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

в разных сечениях потока. Поскольку контроль за уровнем темпе­ ратуры ведут по показаниям прибора, то любое изменение этих показаний рассматривается обслуживающим персоналом как неста­ бильная работа регулятора. Установить же фактическую причину изменения показаний нельзя, так как сравниваемые комплекты тер­ моизмерителей расположены в разных точках потока, в которых соотношение температуры может изменяться при неизменной сред­ немассовой температуре.

Поэтому целесообразно, чтобы в показывающем приборе исполь­ зовались термоизмерители регулирующего контура. В этом случае перемещения зон повышенных и пониженных температур в потоке при эксплуатации не отражаются на показаниях контролирующего прибора, так как регулятор стабилизирует режим по точкам измеряе­ мых им зон. При числе термоизмерителей 3—6 по сечению потока это практически соответствует стабилизации среднемассовой темпера­ туры независимо от соотношений между различными измеряемыми точками.

Требуемая точность поддержания среднемассовой температуры газа перед турбинной группой на максимальном режиме обычно со­ ставляет около 1%.

Большую роль играет резкое уменьшение точности измерения средней температуры потока с уменьшением числа термопар. На­ пример, по имеющимся экспериментальным данным, полученным на прямоточном ГТД при параллельном включении термопар, макси­ мальная разность между показаниями одной термопары на протя­ жении 10 опытов составила более 20% среднего значения темпера­ туры в сечении. При двух термопарах эта величина снизилась до 10%, при четырех — до 6%, при восьми —■до 2% и лишь при десяти термопарах составила около 1%. В судовых регенеративных ГТУ точность значительно повышается благодаря лучшему перемеши­ ванию газа (выносная камера горения, улиточный вход). Так, в ГТУ-20 указанная разность в 3—4 раза меньше.

Если контур регулирования температуры газа воздействует на топливоподачу непосредственно, а не влияет как корректор на­ стройки дополнительного контура (см. выше), то необходимо обес­ ценить такое быстродействие регулятора, чтобы его постоянная вре­ мени не превышала постоянной времени прогрева выходной кромки лопаток турбины (см.ч§ 27).

В результате учета всех указанных выше факторов уже на пер­ вых этапах создания ГТУ могут быть приняты необходимые запасы на возможные эксплуатационные отклонения температуры по сравне­ нию с идеализированными процессами управления, получаемыми при проектировании и стендовых испытаниях.

§32. Системы топливопитания

Всудовых газотурбинных двигателях, работающих на легких топливах, нашли распространение системы, в которых топливо ис­ пользуется в качестве рабочей жидкости. При проведении работ по

2 3 0

сжиганию в таких ГТД менее качественных сортов топлива (в част­ ности, с повышенным содержанием смолистых веществ и механиче­ ских примесей, более вязких, более обводненных и т. п.) такая аппа­ ратура становится значительным препятствием к освоению этих сортов топлива. Поэтому более универсальными, а в ГТД, работаю­ щих на тяжелых сортах топлива, — необходимыми являются си­ стемы топливопитания, которые связаны с системой управления лишь регулирующими топливными органами.

По этому принципу выполнены системы ряда зарубежных судо­ вых ГТУ (например, фирмы Дженерал Электрик) и система ГТУ-20 (рис. 126).

Клапаны переключения обеспечивают подачу одного из указан1 ных видов топлива в систему. При подаче сжатого воздуха на мем­ браны клапанов переключения тяжелое топливо поступает на фильтр тонкой очистки низкого давления, затем на насос высокого давления, фильтр тонкой очистки высокого давления, быстрозапорный стопклапан, распределительный клапан и форсунки. Против повышения давления предусмотрен предохранительный клапан. При снятии давления воздуха над мембраной стоп-клапана последний перекры­ вает магистраль к форсункам и направляет топливо на слив. Давле­ ние сжатого воздуха можно снять как вручную — специальным краном управления на пульте, так и автоматически — с помощью системы защиты (см. § 36).

Для работы на легком топливе (запуск, промывка магистралей перед остановкой и т. п.) нужно пневмокраном на пульте снять дав­ ление воздуха на клапанах переключения: легкое топливо пойдет на насос высокого давления, а тяжелое— на слив в цистерну.

Важной задачей является фильтрация топлива. Эта задача осо­ бенно усложняется при работе на тяжелых сортах топлива в усло­ виях безвахтенного обслуживания.

