зоны на пусковых режимах (например, перепуска из промежуточных ступеней, поворотных направляющих аппаратов и т. п.), требуемая пропускная способность тракта пере­ пуска за компрессором обычно отвечает соотношению

Уточненное значение требуемых максимальных величин ао п в при запуске можно определить по формуле (202). Для этого, полагая р г «=* л,, т. е. принимая в процессе раскрутки КВД степень сжатия предшествующих компрессоров л,, = 1 , необходимо для нескольких значений л, определить по формуле (248) величину а 1 и по линии минимального запаса устойчивости, в качестве которого следует при­

полагая в качестве предельно допустимой температуры газа при за­ пуске температуру на режиме полного хода, следует для принятых значений л, вычислить по формуле (2 0 2 ) требуемые значения а0 п в. Для эксплуатационного запаса (возможности увеличения предель­ ной температуры газа без захода в помпаж и компенсации возможных отклонений от расчетных характеристик компрессора) вычисленные значения ас п в следует увеличить в 1,5—2 раза. При максимальном открытии органа перепуска воздуха тракт должен обеспечивать указанные увеличенные значения а 0 п. в. Поскольку величины а г и а 0 п з являются функцией давления в тракте между КВД и ТВД, то характеристика сети по формулам (2 0 0 ) и (2 0 2 ) оказывается в изве­ стной степени зависящей от режима КНД. Однако здесь необходимо отметить следующее. В ГТУ блокированной схемы, имеющих ком­ прессор низкого давления, жестко связанной с редуктором и выход­ ным валом, заметный подпор на всасывании КВД создается лишь на последнем этапе запуска, а при выходе на режим «стоп-винт» КНД вообще остается неподвижным на протяжении всего пускового про­ цесса. Таким образом, в схемах этого типа наиболее неблагоприятные

173

условия запуска связаны с неподвижным КНД, потому именно этот вариант должен приниматься в качестве основного расчетного режима

запуска.

В схемах ГТУ со свободной тяговой турбиной страгивание ТКНД происходит значительно раньше, чем в случае блокированной схемы. Но поскольку при запуске основная доля теплоперепада срабаты­ вается в ТВД, а момент инерции у ТКВД значительно меньше, чем

уТКНД, раскрутка ТКНД происходит с существенным отставанием.

Всвязи с этим влияние КНД на давление за КВД на большей части процесса запуска можно не учитывать также и для ГТУ со сво­ бодной тяговой турбиной.

Рис. 95. Осциллограммы запуска двухкомпрессорной ГТУ.

1 — температура газа перед ТВД; 2 — давление воздуха за КВД; 3 — частота вращения ТКВД; 4 — частота вращения ТКНД; 5 — давление воздуха за КНД. Штриховые линии — ГТУ с присоединенными к ТКНД редуктором и выходным валопроводом, сплошные линии — с присоединенным к ТКНД быстроходным гидротормозом (без редуктора и валопровода).

Стрелкой указан момент закрытия заслонки обводного тракта КНД.

На рис. 95 приведены экспериментальные данные о влиянии на запуск указанных факторов: с редуктором и валопроводом пусковые свойства соответствуют блокированной схеме, а с легким быстро­ ходным гидротормозом — эквивалентны двухкомпрессорной схеме со свободной тяговой турбиной.

Помимо упрощения расчетов возможность пренебречь наддувом КНД обычно обеспечивает целесообразный запас к реальному про­ цессу, что весьма важно при пониженной точности исследований за­ пуска. Таким образом, расходы а г и а0 п в можно считать на значи­ тельной части процесса запуска зависящими только от Тогда в соответствии с формулами (2 0 0 ) и (2 0 2 ) в этой части процесса каж-

т

дому отношению ~ (или каждой температуре 7Д при неизменной Т г)

на характеристике компрессора будет соответствовать единственная линия, не зависящая от других параметров установки. При необхо­ димости напор, создаваемый КНД, может быть учтен интегрирова­

нием уравнений обоих роторов J ~ = ДА4 для одинаковых интер­ валов времени (см. § 26).

174

Опыт показывает, что распространенной причиной отказа за­ пуска является переход траектории процесса на характеристике компрессора через границу помпажа. Связанное с этим уменьшение к. п. д. и напора компрессора приводит к исчезновению избыточного крутящего момента; наступает так называемое «зависание» режима

(см. § 8 ).

