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

управления и надежности конструкций при создании головной ГТУ необходим большой объем расчетно-конструкторских и научно-иссле­ довательских работ, испытаний и доводок. Эти работы обычно ха­ рактеризуются следующими основными этапами.

1. Расчетные исследования динамики ГТУ. Основные вопросы динамики судовых ГТУ связаны с переходными процессами в широ­ ком диапазоне режимов: от неподвижного состояния до режимов мак­ симальных нагрузок. В подавляющем большинстве эти процессы могут быть описаны только системами существенно нелинейных диф­ ференциальных уравнений. Как следствие, задачи динамического анализа судовых ГТУ оказываются значительно шире и сложнее, чем обычно рассматриваемые вопросы устойчивости и переходных процессов, связанные с малыми отклонениями. Поэтому для реше­ ния большого круга задач динамики судовых ГТУ хорошо разрабо­ танный линейный аппарат неприемлем. Необходима разработка спе­ циальных методов, которые обеспечили бы точное определение мно­ гих параметров в разнообразных переходных процессах, протекаю­ щих при больших отклонениях.

Появление ЭВМ существенно расширило возможности решения указанных задач. Однако необходима разработка различных мето­ дов, упрощающих характеристики и связи, используемые для опи­ сания динамики автоматизированного турбовинтового комплекса крупнотоннажного судна. В противном случае алгоритмы расчетов динамики оказываются настолько громоздкими, что возникают мно­ гочисленные технические трудности в наладке безошибочного счета,

с тем, что непосредственное программирование большого числа ха­ рактеристик турбин, компрессоров, камер горения, трактов, теп­ лообменных аппаратов, ВРШ, судна, многочисленных элементов контуров регулирования и различных связей между всеми этими ха­ рактеристиками составляет чрезмерно большой объем информации, подлежащей учету.

2. Разработка программ управления, схем и конструкций. Как показывает опыт эксплуатации, надежность газотурбинного двига­ теля нередко снижается из-за качества его систем и программ управ­ ления. Например, 70% всех повреждений и простоев, типичных для первых лет эксплуатации газотурбовозов, были вызваны конструк­ тивными и 'эксплуатационными недостатками систем управления. Большинство неполадок и аварий ГТУ при их освоении на газопере­ качивающих станциях было связано с большим числом ложных сра­ батываний защит, отказов регулирующих устройств и т. п. Более 30% аварий большой исследованной партии газотурбинных самолетов произошло из-за отказа управляющих систем двигателей. За период трехлетней эксплуатации судна «Джон Саржент» неполадки в системе управления газотурбинного двигателя явились причиной половины произведенных ремонтов и почти всех вынужденных простоев в море.

Поэтому основные усилия при исследованиях и проектировании должны быть направлены на поиск решений, обеспечивающих пре­

10

дельную надежность, структурную и конструктивную простоту создаваемых систем управления при большом объеме выполняемых ими функций и наличии таких программ управления, при которых различные запасы (особенно по помпажу, предельным значениям частоты вращения, крутящего момента и температуры газа) на большинстве переходных и стационарных режимов были бы доста­ точно большими (см. § 20, 36).

3. Отработка динамики и управления на заводских стендах. Как показывает опыт создания судовых ГТУ, одной из важнейших прак­ тических задач является планирование (и реализация) испытаний, при котором перед установкой двигателя на стенд обеспечиваются всесторонняя отработка элементов систем управления и топливопитания на лабораторных стендах и моделирование процессов ком­ плекса ГТУ—винт—судно совместно с натурными системами управ­ ления на специальных моделирующих установках. Создание таких установок в заводских условиях особенно эффективно, так как обычно имеется производственная возможность быстрого изготовления узлов натурных систем, внесения необходимых конструктивных изменений по результатам моделирования, параллельного изготовления различ­ ных вариантов конструкций для испытаний.

В ходе отработки устраняются недостатки конструкций, уточ­ няются основные характеристики и программы управления, что существенно сокращает объем последующих испытаний и доводки в составе двигателя на заводском стенде. В противном случае труд­ ности, связанные с доводочными работами в составе мощной ГТУ, ограничивают возможность всесторонних и многократных проверок характеристик управления и доводку систем (особенно на аварийных режимах и в зонах предельных параметров). Это в целом снижает качество управления по сравнению с возможным уровнем, обеспечи­ ваемым всесторонней предварительной отработкой. Именно поэтому с первых этапов создания отечественных судовых ГТУ указанным вопросам было уделено большое внимание. В частности, первая электромоделирующая установка была создана в СССР уже в начале 50-х гг. С этого времени такая прогрессивная форма отработки на­ турных систем управления совместно с моделью сложного динами­ ческого объекта ГТУ—винт—судно непрерывно используется и со­ вершенствуется.

