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

Наиболее радикальным способом, однако, является непосредствен­ ное формирование разностей типа AM без вычисления абсолютных величин Мт, Мк.

Рис. 112. К комплексному использованию цифровых и аналоговых ЭВМ для моде­ лирования турбовинтовой группы с ГТУ:

а — аппроксимация моментных характеристик рис. 78, а, полученных расчетом на ЭЦВМ, машинными уравнениями для аналоговых блоков; б — блок-схема на­ бора уравнений на аналоговый ЭВМ.

БН, БИ, БП — соответственно блок нелинейности, блок интегрирования, блок перемноже­ ния.

В целом опыт эксплуатации сложных моделей, в частности мо­ дели ГТУ-20, показывает, что большой количественный состав ап­ паратуры и связанная с этим сложность схемы модели требуют дли­ тельного периода наладки и обусловливают большие трудности в экс­ плуатации электромоделирующей установки. Основной причиной

210

является то, что модель типа ГТУ-20 в процессе каждого режима непрерывно производит полный объем вычислений, значительная часть которых могла бы быть выполнена заранее и введена в модель в виде результирующих выражений (в основном правые части инте­ грируемых в модели уравнений динамики). В этом случае для упро­ щенного моделирования сложной схемы типа ГТУ-20 можно исполь­ зовать другой способ, аналогичный применяемому при моделиро­ вании простых схем ГТУ [12], [47], т. е. способ, при котором в аналоговую машину вводятся заранее вычисленные моментные харак­ теристики. В этом отношении перспективен метод комплексного ис­ пользования цифровых и аналоговых машин. На машине первого типа могут быть рассчитаны семейства кривых избыточных моментов (моментные характеристики) в результирующей форме, необходимой для введения в моделирующую установку, т. е. машину второго типа

(рис. 112).

Указанный способ введения в модель характеристик ГТУ осо­ бенно удобен при испытаниях натурной системы управления в со­ ставе электромоделирующей установки.

Действительно, для натурной системы требуются следящие при­ воды и всевозможные преобразователи (см. § 39), которые значи­ тельно увеличивают используемый объем электронно-вычислитель­ ной аппаратуры. Поэтому получаемое при втором способе сокращение количества блоков, занятых собственно под моделирование ГТУ, дает большой эффект, существенно упрощая моделирующую уста­ новку.

Г Л А В А VI

СИСТЕМЫ ЗАПУСКА, УПРАВЛЕНИЯ И ТОПЛИВОПИТАНИЯ

§29. Системы запуска

Вбольшинстве судовых ГТУ стартером раскручивается ротор турбокомпрессора, непосредственно подающего воздух в камеру горения. В многокомпрессорных схемах с механически разобщен­ ными компрессорами это обычно турбокомпрессор высокого давления.

После зажигания факела в камере горения подача топлива осу­ ществляется автоматически или вручную по одной из программ, рас­ смотренных в § 25.

Вдиапазоне до режима холостого хода производится отключение

свечей и пускового топлива, закрытие органа перепуска воздуха, отключение стартера.

Пусковые операции можно разделить на две группы: дискретные (релейные операции «включить» и «выключить») и аналоговые (на­ пример, регулирование подачи топлива по заданной программе).

С точки зрения автоматизации релейные операции не вызывают значительных трудностей. В частности, включение и выключение

топливных насосов, зажигания, стартера обычно производятся с По­ мощью многооперационного реле времени, а отдельные операции выполняются по величине какого-либо параметра, в частности по давлению воздуха за КВД, частоте вращения ТКВД, расходу воз­ духа. Например, перепуск воздуха за КВД на установке ГТУ-20 прекращается при давлении воздуха ри3б ^ 0,6 кгс/см2, которое действует на подпружиненный клапан (см. рис. 60).

Значительно более сложными оказываются вопросы изменения подачи топлива в пусковом процессе.

Запасы между линией установившихся режимов и ограничитель­ ными линиями (границей помпажа, линией предельной температуры), как правило, весьма ограниченны, а в процессе эксплуатации имеют, кроме того, тенденцию уменьшаться. Следствием этого обычно яв­ ляются серьезные трудности, возникающие при создании автомати­ ческих устройств, обеспечивающих надежный разгон от момента включения рабочего топлива до выхода на холостой ход.

