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

комплекса ГТУ—ВРШ—судно потребовала применения приблизительно 25 блоков нелинейности одного переменного, 10 блоков перемножения и 40 усилителей.

Набор описанных характеристик комплекса ГТУ—ВРШ—судно осуществлялся на электронных моделях непрерывного действия с дополнением отдельных комплек­ тов нелинейных блоков.

Модель, включающая в себя модели всех составных частей системы, склады­ вается из значительного количества аппаратуры и требует квалифицированного обслуживания. Однако такая модель практически универсальна, так как позволяет всесторонне исследовать влияние эксплуатационных, конструктивных и режимных изменений любого агрегата на поведение системы в целом.

К характерным особенностям модели относится наличие значительного числа обратных связей, сложность которых отражает основные свойства ГТУ и взаимо­ зависимость всех ее параметров. Глубокие обратные связи, характеризующие соб­ ственную устойчивость ГТУ и соответствующим образом воспроизведенные при мо­ делировании, обеспечивают приемлемую стабильность модели. Анализ характера

иглубины обратных связей в модели показывает доминирующее влияние отрица­ тельных обратных связей. Сопоставление выходных характеристик натурной ГТУ

иее модели показало их хорошее согласование и стабильность. На модели ГТУ— ВРШ—судно были проведены динамические исследования работы комплекса и его систем управления; в частности, определены особенности работы ГТУ-20 в условиях штормового плавания х, выбраны основные программы управления и параметры настроек, которые были использованы при испытаниях судна.

На рис. 173 приведен внешний вид отдельных элементов электромоделирующих установок.

§ 40. Отработка динамики и управления установки ГТУ-20 ЛКЗ в составе турбовинтового комплекса газотурбохода „Парижская коммуна"

Успешная эксплуатация первого отечественного газотурбохода «Парижская коммуна» оказалась возможной благодаря всесторонним наладочным испытаниям, в ходе которых были отработаны динамика и управление ГТУ-20 в морских усло­ виях. Помимо непосредственных ходовых испытаний важную роль сыграли работы, проведенные с электромоделыо комплекса ГТУ—ВРШ—судно при различных ус­ ловиях плавания [13].

По результатам работ на электромодели к началу морских испытаний был вне­ сен ряд усовершенствований. В окончательном виде система, переданная в эксплуа­ тацию, описана в работе [21]. Основная схема контуров регулирования и топливопитания приведена на рис. 174. На рис. 175—внешний вид пульта ГТУ-20 в ЦПУ.

Благодаря структурной и конструктивной простоте, в также унификации эле­ ментов модернизация системы производилась в основном за счет изменения отдель­ ных деталей уже отработанных конструкций и введения дополнительных узлов, выполненных на базе этих конструкций. Следует отметить, что, несмотря на сущест­ венное улучшение качества управления (введение контуров всережимного регулиро­ вания скорости турбокомпрессоров, воздействия по ускорениям и др.), отклонения от запроектированной системы свелись к умеренным конструктивным переделкам.

По сравнению с первоначальной схемой [15] были, в частности, введены до­ полнительные мембраны в однорежимный регулятор скорости ТКВД4 (см. рис. 174). Таким образом были получены дополнительные полости. В одну из полостей подается давление воздуха от пневмозадатчика 22, которое зависит от положения кулачко­ вого вала. Этим достигается дистанционная перенастройка регулятора (регулятор превращен во всережимный) в соответствии с заданным режимом в диапазоне от хо­ лостого до полного хода (по частоте вращения ТКВД примерно от 90 до 100%). При быстром перемещении кулачкового вала давление настройки изменяется с не-

1 Поскольку в пределах бассейнов, где производятся наладочные испытания, нельзя рассчитывать на тяжелые штормовые условия, то проведение таких модель­ ных испытаний играет большую роль.

