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

бессальниковые хвостовики.

ления сил, удерживающих поршень сервомотора в верхнем фикси­ рованном положении, поршень начинает перемещаться вниз. Ры­ чаг 3, перемещаясь (теперь уже вокруг оси 2), воздействует на испол­ нительный орган 4 в направлении уменьшения частоты вращения независимо от положения поршня сервомотора 1, управляемого регулятором режима.

На штоке поршня сервомотора установлен кулак обратной связи, воздействующий на пневмозадатчик 5, подающий воздух в нижнюю полость сервомотора. При движении поршня вниз давление

сором предельной частоты вращения давление масла за соответ­ ствующим импеллером (6 или 8) преодолевает натяжение пру­ жины соответствующего ограничителя (.5 или 7), вследствие чего полусферический клапан отрывается от седла. В междроссельной камере регулятора расхода 3 снижается давление, и расход топ­ лива, перепускаемого на слив, увеличивается, а расход на форсунки соответственно уменьшается.

Как показывает опыт испытаний и эксплуатации ГТУ, первосте­ пенное значение имеет интервал между максимальной частотой вра­ щения на рабочих режимах и частотой вращения, при которой вступает в действие выключающая защита (см. ниже). Желательно, чтобы этот интервал составлял не менее 10% максимальной рабочей частоты вращения для турбокомпрессоров и 15% — для свободной тяговой турбины. В противном случае при неблагоприятном соотно­ шении всевозможных погрешностей в работе узлов защиты и регули­ рования, в настройке этих узлов, в показаниях приборов, по которым выполняется настройка, происходят ложные срабатывания защиты, вероятность которых с уменьшением интервала резко возрастает.

В ряде случаев возникает необходимость дублировать основную защиту. При невозможности выполнить резервный измеритель ча-

18 А. И- Гительмац

стоты вращения непосредственно соединенным с ротором могут быть использованы такие сигналы, как давление воздуха за компрессором, расход воздуха, скорость изменения давления воздуха и др. В част­ ности в ГТУ-20 для этой цели использовано давление за КНД.

У судовых ГТУ, имеющих свободную тяговую турбину, при быстром снятии нагрузки с выходного вала (реверсе, оголении винта при шторме) частота вращения тяговой турбины быстро возрастает на большую величину. Это требует большого быстродействия защиты ограничительного типа или режимного регулятора частоты вращения и больших запасов в настройке выключающей защиты для исклю­ чения ее ложного срабатывания. В противном случае возможен заброс частоты вращения до уровня настройки Г Основной причиной заброса частоты вращения является небольшой момент инерции свободной тяговой турбины (обычно малоступенчатой). Вследствие аккумулирующей способности газового тракта перед тяговой тур­ биной, а главное, инерционности газогенерирующего блока (ТКВД с камерой горения) запас энергии сжатого газа, поступающего на тяговую турбину, оказывается достаточным для того, чтобы, не­ смотря на большое уменьшение расхода топлива, разогнать турбину до недопустимой частоты вращения. В ряде случаев это осложняется невозможностью резкого снижения подачи топлива. Например, при регулировании давления перед форсунками оно может оказаться соизмеримым с давлением в камере горения, т. е. привести к срыву факела.

В ГТУ со свободной тяговой турбиной, а в ряде случаев и с бло­ кированной турбиной целесообразно как ограничительную, так и выключающую защиту использовать не только для уменьшения или выключения подачи топлива, Но и для открытия противопомпажных перепускных органов за компрессорами и клапана перепуска газа перед тяговой турбиной. В этом случае общий запас энергии сжатого газа, подаваемого на тяговую турбину, резко уменьшается благо­ даря сбросу значительной части сжатого воздуха и газа из несколь­ ких сечений установки в атмосферу.

Выбор запасов по предельной частоте вращения. Рассмотрим основные факторы, определяющие необходимый запас по частоте вращения для наиболее общего случая — наличия ограничительной и выключающей защиты.

ках срабатывания защиты фактическая точность измерения частоты вращения оп­ ределяется классом точности тахометра. Показывающие приборы технического типа обычно допускают погрешность ет = ± 1,5%, которую и будем учитывать ниже.