Следует заметить, что зарубежные фирмы (например, Дженерал Электрик) также придают им большое значение с точки зрения перспектив внедрения ГТУ в качестве судового двигателя

[62].

Исключительно ответственной является отработка запуска и ди­ намики, доводка программ управления и настройка систем газотур­ бинного двигателя на заводском стенде с нагрузкой от гидротормоза. В результате окончательно корректируются проектные характери­ стики динамических режимов и программы управления, отрабаты­ ваются системы управления, защиты и топливопитания в условиях, близких к натурным. Однако при этом следует учитывать, что от­ сутствие' винта и валопровода (а иногда и редуктора), натурных

11

трактов всасывания и выпуска не может быть полностью компен­ сировано стендовой имитацией.

4. Ходовые испытания турбовинтового комплекса. Как показы вает опыт, этот этап является одним из наиболее ответственных в от­ ношении динамики и управления. В качестве примера можно привести опыт создания первой отечественной судовой газотурбинной уста­ новки ГТУ-20. Два двигателя этой установки были раздельно испы­ таны на заводском стенде с нагрузкой от быстроходного гидротор­ моза, т. е. без редуктора и ВРШ. Отсутствие опыта совместной ра­ боты элементов комплекса в динамике вызвало ряд непредвиденных проблем при доводке и испытаниях в составе газотурбохода «Париж­ ская коммуна». Эти трудности были успешно преодолены, однако увеличили длительность ходовых испытаний. Аналогичные трудности в отношении динамики и управления возникли ыгри ходовых испы­ таниях газотурбохода «Джон Саржент». Естественно, что приобре­ тенный при ходовых испытаниях газотурбинных судов опыт позво­ лит сократить трудности этого этапа при создании новых ГТУ.

Опыт начального этапа развития судового газотурбостроения, завершившегося введением в эксплуатацию первых газотурбинных транспортных судов, свидетельствует о возникновении ряда прин­ ципиально новых проблем, связанных с динамикой и управлением. Решение этих проблем должно быть комплексным, т. е. должно пре­ дусматривать меры как в отношении программ и систем управле­ ния, так и по обеспечению оптимальных характеристик турбин, компрессоров, камер горения и других элементов двигателя.

Например, необоснованно узкие рабочие зоны, ограниченные линиями помпажа, допустимой температурой газа, пределами на­ дежной работы камеры горения и другими факторами, могут созда­ вать такие требования к точности и стабильности программ и систем управления, выполнение которых оказывается практически неосу­ ществимым. В результате наблюдается резкое снижение надежности управления ГТУ, особенно в динамике. И наоборот, чрезвычайно широкие рабочие зоны, резко снижая требования к качеству программ и систем управления, в большинстве случаев приводят к значитель­ ному уменьшению экономичности в результате перехода в области характеристик агрегатов, имеющие пониженные к. п. д., и к переразмеренности, т. е. увеличению удельного веса и габаритов двига­ теля. Поэтому необходимо тщательное обоснование оптимальных ра­ бочих зон, которые, с одной стороны, требуют совершенствования характеристик двигателя, а с другой — стимулируют совершенство­ вание программ и систем управления.

Для систем управления большинства современных судов ГТУ общим является обеспечение автоматического запуска, автоматиче­ ского регулирования рабочих режимов, автоматизации разгонов и реверса, оптимальной программы винт—газ, автоматической защиты. В качестве рабочей среды служат масло от системы смазки или от специальных систем и сжатый воздух. Находят применение системы с электронной командной частью и электрическими приводами в пер­ вых ступенях усиления. Однако достаточно длительный опыт экс­

12

плуатации таких систем ГТУ в судовых условиях еще не накоплен. Имеющиеся данные об использовании аналогичных систем в электрогребных установках судов ледового плавания и ледоколов свидетель­ ствуют о ряде трудностей, связанных с судовой спецификой, — силь­ ной вибрацией, высокой температурой и влажностью в машинных отделениях и т. п.

В этих условиях большого эффекта следует ожидать от приме­ нения собственного сжатого воздуха ГТУ для ее управления.

Впервые принцип использования собственного сжатого воздуха применен на отечественной судовой установке ГТУ-20. Как показал опыт, применение пневмоавтоматики в сочетании с указанным прин­ ципом открывает широкие перспективы для создания простых и надежных систем. Их характеризуют следующие особенности:

—органическая конструктивная связь с ГТУ, обусловленная одинаковой рабочей средой и общими параметрами рабочего процесса;

—высокая надежность конструкций и стабильность характе­ ристик в судовых условиях (включая сильную вибрацию, высокую

инизкую температуру, большую влажность);

—конструктивная простота устройств, обеспечивающих воздей­ ствия по производным, интегральные воздействия, реализацию раз­ личных функциональных зависимостей;

—необходимое быстродействие при больших усилиях, разви­ ваемых сжатым воздухом, что обеспечивает все требования, связан­ ные с динамикой и управлением ГТУ;

—автономное питание при практически неограниченном расходе рабочей среды;

—простота настройки и обслуживания, пожарная безопасность;

—унификация и взаимозаменяемость элементов, простота тех­ нологии изготовления, разборки и сборки, обеспечивающие высо­ кую ремонтопригодность в судовых условиях и практически не тре­ бующие специальной квалификации персонала, специального ре­ монтного оборудования и материалов.

