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

перед форсунками поднимается на некоторую величину, обуслов­ ливающую начальный заброс температуры газа (позиции 5—8 будут рассмотрены в § 36).

Одновременно увеличение давления топлива приводит (за счет разности площадей сильфонов клапана приемистости) к открытию жиклера Ж. Перепад на сильфоне клапана перепуска увеличивается, и дальнейший рост давления топлива происходит лишь по мере по­ вышения давления воздуха за компрессором, приводящего к посте­ пенному закрытию жиклера Ж-

Рис. 119. Принципиальная схема (а) и характеристики (б) регулятора приемистости упорного типа.

На рис. 118, б дана осциллограмма разгона двигателя с описан­ ным автоматом приемистости от минимального до максимального

режима ( кривая 1 — отношение — , 2 — отношение Для ил-

люстрации действия автомата на этом же рисунке приведена темпера­ тура газа вдоль границы помпажа — линия 3, полученная расчетом. Подобного типа автоматы могут применяться также в сочетании с ре­ гуляторами частоты вращения или температуры: при перенастройке режима автомат приемистости открывает дополнительный слив либо перенастраивает основной регулятор по мере нарастания давления воздуха за компрессором (или за группой компрессоров).

Недостатком автоматов приемистости сливного типа является возможность заброса температуры при быстром перемещении рычага управления вследствие неравномерности и запаздывания.

В этом отношении представляет интерес автомат приемистости упорного типа (рис. 119), предложенный Л. В. Арсеньевым [3]. При резком перемещении сектора управления 4 тяга 7, связанная с дроссельным краном, перемещается на его открытие до тех пор пока соединенный с тягой стакан 6 не дойдет до упора 1 поршня 2 регулятора приемистости. Величина зазора а между упором 1 и ста­ каном 6 соответствует величине начального наброса топлива. Под действием повышающегося давления за компрессором 3 поршень 2 регулятора начинает перемещаться. Вместе с ним перемещаются упор 1 и опирающийся на него под действием пружины 5 стакан 6. Стакан, перемещая дроссельный кран, обеспечивает плавное нара­ стание расхода топлива.

220

На рис. 119, б приведены осциллограммы разгона при различном значении зазора а (см. рис. 119, а).

Рассмотренные автоматы приемистости имеют общий недостаток, заключающийся в использовании косвенного сигнала (давления за компрессором) для обеспечения программы разгона вдоль границы помпажа и линии максимальной температуры. Чтобы приблизить располагаемое давление за компрессором к давлению, требуемому для этой программы, нередко кроме выбора соответствующих кон­ структивных параметров (соотношения площадей, натяжения пру­ жин и т. п.) оказывается необходимой корректировка самого распо­ лагаемого давления. Для этой цели применяют редуцирование дав­ ления за компрессором с помощью последовательно расположенных дросселей и отбор давления из-за промежуточных ступеней сжатия компрессора или компрессорной группы.

При существенном отклонении от исходных атмосферных условий в автоматах данного типа требуется корректировка настройки (се­ зонная регулировка), которая либо осуществляется вручную, либо требует усложнения конструкции введением устройств, автомати­ чески корректирующих настройку по температуре (а иногда и по давлению) атмосферного воздуха.

При эксплуатационном изменении характеристик двигателя и его топливорегулирующей аппаратуры недостатки, связанные с исполь­ зованием косвенного сигнала, проявляются особенно заметно. Это требует введения больших исходных запасов на настройку, т. е. существенного отклонения от оптимальной программы разгона, при­ сущей данному двигателю. Например, при заносе компрессоров дав­ ление воздуха может снизиться на величину, превышающую запас, который был выбран для начального наброса топлива. В рассмотрен­ ных схемах (сливного и упорного типа) это приводит к тому, что давление воздуха за компрессором начинает воздействовать на по­ дачу топлива не только на переходных, но и на установившихся ре­ жимах, причем по структуре положительной обратной связи. Дей­ ствительно, уменьшение давления воздуха влечет за собой (при не­ изменном положении органа управления) уменьшение расхода топ­ лива, что в свою очередь вызывает дальнейшее падение давления воздуха. Этот процесс может привести к потере устойчивости режима.