П о г р е ш н о с т ь и з м е р и т е л я ч а с т о т ы в р а щ е н и я . В ка­ честве примера рассмотрим масляный импеллер (см. § 34). Как показало большое число измерений при снятии характеристик импеллеров, эту погрешность при мало изменяющихся параметрах масла на входе можно оценить значением ±0,5% .

1 В частности, на ГТУ со свободной турбиной и ВРШ при эксплуатации газотурбохода «Джон Саржент» имели место неудачные реверсы из-за остановки ГТУ защитой,

2 7 4

В судовых ГТУ с гравитационной системой смазки при бортовой качке может возникать значительное периодическое уменьшение давления перед импеллером (до 60% номинального значения). При смазке непосредственно от масляных насосов давление также может несколько изменяться в процессе эксплуатации. Помимо давления может изменяться и температура маслаНаконец, в процессе длительной циркуляции может изменяться плотность масла. Все эти факторы могут вносить дополнительную погрешность в работу импеллера, которую можно оценить вели­ чиной ±0,5% . Таким образом, суммарная нестабильность импеллера без специаль­ ных конструктивных мер может в неблагоприятных случаях достигать еи = ± 1 % . Для запаса примем эту величину в дальнейшем рассмотрении.

Н е с т а б и л ь н о с т ь н а с т р о й к и о г р а н и ч и т е л ь н о й и в ы ­

±0,5% .

Д о п у с к н а у с т а н о в л е н и е р е ж и ­

ления режима ГТУ в момент настройки защиты. Обычно этот допуск характеризуется погрешностью

Однако возможность совпадения всех неблагоприятных факторов практически отсутствует. Для выявления практически достоверных величин погрешностей сра­ батывания используем метод статистической оценки погрешности суммы [59]. По­ лагая для каждой составляющей постоянную плотность вероятности, построим гра­ фик распределения вероятности суммарной погрешности (рис. 157). Из графика

следует, что вероятность отклонения в срабатывании более чем ^ £ в = 2% состав­

ляет всего р° = рв = 1 — Р2 е=2% = 0>08Таким образом, в рассматриваемом случае требуемая частота вращения настройки ограничительной защиты я®, исклю­

ничительной защиты и яр; ^ s B= 2% — вероятное нижнее отклонение частоты

вращения настройки ограничительной защиты. В часто применяемых для ограничи­ тельной защиты пропорциональных регуляторах статическую ошибку при полном

сбросе нагрузки можно оценить величиной Дя® = 4%.

Величина возможного динамического заброса зависит от многих причин, свя­ занных со схемой ГТУ, скоростью разгона, структурой ограничительного регуля­ тора, и в каждом отдельном случае специально оценивается. Для конкретности из­ ложения примем эту величину равной Дядин = 3%, что часто встречается в практике.

Тогда минимальная частота вращения настройки выключающей защиты, ис­ ключающая ее срабатывание при работе ограничительной защиты, составит

4 = 4 + Д«С + Ч и н + 2 £ е в = 114%.

Таким образом* в рассмотренном примере срабатывание ограничительной за"

срабатывание ограничительной защиты, едва ли может превысить р® == 0,1, то ве­ роятность ложного срабатывания выключающей защиты снижается до

Рл .2 =РрРлД = 0.00064.

Наконец, если допустить, что вероятность возникновения условий маневриро­ вания, вызывающих работу ограничительной защиты с забросом частоты вращения

на всю величину Ап° + Д/гдин, составляет р® = 0,01, то вероятность остановки

ГТУ выключающей защитой не превышает р® 3 = р® 2Рм = 0,0000064. Если учесть,

что принятые значения вероятностей р° и р° значительно завышены, то факти­

ческая вероятность ложного срабатывания выключающей защиты при выбранной настройке оказывается много ниже.

Таким образом, при отсутствии каких-либо аварийных ситуаций типа обрыва торсиона, заклинки винта в положении HID = 0 или его обрыва и других причин, которые, собственно, и обусловливают необходимость защиты, — ее срабатывание при выбранных запасах практически исключается.

Защита по температуре газа и срыву факела. Достоинством тем­ пературной защиты ограничительного типа является то, что при ее срабатывании режим ГТУ сохраняется на уровне, близком к нор­ мальному рабочему. К недостаткам следует отнести определенную сложность, так как эта защита должна удовлетворять практически всем требованиям, обычно предъявляемым к автоматическому регу­ лированию (в частности, недопустимы колебания при малой неравно­ мерности, большой динамический заброс и т. п.).

