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

Подача топлиЗа I us иистронь/

Рис. 150. Система управления и топливопитания судовой ГТУ RM-60.

1 — топливный насос низкого давления; 2 — дифманометр; 3 — фильтр НД; 4 — расходо­ мер; 5 — топливный насос высокого давления; 6 — регулировочный клапан; 7 — дроссель­ ный клапан; 8 — топливный регулировочный агрегат; 9 — перепускной пусковой клапан;

слив из форсунок; 22 — слив из камеры горения; 23 — общая сливная емкость; 24 — слив­ ной кран; 25 — дренаж в атмосферу.

261

На рис. 151 показана пневмогидравлическая система управления судовой ГТУ фирмы Дженерал Электрик, успешно прошедшая трех­ летнюю эксплуатацию на сухогрузе «Джон Саржент». При общей наработке за три года эксплуатации 9270 ч простои в море, связанные с устранением неполадок в элементах системы, составили около 16 ч, из которых 14 ч простоя были вызваны заносом температурных дат­ чиков антикоррозионной присадкой в топливной золе, потребовавшим установки датчиков нового типа, и около 2 ч — устранением корот­ кого замыкания в проводах электропривода топливного кла­ пана.

Рассмотрим принцип действия указанной системы.

При повороте распределительного кулачкового вала 1 (местным рычагом 2 или дистанционно сервомотором-?) из положения холостого хода вначале сельсином 5 дается команда на затяжеление ВРШ. Это приводит к появлению и увеличению скорости хода. После вывода ВРШ на максимальный шаг при дальнейшем повороте распредели­ тельного вала 1 кулак 4 через систему рычагов А Б В Г Д и гидравли­ ческую систему клапанов 14 и 13 с сервомотором 8 начинает воздей­ ствовать на уменьшение проходного сечения сопел ТНД (рычаг Е, связанный с кольцом 9, служит обратной связью клапана 14). Одно­ временно кулак 4 дает команду на перенастройку регулятора ско­ рости 6, который перемещением буксы воздействует через свой серво­ мотор и систему рычагов Ж, И, К на наклонные шайбы топливных насосов 24, увеличивая подачу топлива на форсунки для поддержа­ ния заданной кулаком 4 угловой скорости турбокомпрессора. При дальнейшем повороте распределительный вал продолжает закрывать сопла и увеличивать уровень скорости, поддерживаемый регулято­ ром 6. При достижении предельной температуры газа регулятор 6 перестает контролировать подачу топлива и начинает регулировать положение сопел ТНД; регулирование подачи топлива принимает на себя регулятор температуры 19.

Начальная температура газа регулируется при температуре выхода из турбинной группы с коррекцией по давлению воздуха за компрессором (т. е. по степени расширения в турбинной группе). Температура измеряется двумя дилатометрическими датчиками, рас­ положенными в выходном патрубке. Пневматические преобразователи устанавливают давление воздуха, пропорциональное разности теп­ лового расширения элементов датчиков и откорректированное по давлению за компрессором. При повышении температуры выходное давление воздуха понижается. Этот сигнал поступает в полость X регулятора температуры 19. При достижении предельного [значения начальной температуры газа клапан Л регулятора, открываясь, уменьшает давление масла в полости М. Через рычаги Н и гидро­ систему усилителя 23 происходит уменьшение подачи топлива насо­ сами 24. Левая часть регулятора 19 является обратной связью кла­ пана Л.

Принципиальная схема управления новых судовых ГТУ фирмы Дженерал Электрик с ВРШ [63] приведена на рис. 152. Системами этого типа с электронной командной частью предполагается обору-

262

Рис. 151. Система управления ГТУ судна «Джон Саржент».

бойкового типа ТНД; 12 — ймпеллер на валу ТНД; 13 — срабатывающий клапан травления газа; 14 — сопловой клапан травления газа; '15 — управляющий клапан травления воздуха^

смазке; 21 — сервоцилиндр защиты по частоте вращения; 22 — установщик расхода топлива,

24 — т о п л и в н ы й н а с о с .

ю

о

сэ

довать регенеративные ГТУ, предназначенные для вновь строящихся транспортных судов различной мощности.