Оценивая тенденции развития современных судовых ГТУ, можно сформулировать основные требования к их автоматизации:

—при установившейся скорости судна должен автоматически поддерживаться минимально возможный на данном режиме расход топлива;

—автоматически должно обеспечиваться протекание переходных режимов (запуска, разгона, реверса и др.) таким образом, чтобы требуемое изменение тяги происходило за минимальное время;

—температура газа, скорость ее изменения (из условий темпера­ турных градиентов в деталях турбин), частота вращения, крутящие моменты и запасы по помпажу на всех установившихся и переходных режимах должны автоматически ограничиваться на заданных пре­ дельных уровнях.

Очевидно, что два первых требования могут выполняться и не полностью; в зависимости от того, насколько полно они соблюдаются, будет лишь изменяться степень совершенства автоматизации. Третье требование всегда является обязательным: превышение предельных

13

Параметров недопустимо по условиям прочности и долговечности ГТУ или крайне нежелательно, так как может привести к несвое­ временному срабатыванию выключающих защит и к остановке ГТУ. В ряде случаев (например, при реверсе) превышение параметров, вызывающее срабатывание защит, вообще недопустимо, поскольку может повлечь за собой аварию судна.

Примерная принципиальная схема управления судовой ГТУ, отвечающая указанным требованиям, представлена на рис. 2. Спе­ циальные датчики измеряют параметры ГТУ, подлежащие регули-

Рис. 2. Принципиальная схема управления судовой ГТУ.

/ — V соответственно: ВРШ, тяговая турбина, турбокомпрессор, камера горения, регенера­ тор; /, 3, 4У6, 7, 8, 10 — датчики-измерители соответственно: скорости судна, частоты вра­ щения выходного вала, крутящего момента на выходном валу, температуры газа, частоты вращения турбокомпрессора, расхода топлива, запаса по помпажу; 2 — механизм изменения шага; 5 — привод поворотных сопловых аппаратов (или органов перепуска газа); 9 — ре­ гулятор расхода топлива; 11 привод направляющих аппаратов компрессора (или орга­ нов перепуска воздуха); 12 — счетно-решающее устройство; 13 — задающее воздействие

по скорости судна.

рованию. Сигналы от датчиков поступают в счетно-решающее устрой­ ство 12, где сравниваются с ‘заданными предельными значениями. Одновременно может производиться поиск экстремума, который при­ водит к установлению параметров, обеспечивающих наименьший расход топлива при заданной скорости хода. Если один из параме­ тров, подлежащих ограничению (температура газа, момент, частота вращения, запас по помпажу), достигает предельного значения, то режим стабилизируется по этому параметру, и даже если расход топлива мог бы быть меньше, он останавливается на уровне, обеспе­ чивающем безопасность работы ГТУ. Здесь, однако, следует отметить что с точки зрения оптимального управления ГТУ минимальный рас­ ход топлива на заданном режиме для схем со свободной тяговой турбиной выражен весьма слабо, так как даже при заметном изме­ нении характеристик нагрузки развиваемая мощность при неизмен­ ном расходе топлива изменяется незначительно (см. § 19).

14

турбин), либо введением таких мероприятий, как перепуск газа, регулирование направляющих аппаратов и т. п.

Практика проектирования и доводки ГТУ свидетельствует о том, что указанный круг задач приходится решать для широкого диапа­ зона режимов, зачастую выходящего за пределы исследованных в настоящее время областей работы турбинных ступеней. Например, при запуске и реверсировании, на специфичном судовом режиме «стоп винт», на режимах срабатывания защиты, а также при исследо­ вании аварийных режимов, связанных с забросами частоты вра­ щения и температуры газа, различные величины и параметры в от­ дельных ступенях турбинной группы должны быть известны в пре­ делах:

в столь широком диапазоне существенно затрудняет достоверный рас­ чет указанных режимов. Рассмотрим основные вопросы, возникаю­ щие при этом.