Температурная защита выключающего типа конструктивно зна­ чительно проще, а следовательно, более надежна. Главным недостат­ ком такой защиты является опасность ложных срабатываний при случайных забросах температуры. Поэтому ее приходится настраи­ вать на температуру, значительно превышающую максимальную рабочую (на 6—7%), в связи с чем степень возможного перегрева турбины по сравнению с допускаемой при ограничительной защите значительно повышается.

При любых случаях отсутствия факела необходимо немедленное прекращение подачи топлива, чтобы исключить его накапливание и возгорание в газовом тракте.

Один из распространенных способов защиты по отсутствию фа­ кела — использование фотоэлементов для контроля наличия пла­ мени. Основные трудности при создании такой защиты связаны с необходимостью предотвращения быстрого затемнения кварцевых стекол, через которые свет пламени выводится за пределы камеры, и с охлаждением фотоэлементов. При неудачном расположении стекол их внутренняя поверхность быстро покрывается сажей, что затруд­ няет проникновение света к фотоэлементу. Для защиты фотоэле­ мента от перегрева может 'быть применено его охлаждение водой.

2 7 6

Более целесообразным представляется использование различных гибких светопроводов, позволяющих устанавливать фотоэлементы в местах, недоступных для прямого воздействия пламени.

Ложное срабатывание защиты при высокой надежности работы камеры и системы топливопитания в ряде случаев представляет зна­ чительно большую опасность, чем срыв факела при наличии контроля за ним. Поэтому иногда целесообразно ограничиться сигнализацией по срыву факела, что позволяет своевременно выключить подачу топлива вручную или автоматически только при неудачном запуске.

Защита по параметрам масла смазки. В качестве сигнала, исполь­ зуемого для срабатывания защиты, наибольшее распространение получило давление масла в коллекторе. Проектирование и отработка защиты по этому сигналу имеют ряд особенностей, которые в основ­ ном зависят от типа системы маслосмазки.

З а щ и т а п р и н а с о с е , п р и в о д и м о м от т у р б о ­ к о м п р е с с о р а г а з о т у р б и н н о г о д в и г а т е л я . При работе на малых рабочих режимах давление масла за насосом иногда снижается до значения, меньшего, чем минимально допустимое давление на номинальном режиме. Так, при частоте вращения около 20% от номинальной давление масла перед подшипниками, замерен­ ное на работающем турбокомпрессорном агрегате с подшипниками скольжения, составляло около 0,5 кгс/см2 (вместо 1,2 кгс/см2 на номинальном режиме), что было ниже допустимого давления на­ стройки защиты на 0,2 кгс/см2. В случае использования подшипни­ ков качения эта разница была бы больше, так как при снижении частоты вращения подшипников скольжения их гидравлическое сопротивление несколько возрастает.

Применение на малых режимах резервного насоса с независимым (обычно электрическим) приводом связано с трудностями, которые состоят в следующем. Резервный насос имеет обычно производи­ тельность, примерно равную производительности основного насоса, так как при резервировании учитывают возможность выхода из строя основного насоса на любом режиме. Поэтому при включении резервного насоса на малом режиме резко поднимается давление перед подшипниками. Например, по замерам на турбокомпрессорном агрегате с подшипниками скольжения включение резервного насоса при частоте вращения турбокомпрессора около 25% повышало давление с 0,4 до 2,92 кгс/см2 (при температуре масла 40° С). Вторым недостатком является то, что переходный процесс при уменьшении режима может привести к срабатыванию защиты в случае замедления или отказа включения резервного насоса.

З а щ и т а п р и с м а з к е о т н е з а в и с и м о г о м а с ­ л я н о г о н а с о с а . Организация защиты в этом случае не вызы­ вает особых трудностей даже при программной перенастройке про­ изводительности масляного насоса в зависимости от режима работы газотурбинной установки. Защита настраивается на минимальное значение давления в коллекторе подачи масла к подшипникам, а резервный насос включается по сигналу от давления, несколько превышающего давление срабатывания защиты.