При зависании частота вращения не поднимается даже при значи­ тельном повышении температуры газа, так как последнее приводит к еще более глубокому удалению влево от границы помпажа, что вы­ зывает резкое уменьшение к. п. д. компрессора. При этом наблюдается необратимость процесса: частота вращения, практически неизменная при повышении температуры газа, при снижении этой температуры (т. е. при уменьшении подачи топлива) начинает падать. Дальнейшее уменьшение подачи топлива приводит к потере устойчивости: тем­ пература газа начинает расти при снижающейся частоте вращения, в связи с чем возникает необходимость выключения топлива. Указан­ ное явление объясняется гистерезисным характером изодром компрес­ сора, так как после перехода на левые ветви обратный переход про­ исходит при пониженных напоре и к. п. д. Режимы, подобные описан­ ному, возникали при отработке запуска опытной ГТУ ЛКЗ, двига­ телей ГТУ-20 и ряда других ГТУ. При наладочных испытаниях пер­ вого двигателя ГТУ-20 [14] зависание возникало при раскрутке ТКВД в зоне частоты вращения около 55% номинальной. При этом все попытки поднять частоту вращения, включая кратковременное увеличение температуры значительно выше температуры номиналь­ ного режима, были безуспешными. Анализ результатов испытаний показал, что при умеренной температуре газа суммарная мощность турбины и пускового устройства оказывается недостаточной для создания избыточного крутящего момента, потребного для разгона, а при высокой температуре компрессор начинает работать левее границы помпажа, где наблюдается резкое уменьшение к. п. д. (по ориентировочной оценке до г\ад = 0,4-н0,5). Зависание удалось устранить введением клапана (рис. 60), обеспечивающего перепуск части воздуха за КВД. На первом этапе запуска клапан под дей­ ствием пружины открыт, а затем автоматически закрывается давле­ нием воздуха за КВД. В соответствии с уравнением (202) линии сов­ местной работы турбины и компрессора при открытом клапане пе­ репуска воздуха располагаются правее, чем до введения перепуска, при такой же температуре газа. В результате при температуре газа до 750° С режимная линия не пересекала границу помпажа, а повы­ шение мощности турбины, вызванное увеличением температуры газа, оказалось достаточным для разгона турбокомпрессора, несмотря на некоторое уменьшение расхода через турбину вследствие перепуска воздуха из-за компрессора1. Указанный результат был достигнут

1 При одинаковом давлении перед турбиной уменьшение расхода пропорцио­ нально V Т г, а увеличение теплоперепада пропорционально Т ъ т. е. в целом мощ­ ность турбины возрастает примерно пропорционально У Т г

175

при мощности электродвигателя пускового устройства около 120 кВт. Испытания, проведенные с увеличенной мощностью стартера (около 150 кВт), показали, что запуск при этом происходит без зависания даже при закрытом клапане перепуска воздуха. Однако с повышением температуры атмосферного воздуха до +25° С при запусках на за­ грязненном двигателе снова появилось зависание КВД, устранить которое оказалось возможным только путем включения в работу клапана перепуска воздуха.

Впоследствии в эксплуатационных условиях было подтверждено, что при увеличении температуры газа до 750° С наступает режим зависания [46]. Учитывая, что обычно запуск ведется при темпера­ туре 650° С, можно по формуле (247) оценить приблизительный запас до границы помпажа в этом случае:

Опыт эксплуатации показывает, что такой запас является мини­ мально допустимым, так как при неблагоприятных условиях запуска в этом случае наблюдались отдельные отказы, связанные с зависа­ нием. Поэтому для надежного запуска с учетом эксплуатационных изменений характеристик ГТУ и их пускорегулирующего оборудо­ вания режим запуска следует предусматривать с запасом по помпажу порядка &у 5 г 1 ,1 .

Одним из важнейших вопросов при запуске является выбор допустимой температуры газа. Окончательно этот вопрос приходится решать в процессе испытаний (после термометрирования) головного образца установки или путем анализа экспериментальных данных близкого прототипа. Однако эта проблема возникает нередко при отсутствии каких-либо близких прототипных экспериментальных данных еще при расчетах обоснованных параметров запуска и выборе пускового устройства, т. е. задолго до испытаний. В этом случае

вкачестве нормально допустимой предельной температуры перед ТВД

впроцессе запуска целесообразно принимать среднюю температуру газа в рабочих венцах ТВД на максимальном режиме ГТУ. Тогда, даже при степени расширения в первом направляющем венце, близ­ кой к единице (начальный период запуска), температура рабочих лопаток будет близка к допускаемой температуре максимального режима. Напряжения от растяжения и изгиба при запуске суще­ ственно ниже, чем на максимальном режиме, а условия охлаждения, благодаря приблизительно пропорциональному уменьшению расхо­ дов газа и охлаждающего воздуха, можно в первом приближении

считать близкими к условиям максимального режима. Таким обра­ зом, при темпе нарастания температуры газа, обеспечивающем допу­ стимые температурные градиенты (см. § 27), пусковая теплОнапряженность ТВД при указанной предельной температуре газа ока­ жется не большей, чем на максимальном режиме ГТУ. Учитывая пониженную частоту вращения и малую продолжительность режима, в качестве предельной температуры при запуске можно в ряде слу­ чаев принимать температуру, равную температуре газа перед ТВД

176

4- 1 , 0 7 не следует из-за резкого увеличения вероятности отказов при запуске. Изменение избыточного крутящего момента, соответствую­ щее рассмотренному выше процессу, приведено на рис. 97.