Наиболее простым решением вопроса топливоподачи при запуске является использование тех же устройств, которые обеспечивают подачу топлива при разгонах в рабочем диапазоне. В качестве при­ мера можно привести систему, отработанную при стендовых испыта­ ниях двигателей ГТУ-20 [14].

Запуск начинается включением пускового электродвигателя. Через 1— 1,5 мин турбокомпрессор высокого давления раскручи­ вается пусковым устройством до п = 2500-^-3000 об/мин. На этом режиме подается питание на свечи зажигания и включается электропусковой насос, который подает топливо давлением 5—6 кгс/см2 на три пусковые форсунки, расположенные в трех (из шести) жаро­ вых трубах камеры горения. Затем подается топливо на рабочие фор­ сунки переключением стоп-крана. Давление топлива на форсунки в момент подачи зависит -от настройки пневмозадатчика запу­ ска 23 (рис. 174). Он представляет собой пневматический редук­ ционный клапан, давление от которого подается в воздушную по­ лость регулятора расхода (давления) топлива 24. Этот регулятор устанавливает в топливной магистрали давление, которое пропор­ ционально сумме усилий, развиваемых на его мембранах.

Если давление топлива оказывается больше или меньше требуе­ мого, топливный золотник под действием разности усилий соответ­ ственно увеличивает или уменьшает перепуск топлива на слив. Благо­ даря тому, что золотник регулятора расхода при отсутствии давления в незаполненной топливной магистрали полностью перекрывает слив, все топливо при переключении стоп-крана устремляется на за­ полнение подводящей магистрали к форсункам. Эго обеспечивает благоприятный характер нарастания давления перед форсунками в момент подачи топлива, которое вначале скачком возрастает до 12— 13 кгс/см2, а затем устанавливается на заданном уровне — около 8 кгс/см4 (см. рис. 49).

Скачок давления, возникающий при полном заполнении топливом магистрали до форсунок, происходит вследствие некоторого запазды­ вания в регуляторе под действием вытеснения воздуха из мем­

212

бранных полостей, неупругого сопротивления мембран и других причин.

После зажигания камеры горения начинается разгон ТКВД, под­ держиваемый непрерывным увеличением расхода топлива вследствие увеличения давления в полости регулятора расхода 24, соединенной с напорным патрубком КВД через пневмозадатчик режимов 22. Натяжение пружины пневмозадатчика зависит от положения кулач­ кового вала 10 пульта управления. Благодаря выбранным соотно­ шениям площадей мембран и золот­

действие на подачу топлива ограничительного регулятора темпера­ туры газа, воздействие регулятора температуры с перенастройкой по сигналу от частоты вращения или по времени, воздействие регу­ лятора частоты вращения с перенастройкой по времени, применение регулятора соотношения, изменяющего подачу топлива по сигна­ лу, соответствующему разгону вблизи линии помпажа (см. § 26), и др.

Важнейшее значение при запуске судовой ГТУ имеет стартер. Наиболее широкое применение в качестве стартера нашли электро­ двигатель постоянного тока, электродвигатель переменного тока и паровая турбина.

Электродвигатель постоянного тока обладает хорошей моментной характеристикой (кривая 1 на рис. 113), допускает регулирование режима простейшими способами (например, изменением напряже­

213

ния в обмотке возбуждения), однако в большинстве случаев для его питания требуются аккумуляторные батареи или выпрямитель, так как на судах обычно применяется переменный ток.

Электродвигатель переменного тока обладает теоретически наи­ лучшей моментной характеристикой (кривая 2 рис. 113), однако обычные малогабаритные двигатели (с короткозамкнутым ротором) допускают работу при пониженной частоте вращения лишь в течение нескольких секунд из-за многократной перегрузки по току. Для запуска ГТД это неприемлемо, так как раскрутка турбокомпрессора из-за его инерции обычно занимает несколько минут. Применение же

Рис. 114. Схема электрогидравлического пускового устройства.

