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

Показатель степени п в соотношении (348) мало зависит от типа входных устройств компрессора и от режима его работы. В боль­ шинстве случаев вблизи границы помпажа я я а 2.

Таким образом, экспериментальная зависимость (348) хорошо согласуется с уравнением

Для управления противопомпажным перепускным исполнитель­ ным устройством служит командное устройство (регулятор соотно­ шения), обеспечивающее открытие органа перепуска в тот момент, когда соотношение между двумя выбранными параметрами дости­ гает значения, соответствующего границе помпажа на характе­ ристике компрессора. В качестве сигналов по указанным параметрам компрессора могут быть выбраны:

—сигнал по частоте вращения компрессора (например, давление масла за импеллером);

—сигнал по производительности компрессора (перепад давлений на входном патрубке);

—сигнал по степени сжатия (перепад давлений воздуха перед компрессором и за ним).

Рассмотрим возможные сочетания этих параметров с точки зрения расположе­ ния линии равновесного состояния регулятора соотношения и ее изменения в за­ висимости от условий на входе в компрессор. Возьмем три комбинации командных сигналов, подаваемых на регулятор соотношения. Под регулятором соотношения будем понимать сравнивающее устройство, к чувствительным элементам которого подаются два из указанных выше независимых командных сигналов. При этом силы, развиваемые чувствительными элементами регулятора, пропорциональны команд­ ным сигналам, что принципиально соответствует максимальной конструктивной простоте регулятора. Будем считать, что сигнал на открытие противопомпажного клапана появится на выходе регулятора при достижении равновесия сил на чувстви­ тельных элементах.

Чтобы выяснить влияние условий на входе в компрессор, перейдем от сигналов, подаваемых на регулятор соотношения, к приведенному расходу, приведенной ча­

перед компрессором и за ним.

Уравнение равновесия сил в регуляторе соотношения

передаточное отношение; римп, Рвых и рвх — давления масла и воздуха, воздействую­ щие на чувствительные элементы.

282

Преобразуем

2 8 3

Изменение параметров по линии открытия (при данном уВх) можно определить по формуле

ются еще более значительно. Недостатком вариантов А и Б является также сильная зависимость соотноше­

ния я = / (я) от эксплуатационного состояния компрессора, которая практически не может быть компенсирована каким-либо корректирующим устройством.

Таким образом, только вариант В позволяет реализовать с помощью блока со­ отношения воздействие на регулирующий орган по линии, приблизительно соответ­ ствующей постоянному коэффициенту запаса по помпажу ky = idem. При органи­ зации противопомпажной защиты это воздействие осуществляется по линии, близ­ кой к ky = 1, т. е. к границе помпажа, и используется для открытия органа пере­ пуска воздуха.

На рис. 162 приведены результаты испытаний противопомпажной системы ЛКЗ, выполненной по варианту В, в составе ГТУ.

Схема противопомпажной системы конструкции ЛКЗ, получив­ шей распространение на ряде отечественных газотурбинных агре­ гатов, приведена на рис. 163.

2 8 4

Представляет интерес опыт отработки этой системы.

Результаты испытаний системы в составе ГТУ-20 показывают, что максималь­ ный разброс точек на характеристике КНД не превышает 4% (см. рис. 162). Из ха­ рактеристик видно также, что настройка сохранялась стабильной. При быстром подходе к линии настройки система срабатывает приблизительно так же, как и при плавном подходе. Срабатывание защиты на заводском стенде происходило без силь­ ного перерегулирования. Однако при отдельных маневрах во время ходовых ис­ пытаний имели место случаи чрезмерного раскрытия заслонки, неблагоприятно влиявшего на запас по помпажу КВД.

Для исключения релейного открытия шарикового клапана, управляющего сервомотором, была установлена дополнительная пружина, которая обеспечивает снижение усилия на клапан при его открытии (отрицательная обратная связь).

а)

р1[,кгс/см2

Рис. 162. Характеристики противопомпажной системы ЛКЗ по результатам испы­ таний в составе ГТУ. Режимы срабатывания системы в координатах настройки ко­ мандного блока (а) и характеристики компрессора (б).

1 — линия настройки; 2 — граница помпажа; О, А — срабатывание на работающей ГТУ соответственно при медленном и быстром подходе к линии настройки; • — срабатывание на неработающей ГТУ при подаче импульса на командный блок от приспособления (рис. 153).

Это улучшило качество переходного процесса, но привело к появлению некоторой зависимости настройки от давления питания (без пружины такая зависимость прак­ тически отсутствует).