277

З а щ и т а п р и с м а з к е из н а п о р н о й р а с х о д ­ н о й ц и с т е р н ы . На судне «Парижская коммуна» с ГТУ-20 применена гравитационная система смазки, обеспечивающая снаб­ жение установки маслом в течение ее выбега после срабатывания защиты по смазке. На рис. 158 приведена схема этой защиты. Масло из напорной цистерны 1 поступает под напором около 1 кгс/сма (цистерна размещена выше ГТУ) в коллекторы подшипников. Запас масла в цистерне 1 при расходовании от уровня А в случае прекра­ щения работы масляных насосов рассчитан на питание маслом под­ шипников ГТУ в процессе выбега (более 5 мин).

Рис. 158. Схема защиты при гравитационной системе смазки

/ — расходная цистерна; 2 — подача масла от насо­ са; 3 — масло на двигатель; 4 — импульсная трубка;

В зависимости от диаметра жиклера 5 скорость падения давления перед блоком защиты 7 может быть различной. На ГТХ «Парижская коммуна» с момента прекращения подачи масла это давление падает в течение 65 с, после чего срабатывает защита (выключается подача топлива на ГТУ), хотя в цистерне 1 масло находится еще на уровне Б.

Резервные насосы включаются по сигналу от давления в маги­ страли за основным масляным насосом.

Планируя размещение цистерны 1 относительно ГТУ, трубки 4 в цистерне и блока защиты 7 относительно цистерны, нужно учиты­ вать возможные положения уровней при килевой и бортовой качке.

Пример изменения уровня при размещении импульсной трубки по оси цистерны показан на рис. 158.

При использовании пневматических блоков защиты необходимо исключить возможность попадания воздуха в импульсную трубку 4. В противном случае образующаяся масловоздушная смесь имеет меньший вес, чем расчетный столб масла, и защита срабатывает

278

раньше первоначальной настройки, причем весьма нестабильно, так как состав смеси зависит от расхода воздуха и продолжительно­ сти перемешивания. С этим, в частности, столкнулись при отработке защиты ГТУ-20, когда в импульсную трубку 4 поступал воздух через зазоры в золотнике блока защиты; недостаток был устранен уста­ новкой разделительного сильфона на золотник.

Рассмотренные виды защиты по сигналу от давления смазки имеют общий недостаток: замеряя давление, они не реагируют на прекращение расхода масла (например, при засорении жиклеров на подводе к подшипнику, перекрытии масляного коллектора и т. п.). Однако благодаря своей простоте эти виды защиты нашли широкое применение на судах и в стационарной энергетике.

Защита по осевому сдвигу роторов. С начала применения оте­ чественных паровых турбин на транспортных судах была введена защита против выплавления упорных подшипников. Необходимость этой защиты в судовых турбинных установках до настоящего вре­ мени является спорным вопросом.

При проектировании ГТУ-20 такая защита была предусмотрена (см. рис 154). В качестве измерительного устройства использовали гидравлическое реле осевого сдвига, применяемое на судах с паровыми турбинами. С целью уменьшения потреб­ ного давления силового масла с 4 до 2 кгс/см2 некоторые элементы исходной кон­ струкции были незначительно изменены; например, увеличен диаметр поршня с 40 до 46 мм, уменьшена жесткость силовой пружины. В процессе стендовых испы­ таний обоих двигателей ГТУ-20 защита и сигнализация по осевому сдвигу прошли необходимую наладку. Длина импульсных трубопроводов от блоков осевого сдвига до исполнительных блоков защиты составляла более 10 м. Как показали наладочные испытания, масло из трубопроводов вытесняется воздухом пневматических блоков защиты, и при срабатывании защиты на заполнение импульсного трубопровода маслом требовалось значительное время (около 1 мин). Для исключения этого за­ паздывания из масляной магистрали через специальный жиклер диаметром 1 мм в импульсные трубопроводы было подведено масло, которое сливалось через выход­ ной жиклер, установленный в верхней точке системы. После введения указанной подпитки импульсных трубопроводов время срабатывания защиты по осевому сдвигу было сокращено до 2—4 с.

Несмотря на длительную наладку, были отмечены отдельные случаи ложного срабатывания защиты, нестабильность срабатывания ее сигнализирующей части, а также возникали определенные трудности, связанные с необходимостью точной настройки. В основном эти недостатки можно объяснить пониженным давлением масла по сравнению с применяемым на паротурбинных судах.