регулируемых двигателей (например, с фазным ротором) нерацио­ нально из-за увеличенных габаритов и сложности системы регулиро­ вания. Поэтому в настоящее время электродвигатель переменного тока применяется для запуска совместно с гидротрансформатором, образуя электрогидравлическое пусковое устройство.

Насос 3 гидротрансформатора (рис. 114) раскручивается до но­ минальной частоты вращения электродвигателем переменного тока 4 в течение 1— 3 с, а затем весь период запуска электродвигатель ра­ ботает на номинальной частоте вращения. Масло под напором по­ ступает от насоса к турбине 2 гидротрансформатора, которая раз­ вивает крутящий момент и раскручивает ротор 1 ТКВД. Цифрой 5 обозначен неподвижный аппарат гидротрансформатора, стрелками 6 и 7 — подвод и отвод масла от него. На рис. 115 приведена характери­ стика гидротрансформатора ГТУ-20.

Повышение теплостойкости изоляции и другие усовершенствова­ ния, допускающие длительное пребывание двигателя переменного тока в пусковом режиме, позволят применять этот двигатель без гидротрансформатора, что существенно упростит систему запуска.

Применение паровой турбины в качестве стартера весьма заман­ чиво, так как она обладает хорошей пусковой характеристикой (кри­ вая 3 на рис. 113) и развивает большую мощность при предельно малых габаритах. Однако потребность в паре сравнительно высоких параметров ограничивает ее применение.

214

Мощность стартера обычно составляет 2—4% мощности ГТД. Крутящий момент стартера (приведенный к ротору турбокомпрес­ сора) с достаточным запасом должен превышать момент сопротивле-

wT;

1,0

0,8

0.0

ол

0,2

Рис. 115. Характеристики гидротрансформаторов ГТУ-20.

1 — мощность Nэд, потребляемая электродвигателем, в зависимо­ сти от частоты вращения турбины гидротрансформатора нт; 2 — крутящий момент Мт , развиваемый турбиной.

ния страгиванию (точка 1) неподвижного ротора турбокомпрессора (рис. 116). Однако сразу после страгивания момент сопротивления ротора резко снижается (точка 3) и вращающий момент пускового

за счет уменьшения крутящего момента в начале раскрутки можно увеличить зону сопровождения стартером (кривая III). Это обеспечит

215

надежный избыточный момент на ответственном участке между точ­ ками 4 я 5, где собственный разгонный момент турбокомпрессора еще очень мал, а в процессе эксплуатации при ухудшении характери­ стик турбины или компрессора может вообще исчезнуть, тем более, что на этом участке мощность ТВД и КВД уже довольно велика, в то время как разность между ними очень мала. Например, в ГТУ-20 мощность ТВД (КВД) на указанном участке превышает 10% мощ­ ности номинального режима, а избыточная мощность на чистом турбо­ компрессоре при нормальной пусковой температуре газа 600—650° С достигает —0,3% номинального значения. Как следствие, для исчез­ новения избыточного момента достаточно изменения мощности ТВД и КВД (например, из-за уменьшения произведения их к. п. д.) при­ мерно на 3%, что в зоне пусковых режимов вполне вероятно.

где р — вес ротора или вала; г — радиус шейки подшипника; £тр — коэффициент трения.

В соответствии с опытными данными, полученными в составе натурных ГТУ с подшипниками скольжения, для роторов и греб­ ного валопровода следует принимать £тр = 0,3. После длительного неподвижного состояния этот коэффициент может увеличиться до £тр = 0,4. Примерно к такому же увеличению сопротивления греб­ ного вала могут приводить наблюдающиеся иногда в практике уси­ ленная затяжка переборочных сальников и неблагоприятная за­ грузка судна. Например, при частично разгруженном судне вслед­ ствие неблагоприятного распределения нагрузок по корпусу момент страгивания валопровода [46] увеличился со 145 до 203 кгс-м (при­ ведено к ТКНД).