По мере накопления экспериментальных данных было установлено, что в отдель­ ных случаях линия срабатывания в координатах рп — Дрп на работающем двига­

теле несколько снижается (на 1—2% по рц) по сравнению с аналогичной линией при проверке от приспособления, показанного на рис. 156. Специальные опыты по­ могли установить, что причиной является колебательный характер командных сиг­ налов работающего компрессора.

С учетом того, что масса подвижных деталей командных блоков соизмерима с ко­ мандными усилиями, было проверено, влияет ли положение (наклон) командного блока на линию настройки. Обнаружено, что влияние этого фактора на настройку практически отсутствует.

Для определения возможности применения противопомпажной системы при дефиците воздуха питания были проведены специальные исследования. Они показали, что расход воздуха на командный блок определяется в основном жесткостью па­ кета мембран и проходным сечением дросселя подвода в полость управляющего клапана (полость усиления). При значительном проходном сечении дросселя сра­ батывание командного блока вблизи границы помпажа происходит из-за жесткости пакета лишь в том случае, когда уже на предшествующих режимах управляющий клапал открыт, т. е. имеет место широкий интервал срабатывания (рис. 164). Это

2 8 5

Рис. 163. Конструктивная схема противопомпажной системы КНД установки ГТУ-20 Л КЗ.

1 — командный блок; 2 — заслонка перепуска воздуха; 3 — приемный патрубок КВД; 4 — сервомотор заслонки.

и обусловливает большое потребление воздуха на рабочих режимах. Уменьшение интервала срабатывания (т. е. снижение расхода воздуха на подводе в полость уси­ ления) выводит начало открытия клапана из-диапазона рабочих режимов, и по­ требление воздуха существенно уменьшается. При настройке с интервалом срабаты­ вания, указанным на рис. 164, расход воздуха на командный блок на рабочих ре­ жимах снизился примерно с 4 до 0,3 нм3/ч.

Ряд трудностей был связан с нестабильностью характеристик командных бло­ ков на первом этапе их освоения. Как показали специальные исследования, много­ мембранный пакет при первичной настройке командного блока компенсирует зна­ чительную часть усилий в силовом балансе пружин, давлений и перепадов на мем­ бранах. Со временем вследствие релаксации резины эта компенсация исчезает, и настроечная характеристика «сползает». Для исключения этого был разработан ме­

отсутствии подвода теплого воздуха из помещения. Имели место также случаи по­ явления на кромках отверстия отбора наносных односторонних возвышений. Все это, а также возможное изменение неравномерности поля скоростей перед компрес­ сором при установке двигателя на объект (см. § 9) свидетельствует о целесообраз­ ности отбора из нескольких мест по окружности перед ВНА с объединением отборов в общий коллектор.

Для регулирования наклона характеристики настройки командного блока было использовано свойство мембран изменять эффективную площадь в зависимости от взаимного положения плоскостей заделки и жесткого центра (см. § 34). Для этого была введена распорная гайка, изменяющая взаимное положение плоскостей.

Рассмотрим принцип действия противопомпажных устройств, сра­ батывающих непосредственно по сигналу, сопровождающему начало помпажа. В схеме рис. 165, а обе мембранные полости соединены с нагнетанием компрессора 4: одна непосредственно, вторая через дроссель 3 и емкость 2. Последнее приводит к тому, что на мембране 5, связанной со штоком 6, действующим на противопомпажное устрой­ ство, в переходном режиме возникает перепад, приблизительно пропорциональный скорости изменения давления за компрессором. Пружиной 1 и дросселем 3 обеспечивается настройка срабатывания при скорости падения давления, соответствующей началу помпажа,

288

но превышающей значения скорости на любых нормальных переход* ных режимах ГТУ. На рис. 165, б мембрана 5 воспринимает перепад давлений, возникающий на датчике скоростного напора 2 при изме­ нении направления потока с нормального 3 на срывное 4 (в начале помпажа). Это приводит к перемещению мембраны 5 со штоком 6, что воздействует на срабатывание противопомпажного устройства (1 — пружина).

Общим недостатком схем, представленных на рис. 165, и подоб­ ных им, является опасность работы ГТУ в помпаже (хотя и кратко­ временной). При наличии режима вращающегося срыва, предше-

Рис. 165. Принципиальные схемы командных устройств противопомпажной системы, срабатывающей при возникновении помпажа.