Один из двух одинаковых пультов управления (18) устанавли­ вается на мостике, другой (19) — в машинном отделении. Для пере­ вода управления с одного пульта на другой служит переключатель на пульте в машинном отделении.

При швартовках и ходе в узкостях включается программа управ­ ления D, при запланированных изменениях ходовых режимов — программа М и, наконец, при ходовых режимах в море для обеспече-

M,s D

Рис. 152. Система управления регенеративных ГТУ фирмы Дженерал Электрик.

ния постоянной частоты вращения ТНД, необходимой для работы электрогенератора, — программа S. Включение той или иной про­ граммы производится с пульта управления при помощи соответ­ ствующих кнопок.

Чтобы можно было проследить отличие в направлении воздей­ ствий для каждой из указанных программ непосредственно по схеме, на рис. 152 в местах разрыва цепей проставлены буквы, соответ­ ствующие той или иной программе. Буква указывает, что при работе по соответствующей программе цепь в этом месте замкнута, при работе по другой программе — разомкнута.

П р о г р а м м а D. При перемещении рычага пульта управления происходит непосредственное воздействие на механизм 1, управляю­ щий положением лопастей, через преобразующее устройство 20 таким образом, что полному перемещению рычага соответствует полное изменение шага. Частота вращения компрессора при этом

2 6 4

задана неизменной с помощью настройки 15, соответствующей при­ мерно 50% п 10. Это в свою очередь соответствует около 1,5% выход­ ной мощности (при номинальном шаге винта), т. е. примерно 25% скорости хода. В качестве сигнала обратной связи в этом случае используется только частота вращения компрессора (сигнал от дат­ чика 2), так как при данной программе второй сомножитель, опреде­ ляющий расход топлива, — сигнал, пропорциональный ходу плун­ жеров насоса, — на блок 12 не поступает: его заменяет постоянная настройка 13. Таким образом, стабилизация частоты вращения ком­ прессора происходит в данном случае с помощью сигнала рассогласо­ вания, идущего от блока 14 через устройство пропускания 7 (см. ниже) к приводу плунжеров насоса 10. Проходное сечение соплового аппарата ТНД при этом открыто максимально: воздействие частоты вращения на поворотные сопла компрессора начинается примерно при 80% полной частоты вращения компрессора. Воздействие на подачу топлива со стороны выходной температуры газа (звенья 5, 6) и частоты вращения ТНД (звенья 8, 9) в связи с их низким уровнем при программе D отсутствует.

Таким образом, при работе по этой программе скорость судна изменяется практически только из-за изменения шага винта при неизменной частоте вращения компрессора.

П р о г р а м м а М. При этой программе минимальный расход топлива, заданный настройкой 16, соответствует примерно 6% выходной мощности ГТУ при номинальном шаге ВРШ, т. е. около 40% скорости судна.

Так как к характеристикам системы предъявлено требование обеспечить линейную зависимость между положением рычага управ­ ления пульта и скоростью судна, то номинальный шаг устанавли­ вается при 40% перемещения рычага. Это обеспечивается воздей­ ствием на шаг через преобразующее устройство 21.

Поскольку мощность пропорциональна кубу скорости, то для обеспечения линейной зависимости скорости судна от переме­ щения рычага имеется блок кубической функции 17. При неизмен­ ной подаче топлива мощность ГТД со свободной тяговой турбиной вблизи вершин линий В = idem (см. рис. 79, б) мало зависит от нагрузки на винте и, следовательно, стабилизация мощности при­ близительно обеспечивается стабилизацией расхода топлива. При этом мощность примерно пропорциональна расходу топлива. Поэтому поступающий' от блока 17 на блок 14 сигнал задания мощности является фактически заданием расхода топлива. Сигналом обратной связи по расходу топлива, который идет от блока 12, является произ­ ведение частоты вращения компрессора и сигнала, управляющего ходом плунжеров насоса, пропорционального этому ходу. Сигнал, управляющий ходом плунжеров, формируется однорежимным кон­ туром регулирования температуры (5, 6), однорежимным контуром регулирования максимальной частоты вращения ТНД (5, 9) и кон­ туром регулирования запуска (11), который работает в тот период, когда температура газа и частота вращения ТНД не достигают ма­ ксимальных значений и их контуры не работают. Контуры регулиро­

2 6 5

вания температуры и частоты вращения являются пропорциональноинтегральными. Поскольку для ограничения температуры или ча­ стоты вращения ТНД при достижении ими максимума требуется уменьшение хода плунжеров насоса, то схема 7 пропускает к насосу минимальный из сигналов, поступающих от преобразующих устройств 6, 9 я 14 (а при запуске— 11).