Увеличение же исходного запаса настройки из расчета снижения давления воздуха в эксплуатации, как правило, недопустимо, так как может приводить к чрезмерному забросу температуры на чистом двигателе. Как следствие, указанные схемы не допускают существен­ ных эксплуатационных изменений характеристик агрегатов, т. е. могут успешно применяться лишь в двигателях со стабильным экс­ плуатационным состоянием (например, использующих легкое топ­ ливо, работающих на чистом воздухе, имеющих небольшой эксплуа­ тационный период и т. п.).

В ГТУ сложных схем, особенно с блокированным КНД, регу­ лирование приемистости усложняется, так как необходима согла­ сованная работа нескольких контуров воздействия на ГТУ. Напри­ мер, система регулирования приемистости судовой установки ГТУ-20

221

включает три контура: воздействие на частоту вращения ТКВД двух параллельно работающих ГТД и винта. Каждый из контуров состоит из всережимного регулятора скорости с коррекцией по производной от частоты вращения соответствующего ротора. Настройка регуля­ торов на требуемый режим осуществляется дистанционно с пульта управления пневматическими устройствами, которые являются за­ датчиками режима каждого из контуров и одновременно автоматами приемистости в переходных процессах.

Рис. 120. Принципиальная схема автомата приемистости ГТУ-20 (а) и осциллограмма разгона (б).

пв , ^ — частота вращения винта, ТКВД и температура газа перед ТВД; 6yj, fcyn — коэффициенты устойчивости КВД и КНД. Сплошные

линии — двигатель правого борта, штриховые линии — двигатель левого борта.

На рис. 120 приведена схема такого дистанционного задатчика— автомата приемистости. Пневмозадатчик 2 имеет шток, который перемещается кулачковым валом 1 пульта управления. Пневмо­ задатчик питается воздухом из-за КВД давлением рквд. При резком повороте кулачка 1 из исходного положения холостого хода в сторону увеличения режима давление на выходе из пневмозадатчика рвых повышается вначале до рквд. По мере разгона ГТУ давление рвых повышается до тех пор, пока рквд не достигнет значения на­

стройки р"ых пневмозадатчика 2, заданного новым положением

кулачка 1. После этого давление за пневмозадатчиком рвых = р“Ых остается неизменным, а ркВд возрастает за счет разгона, который продолжается благодаря повышению давления в баллоне 4 за дрос­ селем 3. На новом установившемся режиме избыток давления перед пневмозадатчиком по сравнению с давлением его настройки (Ар =

= рквд — Рвых) обеспечивает начальный запас давления питания, необходимый для перехода на следующий режим. Благодаря бал­

222

лону 4 с дросселем 3 давление р"ых на всех установившихся режимах можно принимать значительно ниже р К в д > так как в этом случае опасность заброса параметров ГТУ отсутствует даже при быстром перемещении кулачкового вала. Действительно, несмотря на то, что рвых может возрастать на значительную величину, давление за баллоном 4, используемое для перенастройки регулятора скорости 5, повышается плавно с заданным замедлением во времени. Невозврат­ ный клапан 6 совместно с дросселем 7 позволяют задавать время перенастройки регулятора 5 при сбросе, отличное от времени перена­ стройки при разгоне. Таким образом, по сравнению с рассмотрен­ ными выше автоматами приемистости здесь обеспечивается возмож­ ность настроить систему практически с любым необходимым эксплуа­ тационным запасом (по давлению рквд) и на изменение внешних условий, на ухудшение характеристик двигателя и т. п. На каждый из пневмозадатчиков воздействует свой кулачок общего кулачкового вала. На рис. 120, б приведена осциллограмма переходного режима с холостого на полный ход, выполненного при работе автоматов при­ емистости всех трех контуров. Осциллограмма свидетельствует о хо­ рошем качестве процесса регулирования.

Рассмотренные схемы регулирования приемистости отличаются конструктивной простотой, удобством настройки и обслуживания. Однако использование косвенных параметров для организации пере­ ходного режима, как указано выше, не позволяет обеспечить опти­ мальную приемистость ГТУ. В этом отношении перспективными яв­ ляются идеи организации переходных режимов по заданной ли­ нии ky const, выбираемой из условий необходимого запаса по помпажу, и линии предельной температуры газа.