ствующего помпажу, эти системы обычно не предохраняют от дли­ тельной работы на таким режиме. Это в ряде случаев недопустимо из-за повышенных напряжений в лопатках, возникающих вследствие

срабатывание таких систем не успевает предотвратить заброс темпе­

паже. Как видно из рис. 36, скорость падения давления при входе в помпаж резко различается в зависимости от емкости системы ком­ прессор — сеть. В легких безрегенераторных установках полное изменение давления в первом полуцикле помпажного процесса занимает сотые доли секунды. В установках, имеющих регенераторы, промежуточные воздухоохладители и другие емкости, это время исчисляется секундами. Наконец, в установках, имеющих компрес­ соры, нагнетающие воздух (или другой газ) в длинные магистрали, оно составляет десятки секунд. В связи с этим при высокочастотных помпажных колебаниях возникают трудности обеспечения необхо­ димого быстродействия систем, а при низкочастотных — усложняется настройка, так как она должна обеспечивать надежное срабатывание при помпаже и одновременно исключать ложные срабатывания на

нормальных переходных режимах, при которых скорость падения давления соизмерима с помпажной.

Применимость схем, аналогичных показанной на рис. 165, б, ограничена свойствами систем компрессор — сеть, в которых, как показывают специально проведенные эксперименты, при помпаже иногда наблюдается лишь резкое падение давления за компрессором (срыв напора) без изменения направления потока в компрессоре.

В последнее время большое внимание уделяют отысканию сигна­ лов, надежно определяющих предпомпажное состояние компрессора. Наиболее целесообразным представляется измерение какого-либо параметра частичного срыва, возникающего в одной или в несколь­ ких ступенях перед полным срывом режима компрессора. Работы в этом направлении привели пока лишь к частным результатам, применимым к отдельным компрессорам с четко выраженными предпомпажными срывными зонами. Возможность использования этих результатов для различных компрессоров требует дальнейших ис­ следований.

При создании рассмотренных видов противопомпажных систем серьезное значение приобретают вопросы их быстродействия. Первая группа вопросов связана с чрезвычайно узкой зоной характеристики компрессора, которой располагает система для срабатывания. Даже при большом запасе рабочего режима по помпажу для исключения ложного срабатывания защиту приходится настраивать в узкой зоне вблизи границы помпажа, составляющей ky — 1,05-=-1,1. Такой зоне обычно соответствует изменение давления за компрессором, состав­ ляющее примерно 3—5%. В этот диапазон должны уложиться все погрешности измерений, нестабильность и неравномерность системы, а также все параметры, связанные с ее динамикой (инерционностью командных сигналов, скоростью открытия перепускного органа и др.). В системах, работающих по предпомпажному сигналу, эти вопросы стоят еще более остро, так как диапазон между возникновением сиг­ нала начала помпажа может быть еще меньше, чем указано.

Вторая группа вопросов возникает при создании противопомпаж­ ных систем в ГТУ, имеющих два и более последовательно включен­ ных компрессора. В этом случае повышенное быстродействие системы одного из компрессоров, нужное для его защиты, может оказаться недопустимым из-за отрицательного влияния на помпажные запасы других компрессоров.

В качестве примера можно привести противопомпажную систему КНД ГТУ-20. Натурные испытания в составе турбовинтового комплекса показали, что при вре­ мени открытия перепускной заслонки за КНД менее 7 с режим КВД при неблаго­ приятных условиях оказывается вблизи границы помпажа. С другой стороны, та­ кое время с точки зрения защиты КНД требует более широкой зоны на универсаль­ ной характеристике для срабатывания системы.

Особое место среди противопомпажных систем занимают устрой­ ства, обеспечивающие постоянный перепуск воздуха при запуске, на малых и различных специальных режимах ГТУ. В судовых газо­ турбинных установках нашли применение противопомпажные кла­ паны и ленты. На рабочих режимах лента плотно прижата к пере-

2 9 0

пускным окнам в корпусе компрессора против одной из промежу­ точных ступеней. На режимах, где должна быть расширена допомпажная зона, лента ослаблена и часть воздуха перепускается в ма­ шинное отделение. Управление лентой осуществляется с помощью сервомотора, связанного с командной системой, который измеряет частоту вращения или давление за компрессором.

При достижении измеряемым параметром заданного значения командная система подает в полости сервомотора рабочую жидкость или сжатый воздух, в результате чего сервомотор срабатывает, затя­ гивая или ослабляя ленту. Достоинством этих устройств является возможность регулировки уровня срабатывания, а также значи­ тельные усилия, которые можно предусмотреть для воздействия на ленту. Недостаток их — некоторая сложность, связанная с двой­ ным или тройным усилением. Более простым является пусковой противопомпажный клапан конструкции Л КЗ, схема работы которого была приведена на рис. 60. Опыт длительной эксплуатации в судо­ вых условиях показал высокую надежность клапанов этого типа. Отказов в работе не было, однако перед закрытием происходило несколько частых ударов клапана (автоколебательного характера). Исследования показали, что причиной этих автоколебаний являются инерционные свойства воздушного столба в выпускном трубопроводе. Несмотря на ударный характер закрытия уплотняющие кромки

снятием выпускного трубопровода.