Для подшипников валов редуктора, несущих зубчатые колеса и шестерни, можно также использовать-формулу (317). Вместо £тр при этом следует подставлять некоторый эквивалентный коэффи­ циент £тр р, который по опытным данным составляет —0,5. Эта величина относится к нормальному сопротивлению страгиванию при­ соединенных к редуктору элементов (ГУП и валопровода). Если это сопротивление будет повышенным, то соответственно увеличится £тр р, отражающий кроме веса еще и реакцию от трения в зубцах. Пред­ ставим это в форме

(318)

где £тр и £зац — соответственно коэффициент трения при страгивании валов без зацепления и условный коэффициент, связанный с уве­ личением реакции на подшипник от зацепления. Тогда при нормаль­

316

При вращении с малой частотой от валоповоротного устройства момент сопротивления также может быть оценен по (317). При этом следует подставлять коэффициент £впу, который в два-три раза меньше, чем при страгивании.

В качестве характерного примера решения практических задач, возникаю­ щих при отработке системы запуска новой ГТУ, рассмотрим запуск ГТУ-20.

Основной задачей являлось обеспечение безотказного малонапряженного за­ пуска при ограниченной энергии на судне.

Отсутствие пара, сжатого воздуха и постоянного тока необходимых параметров обусловило выбор в качестве стартера стандартного асинхронного двигателя, соеди­ ненного с ротором турбокомпрессора высокого давления через масляный гидротранс­ форматор (см. рис. 114). Для определения потребной мощности пускового устрой­ ства были произведены расчеты разгона турбокомпрессоров при запуске.

В результате получена пусковая характеристика ТКВД и уточнен требуемый вращающий момент пускового устройства. Потребная пусковая мощность при этом составила 120 кВт. Для получения этой мощности был применен электродвигатель с номинальной мощностью 100 кВт, который работает в режиме перегрузки. Это поз­ волило принять несколько меньшие габариты и массу, чем обусловливала выбран­ ная мощность.

Отработка запуска в системе двигателя в основном подтвердила правильность проектных предположений. Однако' пришлось принять ряд дополнительных мер для обеспечения безотказного запуска.

В начале наладки столкнулись с «зависанием» турбокомпрессора ВД (см. § 25), которое было устранено введением автоматического перепускного противопомпажного клапана (см. рис. 60). При первых же запусках столкнулись с тем, что после длительных остановок (в течение нескольких часов) пусковое устройство неспособнр было стронуть ротор с места. Требовалась предварительная прокрутка от валопо­

ния был больше расчетного в полтора раза (0,3 вместо 0,2). Одновременно было установлено, что даже при самом неблагоприятном варианте запуска — с затормо­ женным КНД — избыточный крутящий момент на ТКВД при умеренной температуре газа (600° С) требует сопровождения стартера до частоты вращения немногим более 4000 об/мин (при этом заслонка перепуска воздуха в обвод КНД открыта полно­

стью).

Кривая избыточного момента на ТКВД была получена построением производ­

ной с осциллограммы п1 = f (т) и последующим вычислением избыточного мо-

Учитывая эти обстоятельства, увеличили за счет сменных шестерен передаточ­ ные отношения от пускового электродвигателя к гидротрансформатору и от гидро­ трансформатора к ротору турбокомпрессора. Первое повысило перегрузку электро­ двигателя со 120 до 150 кВт, второе обеспечило более крутой наклон пусковой ха­ рактеристики (подобно кривой I I вместо кривой I I I на рис. 116).

При наладочных испытаниях двигателей на заводском стенде исследовались

различные программы запуска.

Запуски с закрытой и открытой заслонкой перепуска воздуха в обвод КНД показали, что период холодного разгона почти не зависит от положения заслонки. После подачи топлива эффект перепуска воздуха зависит от момента сопротивления страгиванию ТКНД. При малом сопротивлении благодаря турбинному режиму КНД страгивается при закрытой заслонке раньше, и в общем, несмотря на неблагоприят­ ные для КВД условия, время разгона получается такое же, как при открытой за­

217

слонке. Поэтому при работе на гидротормозе на стенДе, т. е. прй малом сопротивле­ нии страгиванию ТКНД, запуски проводили при закрытой заслонке.