Приемистость может быть значительно улучшена с помощью таких устройств, как поворотные направляющие аппараты турбин, которые позволяют варьировать в нужном направлении избыточные крутящие моменты на роторах. Например, в двигателе со свободной тяговой турбиной можно получить хорошую приемистость, если ро­ тор ТКВД выведен на максимальную рабочую частоту вращения, которая поддерживается неизменной регулятором частоты вращения скорости, воздействующим на подачу топлива. Мощность на выход­ ном валу при этом регулируется поворотом направляющих лопаток тяговой турбины, что в принципе может быть обеспечено во всем диапазоне от нулевой мощности до максимальной.

Для исключения неблагоприятного влияния такого регулирова­ ния на экономичность можно при переходе к длительному частичному режиму переводить направляющий аппарат в оптимальное положе­ ние, а мощностной режим ГТУ устанавливать путем изменения ча­ стоты вращения ТКВД.

§ 31, Регулирование температуры газа

Как показывает практика, температурное поле перед турбинной группой ГТУ имеет значительную неравномерность, составляющую в ряде случаев ±10% средней температуры газа. В процессе эксплуа-

223

тации зоны пониженной и повышенной температур изменяют поло­ жение, что делает необходимым измерение температуры в несколь­ ких местах потока. При проходе потока газа через турбинные венцы его температурная неравномерность уменьшается вследствие пере­ мешивания при течении. Замеры, выполненные на различных на­ турных турбинах, существенно различающихся по геометрии и пара­ метрам (включая частоту вращения), показывают, что в первом при­ ближении относительное уменьшение неравномерности зависит только

Рис. 122. Зависимость отношения температур газа от давления перед турбинной группой ГТУ-20.

1 — отношение температур по турбинной груп­ пе в целом; 2 — отношение температур в ТВД; кривые — результаты расчета, точки — экспе­ риментальные данные.

от числа ступеней (рис. 121), при­ чем наиболее быстро неравномер­ ность уменьшается в первых сту­ пенях. Уменьшение неравномер­

ности температурного поля по мере прохождения газа через турбин­ ную группу и снижение уровня температуры обусловили широкое распространение способа определения начальной температуры газа с помощью замера более низкой и равномерной температуры за ТВД или за турбинной группой. Рассмотрим особенности каждого из этих замеров.

В широком диапазоне режимов степень расширения и к. п. д. ТВД изменяются обычно незначительно и, как следствие, отношение средней температуры перед турбинной группой Т х к средней темпера­ туре за ТВД (перед ТНД) Т 2 является приблизительно постоянной величиной (рис. 122), т. е.

(319)

1 2

где

kr я» const.

Это позволяет перейти от температуры, замеренной за ТВД, к тем­ пературе перед турбинной группой без корректировки по какому-либо

2 2 4

вспомогательному параметру (давлению, степени расширения). Не­ достатком рассмотренного способа измерения температуры является возможная нестабильность величины kTпри эксплуатации вследствие заноса турбины, утонения выходных кромок профилей и других при­ чин, вызывающих изменение к. п. д. и степени расширения. На ре­ жимах запуска и других малых режимах kr может существенно отличаться от исходной постоянной величины, использованной для пересчета измеряемой температуры Г 2 в регулируемую T v

Следует отметить, что на режимах, имеющих температуру газа, близкую к максимальной рабочей, даже незначительные отклоне­ ния kr могут вызвать недопустимую погрешность в регулировании Т х. Действительно, при современном уровне начальной температуры газа 1000— 1500° К отклонение kT от исходной даже на 1—2% дает ошибку измерения Т г ^ 30°, что обычно уже заметно влияет на прочность напряженных элементов ГТУ. При запусках и на частич­ ных режимах, где запас до предельной температуры больше, измене­ ние kr играет меньшую роль, но по возможности его следует учи­ тывать.

В отличие от рассмотренного случая замера температуры за ТВД измерение температуры за турбинной группой Т 3 требует обязатель­ ной корректировки по степени расширения, так как отношение вход­ ной и выходной температур во многом зависит от нее. Так как давле­ ние за турбинной группой близко к единице, то степень расширения в турбинной группе с достаточной точностью можно считать величи­ ной, близкой к давлению перед турбинной группой или давлению за компрессором (в двухкомпрессорных схемах — за КВД). Поскольку к. п. д. турбинной группы i]T г в широком диапазоне режимов изме­ няется мало, то отношение начальной и выходной температур в первом приближении зависит только от давления перед турбинной группой.