Начиная с известных опытов Мауритца [39], внимание иссле­ дователей привлекал вопрос о влиянии частоты вращения на про­ пускную способность турбины. Обсуждая многочисленные опыты, отдельные специалисты по-разному оценивают их результаты, в связи с чем до настоящего времени не существует универсальной теории этого вопроса. В частности, Г. С. Самойлович и Б. М. Трояновский объясняют отсутствие зависимости расхода от частоты вращения в опытах Мауритца в основном большими радиальными зазорами и погрешностями измерений. Существенное влияние радиальных за­ зоров на зависимость расхода от частоты вращения отмечается также И. В. Котляром [33]. Однако, как показывают опыты, уменьшение влияния и/с0 на степень реактивности, т. е. на расход, при увеличен­ ных зазорах хотя и наблюдается, но не всегда объясняет существенно

ритца, обращают внимание на большую величину числа Маха МС1

в последней ступени испытанной турбины (около 0,7) и этим объяс­ няют отсутствие зависимости расхода от частоты вращения. Рас­ сматривая эксперименты Кокса и Эйнли, эти же авторы отмечают, что здесь также наблюдается явная зависимость от числа М харак-

1 При реверсах с турбиной заднего хода.

тера изменения расхода при изменении и/с0. Например, по данным Кокса при очень малых числах М наблюдалось возрастание расхода воздуха при остановке многоступенчатой активной турбины почти на 40%. В опытах Эйнли на двухступенчатой активной турбине при Mci = 0,7 изменение и/с0 от расчетной величины до нуля вызывало возрастание расхода на 3%, а при Мо1 0,3 — на 30%.

Однако только влиянием М или радиального зазора объяснить характер зависимости расхода от и/с0 нельзя. Например, в опытах К. Кройтера [61 ] на реактивной 14-ступенчатой натурной турбине, несмотря на весьма низкие числа М (около 0,3), различия в расходе при номинальной частоте вращения и заторможенной турбине прак­ тически не отмечалось. Эта турбина имеет специальный тонкостенный внутренний корпус, на котором установлены направляющие венцы. Поэтому, несмотря на то что турбина предназначена для быстрых запусков, опасность задеваний в ней сведена к минимуму специаль­ ными конструктивными мероприятиями, и можно предположить, что радиальные зазоры у испытывавшегося экземпляра турбины не должны были быть чрезмерно увеличенными (в работе [61 ] величина зазоров не приводится).

С другой стороны, известно, что лопатки указанной турбины имели относительно тонкую входную кромку. Это могло повысить чувст­ вительность решетки к увеличению угла атаки на существенно нерас­ четных режимах, т. е. привести к дополнительному увеличению потерь и, как следствие, к малому изменению степени реактивности, а значит, расхода.

По-видимому, на зависимость пропускной способности от частоты вращения, влияет большое число факторов, среди которых, помимо радиального зазора и числа М, следует отметить также чувствитель­ ность решеток к изменению угла атаки, уменьшению числа Re и др. Например, при испытаниях ступени с профилем рабочей лопатки, имеющим тонкую входную кромку [311, наблюдалось заметное уве­ личение степени реактивности при снижении и/с0, что послужило даже причиной снижения расхода воздуха остановленной ступенью (и/с0 = 0) почти на 25% по сравнению с работой при (и/с0)от. Восемь активных и реактивных ступеней, имеющих обычно приме­ няемые в турбостроении профили, при и/с0 = 0, напротив, увеличи­ вали расход на 10—20% по сравнению с режимом (ы/с0)опт-

Здесь следует отметить, что столь различные результаты полу­ чены приблизительно при одинаковом сравнительно низком чис­ ле М, которое в процессе указанных опытов изменялось в диапазоне 0,2—0,35. Данные, полученные на различных турбинах натурных ГТУ о зависимости расхода от частоты вращения, сравнительно стабильны, так как, по-видимому, более универсально отражают фактическое исполнение турбин, отрабатываемых в основном для уз­ кого диапазона режимов ulc0, имеющих в связи с этим при малых значениях и/с0 повышенные потери и, как следствие, меньшее уве­ личение расхода, чем можно ожидать теоретически.

Некоторые опытные данные, иллюстрирующие изменение про­ пускной способности натурных турбин, приведены на рис. 3. Из

18

этих данных следует, что увеличение расхода малоступенчатыми турбинами, обычно применяемыми в судовых ГТУ, даже при полном торможении не превышает 10%. Для многоступенчатых натурных

ОС

Рис. 3. Опытная зависимость пропускной способности турбин от частоты вращения

турбин ГТУ также наблюдается малая зависимость расхода от частоты вращения. Например, в семиступенчатой турбине установки ГТУ 25—700 для широкого диапазона степеней расширения, вклю­ чая пусковые режимы со степенью

ластях, далеких от номинальной частоты вращения п0, существенно отличаются от расчетных.

Приведенный пример и другие опытные данные показывают, что характеристики, рассчитанные по продувкам плоских решеток, спра-