Впоследствии на судне под влиянием редуктора и валопровода момент сопротив­ ления страгиванию, как показали специальные испытания, оказался значительно больше расчетного. Кроме того, с учетом необходимого эксплуатационного запаса на возможное увеличение сопротивления страгиванию был принят запуск с откры­ тий заслонкой до выхода примерно на 20% частоты вращения ТКНД.

На стенде были исследованы также варианты запуска с закрытым клапаном пере* луска газа: они подтвердили необходимость перепуска.

На рис. 117 приведена одна из осциллограмм запуска.

Рис. 117. Осциллограмма автоматического запуска из холодного состояния двигателя ГТУ-20 на стенде.

1 — включение рабочего топлива; 2 — отключение зажигания; 3 — страгивание ТКНД; 4 — отключение стартера. Штриховые линии — запуск из горячего состояния.

Впоследствии, при длительной эксплуатации на судне, ухудшение состояния турбин и компрессоров ВД привело к заметному уменьшению избыточного момента при запуске. В частности, появились затруднения при запуске двигателя правого борта первым (требуемая для разгона температура газа превышала 700° С, что приводило к отдельным случаям зависания).

Чтобы не перегружать двигатель левоЛ) борта систематическими запусками из холодного состояния, оказалось необходимым изыскать меры для существенного улучшения запуска двигателя правого борта. Был введен запуск двигателей обоих бортов при работающих валоповоротных устройствах (см. выше). Для реализации этого валоповоротные устройства ТКВД и ТКНД подключили к роторам через обгонные муфты типа «волчий зуб». Это простое конструктивное мероприятие поз­ волило включать стартер при работе валоповоротного устройства, что обеспечило снижение требуемого момента пускового устройства при страгивании почти в три раза. Последнее позволило восстановить характеристику, близкую к первоначаль­

в100° С.

Вотличие от запуска без валоповоротных устройств при раскрутке ТКНД двигателя, запускаемого первым, энергия сжатого воздуха от КНД второго двига­ теля, вращаемого общим редуктором ГТУ, оказывается достаточной для отрыва ТКВД второго двигателя от валоповоротного устройства. В результате еще при от­ ключенном стартере ТКВД разгоняется, отрывается от пускового устройства, и включение стартера оказывается невозможным. Для включения стартера в этом слу­

2 1 8

чае требуется на втором запускаемом двигателе не включать валоповоротное устрой­ ство1Это неудобство можно устранить введением специальной обгонной муфты, позволяющей включать пусковое устройство при повышенной частоте вращения ротора ТКВД.

§ 30. Системы приемистости

Принципы организации оптимального переходного режима в ос­ новном должны сводиться к такому изменению подачи топлива, положения регулирующих органов и лопастей винта, которое обес­ печивало бы максимальные избыточные моменты, т. е. ускорения на роторах турбокомпрессоров и выходном валу. Важнейшим условием

приемистости сливного типа.

при этом является правильный выбор запасов по помпажу, предель­ ной температуре газа и частоте вращения, а в ряде случаев — по предельным температурным градиентам, возникающим при быстром нагреве или охлаждении лопаточных аппаратов, дисков, корпусных деталей. Чрезмерные запасы снижают маневренные возможности, малые могут привести к недопустимым забросам параметров и пом­ пажу.

Широкое распространение благодаря своей простоте получили автоматы приемистости, работающие по сигналу от давления воздуха за компрессорной группой. На рис. 118, а изображена схема авто­ мата приемистости ГТД со свободной тяговой турбиной. На устано­ вившихся режимах жиклер Ж клапана приемистости 2 закрыт, а клапан перепуска 3 поддерживает постоянный перепад на дрос­ сельном кране 4, обеспечивая стабилизацию расхода топлива на форсунки 1. При открытии дроссельного крана давление топлива

1 Как показали испытания, на двигателе, запускаемом первым, также можно не включать валоповоротное устройство, так как в целом момент пускового устрой­ ства немного превышает момент сопротивления страгиванию. Однако это превыше­ ние составляет несколько процентов и в эксплуатации может исчезнуть.

219