Рассмотрим некоторый опыт, накопленный при доводке и эксплуатации филь­ тров в системе топливопитания ГТУ-20 Г

Каждый патрон фильтра (рис. 126) имеет немногим более 80 фильтрующих элементов. Тонкая фильтрующая никелевая сетка имеет ячейку с размером сто­ роны '-'-0,055 мм. Эта сетка прилегает к опорной сетке из проволоки Х18Н9Т со стороной ячейки —0,35 мм.

Как показал опыт эксплуатации, очистка в этих фильтрах является достаточной для защиты форсунок с минимальным диаметром отверстий 0,6 мм и золотниковых пар топливных регулирующих органов, имеющих диаметральный зазор 0,01 — 0,025 мм.

Как видно из конструкции фильтра, в работе находится всегда только один патрон, второй отключен и может быть подвергнут очистке. Общая фильтрующая поверхность патрона составляет около 7000 сма, что соответствует максимальной нагрузке на режиме полного хода —0,2 кг/(ч-см2). При такой нагрузке получены следующие эксплуатационные данные для фильтра низкого давления 2.

1.При работе на низковязком дизельном топливе марок ДС, ДЛ фильтры не требуют очистки в течение более 1000 ч работы.

2.При работе двигателей на тяжелом (моторном) топливе марки ДТ1 оно по­

ступает в топливную систему подогретым до 120—130° С, предварительно пройдя

1 Подробнее см. [48].

2 Фильтр высокого давления заметным заносам не подвергается.

231

промывку водой для удаления солей и сепарирование для удаления воды и механи­ ческих примесей. Обработанное таким образом топливо повышает перепад на фильтре низкого давления до 3—4 кгс/см2 примерно через 70 ч. Так как максимальное дав­ ление перед фильтром, создаваемое подкачивающим насосом, обычно не превышает 6 кгс/см2, а главный насос (за фильтром) на горячем топливе при давлении ниже 2 кгс/см2 попадает в режим кавитации, указанный перепад на фильтре является предельным. Таким образом, примерно после 70 ч необходимо переключать фильтр на другой патрон, а загрязненный патрон очищать.

Для систематической проверки работы системы управления и за­ щиты при работающей топливной системе, а также для проверки чистоты магистралей оказалась удобной впервые примененная на ГТУ-20 штатная система имитации форсунок. Она представляет со­ бой трубопровод с регулирующим топливным краном. Выходной конец трубопровода направлен в сливную цистерну. Входной конец имеет присоединительные размеры коллектора форсунок. При работе на имитатор топливный трубопровод ГТУ отсоединяется от коллек­ тора форсунок и подключается к имитатору, регулирующим краном которого можно создать любое давление в магистрали. Удобство имитатора заключается в том, что все приборы и агрегаты топливной системы (за исключением коллектора форсунок) в режиме имитации находятся в рабочем состоянии.

эта система состоит из электротопливного насоса, бумажного фильтра, невозвратного клапана и перепускного дросселя, которым регули­ руется давление пускового топлива (околоч6 кгс/см2).

Для упрощения пусковой системы топливо иногда берут из маги­ страли нагнетания подкачивающего насоса. Однако в этом случае, как показывает практика, нельзя просто перекрыть магистраль после окончания запуска. При эксплуатации даже ничтожное нарушение герметизации влечет за собой проникновение сжатого воздуха из камеры горения на всасывание главного топливного насоса в коли­ честве, достаточном для срыва его напора, что приводит к незапла­ нированной остановке ГТУ. Поэтому в случае использования такого принципа нужно при отключении топлива обеспечивать разделитель­ ную камеру с атмосферным давлением, надежно исключающую по­ падание сжатого воздуха из камеры горения на всасывание главного насоса. В противном случае подача топлива на пусковой насос должна производиться непосредственно из расходного бака, а не из какого-либо участка, входящего во входную магистраль главного топливного насоса.

В судовых ГТУ серьезным вопросом является сохранение топливоподачи при обесточивании электростанции, что нередко имеет место в практике эксплуатации. Так, за три года эксплуатации газотурбохода «Парижская коммуна» обесточивание наблюдалось около 10 раз. Для исключения непредусмотренной остановки ГТУ из-за прекращения топливоподачи при обесточивании, особенно при швартовках, проходе в узкостях и при других сложных обстоятель­ ствах, можно использовать ряд схем. Наиболее радикальным является привод главного и подкачивающего насосов непосредственно от ГТУ.