степень расширения в турбинной группе и давление перед ней). Как видно из этого рисунка, экспериментальные точки, полученные при испытаниях турбинной группы ГТУ-20, подтверждают одно­ параметрическую зависимость Т а!Т х от давления перед турбинной группой.

Представляют интерес идеи косвенного определения темпера­ туры газа — например, по соотношению расходов топлива и воздуха в камере горения, соотношению расхода и давления газа перед ТВД, частоте вращения. Практически это соответствует принципам, ис­ пользуемым в автоматах приемистости для ограничения температуры газа в переходных режимах (см. § 30).

На рис. 123 приведена схема ограничителя температуры газа, работающего по косвенным параметрам. С помощью пружины 2 и дросселя I ограничитель настраивается на начало слива топлива при достижении заданной максимальной температуры газа. При ра­ боте ГТУ нарушение заданного соотношения между давлением топ­ лива, действующим на золотник 3, и давлением воздуха за компрес­ сором, действующим на мембрану, приводит к появлению слива топ-

лива перед форсунками 4 (за насосом 5), т. е. к ограничению темпера­ туры газа.

Практический интерес представляет косвенное измерение и ре­ гулирование температуры газа по частоте вращения турбокомпрес­ сора. Расчетные и экспериментальные данные по газотурбинным агрегатам различных схем показывают, что температура газа перед турбинной группой на установившихся и медленных переходных режимах приблизительно определяется частотой вращения турбо­

Рис. 123. Ограничитель температуры газа судовой ГТУ: а — прин­ ципиальная схема; б — экспериментальная статическая характе­ ристика ограничителя ( Q — при повышении давления; ф — при снижении давления).

частотой вращения обычно не нарушается и при изменении темпера­ туры атмосферного воздуха (см. рис. 82). Однако практическое при­ менение косвенные методы могут найти только в тех случаях, когда требуемая точность измерения фактической температуры невелика, т. е. имеются большие запасы на нестабильность замера температуры. Накопленные погрешности в измерении косвенны^ параметров обычно настолько значительны, что при отсутствии больших запасов на нестабильность надежное измерение температуры становится не­ выполнимым. Особенно это проявляется при работе на тяжелых топливах, промышленно загрязненном или морском воздухе. В этих условиях нестабильность теплотворной способности топлива, коле­ бания его вязкости, заносы и износ форсунок, турбин, камер горе­ ния, загрязнение компрессоров и изменение внешних условий сильно меняют исходные соотношения между температурой газа и косвен­ ными параметрами, измеряемыми для ее определения.

Несмотря на малую точность измерения температуры, косвен­ ные методы по соотношению топливо—воздух обычно обеспечивают высокое быстродействие благодаря малой инерционности, достижи­

226

мой при измерении расходов (или определяющих их давлений) топлива и воздуха. Поэтому целесообразно быстродействующий, но недостаточно точный регулятор соотношения топливо—воздух исполь­ зовать в качестве выходного звена регулятора, непосредственно из­ меряющего температуру газа. Его можно выполнить достаточно инер­ ционным, с массивными термоизмерительными элементами, имею­ щими большой срок службы, и без нестабильной динамической компенсации.

В этом случае инерционный регулятор температуры на длитель­ ных режимах корректирует настройку регулятора соотношения топ­ лива—воздух в точном соответствии с регулируемой температурой. При различных быстрых и кратковременных переходных режимах регулятор соотношения окажет практически безынерционное воздей­ ствие на топливоподачу, т. е. на температуру газа. По такому же принципу целесообразно реализовать регулирование температуры газа совместно с всережимным регулированием частоты вращения турбокомпрессора. В этом случае регулятор температуры — инер­ ционный, но имеющий большой срок службы и простую схему — включается в линию задания регулятора частоты вращения турбо­ компрессора и в случае изменения условий плавания, параметров атмосферы, эксплуатационного состояния и при других медленно текущих процессах корректирует настройку регулятора скорости.