. Особым видом противопомпажной защиты являются различные меры, исключающие приближение режимной точки к границе помпажа при некоторых видах маневра. Например, при выключении топлива в блокированных схемах типа ГТУ-20 более легкий ротор ТКВД значительно быстрее снижает частоту вращения, чем ротор ТКНД, соединенный с гребным валопроводом. Как следствие, режим­ ная точка на характеристике КНД приближается к границе помпажа. В этих условиях автоматическое открытие клапана перепуска газа за ТВД при исчезновении давления топлива обеспечивает отдаление режима от границы помпажа. Принудительное открытие заслонок противопомпажных устройств по этому же импульсу является допол­ нительной мерой, обеспечивающей надежную беспомпажную оста­ новку.

§ 38. Блокирующие устройства

Особое место в системах автоматической защиты ГТУ занимают блокирующие устройства, обеспечивающие логические операции, связанные с различными ограничениями при управлении. Рассмотрим некоторые из них.

1. Блокировки при запуске ГТУ. Этот тип блокировок связан в основном с предпусковой прокруткой роторов ГТУ валоповоротными устройствами (ВПУ). Для предотвращения запуска ГТУ при включенных ВПУ применяются гидравлические и электрические

схемы блокировки. Примером гидравлического блокирующего уст­ ройства может служить привод для включения ВПУ редуктора. Специальный золотник при механическом соединении ВПУ с пово­ рачиваемым валом соединяет полость манореле блока защиты с на­ порным трубопроводом масляной системы: при включенном ВПУ подача топлива произведена быть не может. Примером электрической блокировки является использование конечного выключателя, уста­ новленного на механизме, соединяющем ВПУ с поворачиваемым валом. Электрическая часть выключателя соединена с цепью электро­ стартера ГТУ таким образом, что при соединении ВПУ с ротором включить стартер, т. е. начать запуск ГТУ, невозможно.

При наличии автоматически расцепляющейся муфты между ВПУ и поворачиваемым валом (запуск с валоповоротных устройств) необходимость в рассмотренных блокировках отпадает.

2. Блокировки при выполнении режима «стоп винт». Этот режим связан с включением тормозов редуктора, которые при работающем газогенерирующем блоке останавливают гребной вал. Включение тормозов обычно допускается только при неполной частоте вращения выходного вала, чтобы не возникало чрезмерного перегрева колодок тормозов и были исключены перегрузки в линии редуктор — валопровод, которые неизбежны при торможении с большой частоты вра­ щения. Поэтому система торможения должна иметь специальное блокирующее устройство.

Примером такого устройства может служить гидропневматическая конструк* ция, примененная на ГТУ-20. Давление масла от импеллера выходного вала ГТУ поступает на подпружиненный золотник. В верхнем положении золотника сжатый воздух, поданный с пульта управления для включения тормозов, не может пройти в систему, включающую тормоза, так как управляющий золотник находится в ниж­ нем положении, соединяя трубопровод включения тормозов с атмосферой. При сни­ жении частоты вращения до заданного уровня (и ниже) управляющий золотник пере­ мещается в верхнее положение, при котором сжатый воздух проходит в трубопровод включения тормозов.

Для исключения перегрева колодок и барабана тормозов применяется их оро­ шение водой в период торможения, причем подача воды должна предшествовать возникновению контакта между колодками и вращающимся барабаном. В против­ ном случае термические напряжения, вызванные попаданием холодной воды на сильно нагретые поверхности трения, могут привести к разрушению тормоза. Специальная блокировка допускает включение тормозов только после подачи на них охлаждаю­ щей воды.

Блокировка при переключении систем топливопитания. Для пред­ отвращения условий, ускоряющих процессы коксования и заноса при работе судовой ГТУ на тяжелых сортах топлива (моторном, мазуте), целесообразно осуществлять маневрирование и малые ходо­ вые режимы на дизельном топливе.

Перспектива безвахтенного обслуживания судовых ГТУ ставит задачу автоматического переключения систем топливопитания с од­ ного вида топлива на другое. Для решения этой задачи требуется введение автоматической блокировки, не допускающей переход на другую систему без гарантии ее готовности. Рассмотрим один из наиболее простых вариантов такой блокировки. Перед каждым из двух клапанов переключения, направляющих в систему топливо­

292