234

Однако при жестком соединении возникает ряд проблем, связанных с некоторым снижением надежности и устойчивости. При соединении через электроили гидротрансмнссшо появляются трудности, свя­ занные с усложнением конструкции.

Учитывая, что время швартовок, прохода узкостей и т. п. состав­ ляет для транспортного судна незначительный процент от общего времени эксплуатации, можно при ответственных ситуациях заранее включать резервный дизель-генератор, чтобы в случае обесточива­ ния топливные электронасосы оставались в действии.

Рациональным решением является также схема, состоящая из резервной емкости, заполненной топливом и находящейся под дав­ лением какого-либо нейтрального (из соображений взрывобезопасности) газа. При обесточивании или падении давления срабатывает клапан, открывающий подачу топлива на форсунки из резервной топливной емкости. Длительность такого аварийного топливоснаб­ жения выбирают из условий реального времени, требуемого для ввода резервных мощностей судовой электростанции.

§33. Регуляторы расхода топлива

Вдиапазоне от холостого до полного хода устойчивость скорост­ ных режимов судового ГТД обеспечивается, если на режиме поддер­ живать расход топлива постоянным. Действительно, из выходных характеристик распространенных схем ГТД (см. рис. 79) следует, что в точках пересечения линий В = idem с винтовыми характери­ стиками (штриховые линии) отклонение от равновесного состояния, т. е. от точки пересечения, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения частоты вращения выходного вала вызывает появление

между линией В = idem (характеристика ГТД) и линией Н, D = = idem (характеристика винта) избыточной мощности, возвращаю­ щей режим в исходную точку. То же самое характерно для линий

где расположены равновесные режимы, отклонение частоты враще­ ния вызывает появление избыточного момента, возвращающего ре­ жим к равновесному состоянию. В схемах со свободной тяговой тур­ биной кроме устойчивости закон В = idem обеспечивает вблизи но­ минальной винтовой характеристики примерно постоянную мощ­ ность на выходном валу (см. § 19).

Поэтому для стабилизации подачи топлива на режимах приме­ няют специальные регуляторы расхода. Несмотря на многообразие конструкций, большинство из них соответствует одному из рас­ смотренных ниже принципов.

Регулятор с измерением перепада. Устройство 4 (рис. 127, а) измеряет перепад давлений на дросселе 2. При отклонении перепада от заданного значения орган перепуска 5 увеличивает или умень­ шает слив топлива на всасывание насоса 3 вплоть до восстановления перепада. Таким образом, при неизменном положении дроссельного

2 3 5

устройства расход топлива на форсунки 1 может измениться лишь в пределах неравномерности регулятора. Поскольку обычно обеспе­ чивается достаточно малая неравномерность, то расход практически остается неизменным.

Благодаря тому что перепад на всех режимах постоянен, расход топлива определяется только величиной открытия проточного се­ чения дроссельного устройства 2. Изменение расхода топлива осу­

таким образом, чтобы перед форсунками 1 поддерживалось давле­ ние, соответствующее заданному расходу. При изменении этого давления перепускной орган 5 меняет слив топлива на всасывание насоса 3. Благодаря этому в пределах неравномерности регулятора

2 3 6

поддерживается приблизительно неизменное давление перед фор­ сунками, т. е. неизменный расход топлива. Регулятор расхода такого типа применен на установке ГТУ-20 (рис. 129).

Статические экспериментальные характеристики регулятора рас­ хода ГТУ-20 приведены на рис. 130. Малые неравномерность и не­ чувствительность, а также линейность характеристик свидетель­ ствуют о хороших статических свойствах регулятора.

/ — пневматическая часть; 2 , 3 — золотник и букса топливорегулнрующей части.

В регуляторах подобных конструкций в широком диапазоне дав­ лений топлива может возникать сильная вибрация, что приводит к недопустимой нестабильности характеристик и снижает надеж­ ность работы. Граница возникновения вибрации зависит от коли­ чества сливных отверстий г (рис. 131). Для устранения вибрации необходимо сливные отверстия располагать таким образом, чтобы на режимах высоких давлений работало минимальное число отвер­ стий (например, два), а остальные работали на режимах низких давлений, где вибрация отсутствует. При другой конфигурации

237

сливных окон также нужно стремиться, чтобы суммарная длина окон по окружности буксы на высоких давлениях была минимальной, т. е. обеспечивать необходимое сечение за счет увеличения размера вдоль оси буксы и уменьшения размера по окружности. Это умень­ шает реактивные силы, действующие на золотник при истечении струи, и тем самым снижает вибрацию. Одновременно увеличивается ход мембранной группы регулятора, что может приводить к недопу­ стимому увеличению степени неравномерности Дрв. Для ее умень­ шения следует выбирать оптимальное начальное положение мембран в узле (рис. 132), освобождать мембраны в заделке (см. § 34), ис­ пользовать мембраны с гофром.