На переходных режимах значительную роль начинает играть тепловая инерционность термоизмерительных элементов, уравнение которых обычно имеет вид

(320)

где tr — температура омывающего газа; tc — выходной сигнал тер­ моизмерительного элемента в масштабе температуры газа; Тэ— по­ стоянная времени измерительного элемента.

Постоянная времени большинства термоизмерительных элементов с достаточной точностью определяется соотношением

где у, V, см, F — соответственно плотность, объем, теплоемкость и омываемая поверхность термоизмерительного элемента; а — коэф­ фициент теплоотдачи от газа к металлу термоизмерительного эле­

мента.

На судовых ГТУ требуются длительные сроки службы измери­ тельных элементов, что ограничивает возможности снижения их металлоемкости V и, следовательно, Тэ. Поэтому в переходных ре­

жимах при ~ Ф 0 величина /с может значительно отставать от tT.

227

15

Для исключения этого в регуляторах температуры газа судо­ вых ГТУ нашли применение схемы с динамической компенсацией инерционности измерительного элемента.

Сигнал от измерительного элемента tc суммируется с его произ­

водной ^ , умноженной на постоянную времени Тэ, что в соответ­

ствии с уравнением (320) формирует сигнал, приблизительно равный в соответствующем масштабе действительной мгновенной темпера­ туре гада (рис. 124).

в узком диапазоне режимов. При существенном различии в пара­ метрах коэффициент теплоотдачи а заметно изменяется (см. § 6), т. е. Тэданной термопары в большом переходном процессе не остается постоянной величиной. Это может потребовать введения в корректи­ рующий контур воздействия по какому-либо параметру ГТУ, напри­ мер по расходу или давлению воздуха. Однако даже в этом случае термоизмерительные устройства с компенсацией могут работать лишь при том условии, что Тэ на различных режимах в процессе эксплуатации сохраняет первоначальное значение. При работе на малозольных сортах топлива в течение недлительных периодов это условие обычно обеспечивается. При длительной непрерывной ра­ боте на продуктах сгорания тяжелых топлив надежная динамическая компенсация становится труднореализуемой. Действительно, по мере заноса термоэлемента коэффициент теплоотдачи к нему от газа сни­ жается. В соответствии с (321) это приводит к увеличению постоян­ ной времени Тэ. Кроме того, увеличивается самый начальный период прогрева (охлаждения) материала измерительного элемента — ирре­ гулярный режим — когда температура элемента в начале переход­ ного процесса почти не изменяется, т. е. имеет место состояние, близ­ кое к чистому запаздыванию. Все эти факторы приводят к изменению динамических характеристик термоэлемента (рис. 125) и вызывают прогрессирующую по величине ошибку при компенсации.

228

При установке температурных датчиков за турбинами необхо­ дима дополнительная динамическая компенсация запаздывания тем­ пературы газа, вызванного тепловой аккумуляцией проточной части турбины, расположенной перед датчиком. Эта аккумуляция заметно проявляется в большинстве судовых турбин. Так, в четырехступен­ чатой турбинной группе ГТУ-20 в первый момент времени к выходу проходит 80—85% относительного изменения температуры газа на

тельно упрощает задачи оптимального управления судовых ГТУ. Наибольшее распространение в судовых ГТУ находят однорежим­ ные системы регулирования температуры газа (чаще ограничитель­ ного типа), обеспечивающие стабилизацию максимальной темпера­ туры на режимах, близких к полному ходу, а иногда и на переходных режимах. Такая система, в частности, была применена на судовой ГТУ судна «Джон Саржент» и применяется на новых ГТУ фирм

Дженерал Электрик и Пратт-Уитни (см. § 35).

Здесь следует остановиться еще на одном практически важном вопросе.

Распределение температуры в сечении за камерой горения, как указано выше, в эксплуатации может существенно изменяться, особенно при работе на тяжелых сортах топлива. Поэтому большое значение имеет способ установки показывающего прибора. Если измерительная часть прибора не связана с измерительной частью регулятора, то неизбежно появляется отклонение между показанием прибора и фактическим режимом, регулирование которого осуще­ ствляет регулятор температуры. Особенно это должно проявляться, если измерение температуры потока контуром показывающего при­ бора и контуром регулятора осуществляется в малом числе точек или

229