За длительный период заводских испытаний двигателей ГТУ-20 потребности в этой защите не возникало. Анализ других судовых газотурбинных агрегатов также показывал, что защита не является крайне необходимой Возможность же ложных срабатываний представляла серьезную опасность для эксплуатации первого газо­ турбинного судна. Поэтому уже при швартовных испытаниях ГТУ-20 на судне эта защита была снята.

Защита против падения расхода охлаждающей воды. В газотур­ бинных установках, корпуса которых охлаждаются водой, может применяться защита по расходу охлаждающей воды. Здесь, так же, как в случае защиты по маслу, возможно использование нескольких видов сигнала: под давлению воды, непосредственно по расходу воды и, наконец, по температуре воды на выходе из корпуса или температуре металла корпуса.

2 7 9

Наиболее целесообразной является реализация импульса, указан­ ного на схеме рис. 159. В данном случае сигналом, подаваемым на систему защиты, является давление. Это предопределяет структур­ ную простоту конструкции защиты; в то же время контролируется расход через охлаждаемый контур, так как его засорение или нару­ шение плотности приводит к падению импульсного давления.

Защита по охлаждающей воде была, в частности, испытана на ГТУ-20, однако эксплуатационную проверку на судне она не про­ ходила, так как еще в период швартовных испытаний была отклю­

который перепускает необходимое количество воздуха при прибли­ жении к линии помпажа компрессора.

Проходные сечения перепускных органов для компрессорных машин, где может иметь место резкое уменьшение расхода воздуха (например, турбонагнетателей), выбирают из условия, чтобы при работе компрессора вблизи помпажа перепускной орган мог обеспе­ чить перепуск в атмосферу всего расхода воздуха. В газотурбинных установках, где значительные изменения расхода воздуха отсутст­ вуют, перепускные органы могут выполняться с меньшим проходным сечением. Так, противопомпажные клапаны ряда стационарных ГТУ рассчитаны на перепуск 20—40% производительности компрессора. На травление воздуха из-за КНД в количестве 35—45% был также рассчитан двухседельный разгруженный клапан Dy = 250 при про­ ектировании ГТУ-20. Этот клапан одновременно предназначался для байпасирования части воздуха в обвод неподвижного КНД при запуске ТКВД. Так как проведенные испытания показали, что для этой цели указанное сечение недостаточно, то клапан был заменен

т

поворотной заслонкой Dy = 500 (см. рис. 59), которая обеспечивает байпасирование расхода, равного всей производительности компрес­ сора, что для нужд защиты КНД не требуется.

Сигнал для воздействия на байпасный регулирующий орган может быть получен несколькими способами, которые различаются принципами измерения параметров, характеризующих предпомпажное состояние компрессора. Именно этим определяются основные практические трудности при организации противопомпажной защиты.

Остановимся на трех воз­ можных принципах замера предпомпажного состояния компрес­ соров. Наиболее распростра­ ненным в современных ГТУ является замер параметров, определяющих положение гра­ ницы помпажа на универсаль­ ной характеристике компрес­ сора. Второй принцип, реали­ зованный в отдельных опытных системах защиты, — замер па­ раметра, характеризующего на­ чало помпажа (например, ско­ рости падения давления за компрессором, изменения на­ правления потока в проточной части и т. п.). Наиболее пер­ спективным представляется принцип замера изменения

какого-либо параметра, непосредственно предшествующего помпажу системы компрессор — сеть. Рассмотрим некоторые 'вопросы, связанные с практикой использования указанных принципов.

Граница помпажа (линия ky = 1) на универсальной характери­ стике компрессора определяется соотношением между приведенным

Р

= —2p Pl или между любой из этих величин и приведенной частотой

вращения компрессора. Как показывают многочисленные экспери­ ментальные данные, на участке патрубка компрессора между вход­ ным сечением и ВНА наблюдается стабильная зависимость

Существование такой зависимости позволяет не устанавливать специальных расходомерных устройств, а использовать отборы на входном патрубке компрессора, перепад которых тарируется при стендовых испытаниях ГТУ (рис. 160).

281