топлив, но и на тяжелом горячем топливе. Однако особое внимание следует обращать на зазоры в плун­ жерной паре, которые в эксплуатации могут изменяться. Так, при длительных испытаниях в составе ГТУ наблюдалась повышенная нечувствительность в одном из регуляторов расхода. Обмер плун­ жера и буксы показал, что зазор между ними уменьшился с 15— 20 до 0—5 р, несмотря на предусмотренное технологией искусствен­ ное старение этой плунжерной пары из стали 9ХВГ, термообрабо­ танной на высокую твердость. После того как радиальный зазор был увеличен до первоначального, регулятор расхода работал нор­ мально в течение длительной эксплуатации в судовых условиях.

Регулятор с изменением производительности насоса. Выше были рассмотрены способы регулирования расхода путем перепуска из­ лишков топлива на всасывание насоса. Применяются также насосы с регулируемой производительностью, в которых в зависимости от наклона шайбы изменяется ход плунжеров.

238

Устанавливая шайбу в определенное положение, можно задать практически любой расход в пределах возможной производитель­ ности насоса. При неизменной частоте вращения насоса расход за­ висит только от наклона шайбы, при переменной он пропорционален

в корректировке, так как при отклонении условий работы двигателя

хода топлива, связанное с изменением его вязкости, которая за­ висит от качества принятого топлива, степени нагрева в системе топливопйтания и от других факторов. Регулируя давление, регу­ лятор не реагирует на изменение расхода как из-за вязкости, так

239

и вследствие эксплуатационного изменения гидравлического сопро­ тивления форсунок, измененияпротиводавления в камере горе­ ния и т. п.

Наконец, все типы регуляторов расхода не обеспечивают необ­ ходимой точности поддержания режимов и их повторяемости, так как не учитывают изменения теплотворной способности топлива, связанного с сортом, степенью обводнения и другими причинами. Например, при испытаниях ГТУ-20 имели место случаи обводнения моторного топлива. При использовании регулятора расхода топлива (без коррекции регулятором скорости) были отмечены ненормаль­ ности в работе: при неизменных расходе топлива и давлении перед форсунками температура газа начинала плавно понижаться. При­ ходилось либо переключать питание на легкое топливо, либо оста­ навливать двигатель.

§ 34. Элементы конструкций

Пневмоусилитель. Одним из важнейших элементов пневмосистем управления судовых ГТУ является пневмоусилитель (узел силовой компенсации), схема которого приведена на рис. 134. Усилитель такого типа (комплекс мембрана—сопло—клапан) нашел широкое применение в системах современной промышленной пневмоавтома­ тики. Однако уровень рабочего давления воздуха в этих системах обычно не превышает 1,5 кгс/см3. На начальном этапе использования пневмоусилителей непосредственно на сжатом воздухе ГТУ, давле­ ние которого зачастую значительно превышало этот уровень, воз­ никали повышенная нечувствительность, нестабильность характери­ стик, вибрационные режимы работы (рис. 135). Были проведены тео­ ретические и экспериментальные исследования, в результате кото­ рых установлены причины этих явлений и разработаны надежные конструктивные меры по их устранению.

Принцип действия пневмоусилителя основан на компенсации командной силы QKсилой QM, возникающей на мембране от давления воздуха р в камере А. При снижении р клапан открывается, при уве­ личении — сопло отходит от клапана. Это в обоих случаях приводит к восстановлению заданного значения р.

Рассмотрим баланс сил, действующих в узле силовой компен­ сации х.

Возможное распределение сил сводится к трем случаям. В пер­ вом случае сопло прижато к клапану, а клапан не имеет силового контакта с седлом. В этом случае условие равновесия сил опреде­ ляется соотношением

где QK— командная сила; Qm — сила, действующая на клапан со стороны силового воздуха (она складывается из силы поджатия пру-1

1 Р а с с м а т р и в а е т с я с л у ч а й , п р и к о т о р о м р а с х о д в о з д у х а к п о т р е б и т е л ю о т с у т ­

с т в у е т [2 0 1 . -

2 4 0