Неподвижный ротор турбокомпрессора обладает значительным сопротивлением страгиванию Л1 стр, которое быстро снижается до минимума по мере увеличения частоты вращения от п = 0 до п 0. При последующем увеличении частоты вращения в процессе холод­ ной раскрутки момент в основном определяется аэродинамическим сопротивлением компрессора (подробнее см. § 7, 29).

Рис. 97. Изменение моментов в процессе запуска.

i — крутящий момент пускового устройства; 2 — момент сопротивления вращению при отсутствии подачи топлива; 3 — момент сопротивления при работе на левых ветвях изодром; 4 — момент сопротивления при открытом КПВ; 5 — момент сопротивления при закрытом КПВ и работе на правых ветвях изодром; Мтк — момент турбокомпрессора; -МП у — мо­

мент пускового устройства.

Холодная раскрутка заканчивается в точке а, где крутящий момент пускового устройства (линия 1) становится равным моменту сопротивления турбокомпрессора без подачи топлива (линия 2).

При достижении линии f-— ') изменение момента сопротивления

' i I / пуск

турбокомпрессора при закрытом клапане перепуска воздуха харак­ теризуется линией 3, если процесс сначала проходил левее границы помпажа, и линией 5, если'процесс не выходил за границу помпажа. Разрыв между этими линиями, сооответствующими одной и той же изотерме на характеристике компрессора (линия Огд на рис. 96), отражает явление гистерезиса: параметры компрессора после выхода из области помпажа на некотором участке характеристики не совпа­ дают с параметрами, которые свойственны этому же участку при отсутствии предварительного входа процесса в помпаж. Частота

вращения п 2 соответствует изодроме, на которой линия ,

\ 1 I / пуск

= const (с закрытым клапаном перепуска) пересекает границу помпажа, а частота вращения п3— изодроме, на которой линия

( уг-)пуск = const пересекает линию ky = 1,1. Из рис. 97 следует,

что если клапан перепуска при подаче топлива закрыт, что момент сопротивления турбокомпрессора будет изменяться по линии аи зг. Частота вращения возрастет (под действием избыточного моментз

178

между линиями 1 и 3) и режим зависнет в точке з. При этом, как было отмечено выше, заметного увеличения частоты вращения не удастся обеспечить даже при значительном повышении температуры. Нормальное изменение (при открытом клапане перепуска) момента сопротивления турбокомпрессора характеризуется линией абв. Если клапан перепуска останется открытым при частоте вращения выше п3, то в точке ж, благодаря равенству моментов пускового устройства и турбокомпрессора, разгон, который до этого протекал под действием избыточного момента между линиями 1 и 4, прекра­ тится. Повышение температуры газа в этом случае может обеспечить некоторое увеличение частоты вращения, но обычно существенное повышение температуры недопустимо, а при малых запасах по помпажу, кроме того, снова возникает описанное выше зависание. По­ этому при достижении частоты вращения п3 клапан перепуска дол­ жен закрываться. Тогда изменение момента турбокомпрессора будет соответствовать линии авгде. В этом случае при повышении частоты вращения сверх щ на турбокомпрессоре появляется свой избыточ­ ный крутящий момент. Для обеспечения запаса пусковое устройство обязательно должно иметь крутящий момент и при частоте враще­ ния больше пз, т. е. работать в режиме сопровождения. Длина участка сопротивления должна составлять не менее 15% частоты вращения, при которой появляется положительный крутящий мо­ мент на турбокомпрессоре. Тогда после отключения пускового устрой­ ства при частоте вращения п'з разгон под действием избыточного мо­ мента турбокомпрессора в большинстве случаев обеспечивает надеж­ ный вывод установки на устойчивый холостой ход (я4) даже при замет­ ном эксплуатационном ухудшении характеристик турбокомпрессора.

При перепуске воздуха из-за промежуточной ступени компрес­ сора или при наличии поворотных направляющих аппаратов сле­ дует так же, как в предыдущем случае, нанести на соответствующую

топливо, процесс идет при открытом перепуске или пусковом поло­ жении направляющих аппаратов. Закрытие перепуска или перевод

на которой подача топлива уменьшается до величины, требуемой для обеспечения равновесного режима. Если к. п. д. компрессора при закрытии перепуска (или повороте направляющих аппаратов) заметно увеличивается, то характер изменения крутящих моментов аналогичен варианту с перепуском воздуха за компрессором (см. рис. 97). В противном случае протекание кривых избыточного момента турбокомпрессора в допомпажной зоне мало зависит от по­ ложения органов управления перепуском воздуха и поворотом на­ правляющих аппаратов.