Таким образом, при работе по программе М шаг винта и подача топлива изменяются вслед за перемещением рычага управления до своих предельных значений. При этом достижение максимальных значений температуры или частоты вращения ТНД приводит к тому, что подача топлива ограничивается. Она ограничивается также часто­ той вращения компрессора, так как при повышении частоты враще­ ния сверх 100% и падении ниже 80% (в схеме предусмотрены огра­ ничения этих пределов) блок произведения обратной связи 12 окажет соответствующее воздействие на уменьшение или увеличение подачи топлива.

Указанные воздействия на шаг винта и подачу топлива допол­ няются регулированием соплового аппарата ТНД. При увеличении частоты вращения компрессора схема 3 вырабатывает сигнал на уменьшение проходного сечения соплового аппарата 4 от значитель­ ного раскрытия до значения, несколько меньшего, чем на номиналь­ ном режиме. Благодаря этому при увеличении подачи топлива до мощности ТНД около 50% частота вращения КВД стабилизируется примерно на уровне 80%. При дальнейшем увеличении подачи топ­ лива температура достигает значения, близкого к максимуму, также начинает воздействовать через схему 3 на положение соплового аппарата, вызывая увеличение его проходного сечения. С этого момента частота вращения компрессора начинает повышаться вплоть до 100%.

Недостатком программы М является непосредственное воздей­ ствие на шаг винта. В частности, по данным моделирования при ре­ версе перегрузка на винте достигает 122%, а частота вращения винта значительно снижается. Признается целесообразным ввести допол­ нительную корректировку по частоте вращения винта.

П р о г р а м м a S. Отличие ее от программы М заключается в том, что частота вращения винта стабилизируется специальным регулятором 24 на уровне задающего сигнала 23 воздействием на положение лопастей ВРШ. Положением рычага управления на пульте через схему 22 задается знак сигнала на выходе регулятора 24 и тем самым направление упора. При аварийном реверсе с программой S частота вращения винта остается практически неизменной.

В качестве другого примера управления современных зарубеж­ ных ГТУ приведем судовой двигатель фирмы Пратт-Уитни типа FT4-12A с максимальной мощностью 30 000 л. с., входящий в со­ став двухвальных энергетических установок с винтами регулируе­ мого шага быстроходных контейнерных судов.

Каждый из двух турбовинтовых комплексов управляется одним рычагом со своего пульта в машинном отделении либо с поста на мостике, соединенного системой дистанционного управления с вход­

266

ным устройством пульта машинного отделения, т. е. аналогична схеме, примененной на газотурбоходе «Парижская коммуна». Мощностной диапазон ГТД разбит на два участка: от нуля до 5000 л. с. и от 5000 л. с. до максимальной мощности. Первый участок исполь­ зуется для швартовок, маневрирования, хода в узкостях и т. п. Максимальной мощности первого участка соответствует скорость судна около 16 уз. При этом во всем диапазоне мощности от нуля до 5000 л. с. регулятор частоты вращения тяговой турбины, воздействуя на подачу топлива, стабилизирует частоту вращения гребного вала на уровне 75 об/мин, что соответствует 2000 об/мин тяговой турбины. Изменение хода судна на этом участке как на перед­ них, так и на задних ходах осуществляется путем изменения шага во всем диапазоне от нуля до 100%. На участке от 5000 л. с. и выше шаг винта остается неизменным и равным 100%. Мощность увели­ чивается путем регулирования частоты вращения тяговой турбины, достигающей 3600 об/мин при Ne = 26 000 л. с. Помимо регуля­ тора частоты вращения тяговой турбины на подачу топлива при достижении заданного уровня воздействуют частота вращения ком­ прессора высокого давления, температура газа на выходе из газо­ генератора (перед тяговой турбиной) и температура воздуха перед компрессором.

ГЛАВА VII

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ

§ 36. Защита по предельным параметрам

Высокая напряженность газотурбинных установок ставит ряд важных задач при разработке защиты. Первая группа задач связана с определением максимально допустимого отклонения параметра защиты 1 от его значения на каком-либо крайнем рабочем режиме. Эти задачи, хотя они и решаются обычно прочностными и другими специальными расчетами и экспериментами, должны быть обяза­ тельно увязаны с такими вопросами управления, как определение минимального отклонения, на которое может быть настроена система защиты без опасности ложных срабатываний, определение быстродей­ ствия и стабильности срабатывания системы, а также определение возможной максимальной скорости изменения параметра защиты. Последнее позволяет установить фактическое значение максималь­ ного отклонения параметра при срабатывании защиты, связанного

сдинамическим забросом выше уровня настройки.

Кгруппе основных задач следует отнести также конструктивные решения, обеспечивающие безотказное срабатывание, точность, про­

стоту проверок. При этом проектирование и отработка надежных

1 Т. е. параметра, по которому срабатывает защита.

267

систем связаны с рядом особенностей. В отличие от систем автомати­ ческого регулирования защита работает лишь эпизодически. Поэ­ тому различные недостатки, которые в функционирующей системе быстро выявляются и устраняются, в системе защиты могут остаться незамеченными и привести в ответственный момент к аварии. Из­ вестны случаи, когда именно по этой причине полностью разруша­ лись в результате разгона мощные турбоагрегаты.

Не менее опасным, чем отказ, является ложное срабатывание защиты. Например, при реверсе с больших скоростей, маневрах при сложных швартовках крупнотоннажных газотурбоходов непредусмот­ ренное выключение главной ГТУ может привести к крупной аварии.

Из сказанного ясно, что системы защиты должны отрабатываться с особой тщательностью, их конструкция должна обеспечивать воз­ можность достоверной проверки, а в эксплуатации такие проверки следует проводить систематически.

Естественно, что полной проверкой системы защиты является вы­ ведение ГТУ на режим срабатывания защиты. Однако в большин­ стве случаев систематическое проведение таких проверок связано с уменьшением ресурса ГТУ и возможностью возникновения аварий­ ных ситуаций при недостаточной точности задания режима, умень­ шенных запасах прочности по сравнению с расчетными и т. п. По­ этому обслуживающий персонал и поставщики ГТУ обычно предпри­ нимают такие проверки лишь в исключительных случаях.

Сформулируем основные требования, которые необходимо удов­ летворять при создании системы защиты.

Для исключения различных форм «прихватывания» элементов при длительном бездействии защиты на режимах следует принимать специальные конструктивные меры. В частности, положительные результаты дает безупорное положение ответственных элементов, при котором золотник, клапан и др. при работе ГТУ взвешены и под воз­ действием неизбежных колебаний и других изменений рабочей или импульсной среды находятся в непрерывном движении.

Для контроля за состоянием защиты, который не требовал бы вывода ГТУ на предельные режимы, должны быть предусмотрены специальные конструктивные меры. Например, проверка защиты без вывода роторов на предельную частоту вращения обеспечена на ГТУ-20. Проверка осуществляется с помощью приспособления, показанного на рис. 153. Напорный масляный трубопровод отсоеди­ няют от импеллера и глушат, после чего он оказывается под давле­ нием, создаваемым приспособлением. Топливный трубопровод отсо­ единяют от коллектора камеры горения и переключают на систему имитации форсунок (см. § 32). Проверка защиты производится при работающей топливной и пневматических системах ГТУ, что вос­ производит натурные условия срабатывания блоков защиты и топ­ ливного стоп-клапана.

Отсутствие вращающегося импеллера в описанной схеме кон­ троля не нарушает полноты проверки, так как стабильность его характеристики проверяют замером частоты вращения и напорного давления за импеллером на рабочих режимах ГТУ.

2 6 8

Очень важна также экспериментальная проверка систем защиты на быстродействие. Значительное число факторов, влияющих на быстродействие, не поддается точному расчету, поэтому окончатель­ ное определение должно производиться на натурной системе при

Рассмотрим некоторые вопросы, возникающие при проектиро­ вании основных видов защиты по предельным параметрам.

Защита от превышения частоты вращения. В судовых ГТУ эта защита устанавливается как на свободной тяговой турбине, так и на турбокомпрессорах. Последнее в большинстве случаев необходимо,

2 6 9