гую полость ОШВ в качестве сигнала отработки подается сжатый воздух, изменение давления которого примерно пропорционально изменению давления за импеллером 1. Указанные конструктивные изменения обеспечили всережимное регулирование ча­ стоты вращения ТКНД, т. е. гребного вала, которое реализуется следующим об­ разом. В зависимости от положения кулачкового вала ОШВ/16 устанавливается кулаком 15 с заданным углом наклона относительно горизонтали на холостом ходу (нулевой шаг ВРШ): положительным в диапазоне передних ходов и отрицательным в диапазоне задних. Таким образом изменяется знак воздействия на шаг винта при перемещении поршня ОШВ и предельное значение шага на каждом из режимов. При несоответствии сигнала отработки сигналу задания поршень ОШВ под дей­ ствием перепада рассогласования перемещается, приводя в движение рейку сель­ сина 17 системы дистанционного управления положением лопастей. Вызванное этим изменение шага ВРШ приводит к изменению частоты вращения вплоть до исчезно­ вения рассогласования между сигналом отработки и задания. Чтобы исключить излишние перекладки лопастей из-за колебаний момента на винте, это регулирова­ ние осуществляется только на переходных режимах. Для этой цели характеристики системы рассчитаны так, что после выхода за заданный скоростной режим судна сиг­ нал отработки превышает сигнал задания, и регулирующий поршень ОШВ оказы­ вается в крайнем положении на упоре (на схеме рис, 174 — правом). Превышение сигнала отработки, т. е. запас на снижение частоты вращения гребного вала, со­ ставляет 3—5%. При циркуляции, уменьшении мощности ГТУ и других обстоятель­ ствах, которые могут приводить к снижению частоты вращения за пределы указан­ ного запаса, поршень ОШВ снимается с упора. Это приводит к облегчению винта, и снижение частоты вращения приостанавливается.

Для более универсальной корректировки шага вместо однопрофильного кулака был установлен пространственный кулак-коноид, позволяющий путем осевого пере­ мещения вдоль кулачкового вала изменять программу воздействия 1 на исходный шаг винта при различной загрузке судна, работе на одном двигателе и т. п.

Некоторым изменениям была подвергнута система защиты: исключена защита по осевому сдвигу и защита по охлаждающей воде корпусов ТВД, а также введена защита по предельной температуре газа, выключающая топливо при забросе до 800° С. При этом конструкция самих блоков защиты изменениям не подверглась. Окончательная настройка защиты была произведена на следующие уровни пара­ метров: по частоте вращения ТКНД — 110%, по частоте вращения ТКВД — 106%, по избыточному давлению в системе смазки — 0,4 кгс/см^.

Основные трудности в отработке динамики и управления турбовинтового ком­ плекса при морских испытаниях в составе газотурбохода «Парижская коммуна» были связаны с помпажами, вызванными двумя основными причинами.

Первая причина помпажей — несогласованность работы двигателей ГТУ и ВРШ в динамике. Постоянная скорость перекладки (при общем времени поворота лопа­ стей —30 с) приводила к неравномерному изменению момента на винте во времени: при малых шагах оно составляло в процентах от номинального момента 2—3%/Vc, а при больших 15—20%/Vc.

При переходе от малых нагрузок к перегрузкам возникали значительные отри­ цательные ускорения вращения ТКНД, что при больших объемах трактов (~16 м3 за КВД и -~8 м3 за КНД) приводило к заметному смещению режима к границе помпажа компрессоров на отдельных маневрах. Этому же способствовало сильное сни­ жение частоты вращения КНД вследствие указанных перегрузок.

Неблагоприятное изменение момента усугублялось невыгодным соотношением, обусловленным программой управления: увеличенный шаг приходился на режимы с уменьшенной мощностью (кривая 1 на рис. 176). Это было вызвано тем, что умень­ шение шага на режимах малого и среднего хода при сохранении мощности ГТУ (т. е. скорости судна) привело бы к недопустимому сокращению запасов по помпажу КНД на стационарных режимах вследствие увеличения его частоты вращения при снижении частоты вращения КВД (см. рис. 83).

Указанные отрицательные факторы были устранены следующими конструктив­ ными мероприятиями. Для исключения сильного провала частоты вращения винта в выходной магистрали преобразователя 6 импеллера 1 был установлен усилитель

3 0 8

коминальной. Усилитель снижает давление воздуха, поступающего от преобразо­ вателя 6 (см. рис. 174), что приводит к значительному уменьшению сигнала на уп­ равляющей мембране блока 7 и пропорционального ему сигнала, поступающего в полость отработки ОШВ. Это приводит к перемещению поршня ОШВ в сторону облегчения винта. В диапазоне частоты вращения винта выше 60% усилитель 32

ровки процесса регулирования по производной от частоты вращения винта. Кор­ ректировка обеспечивается благодаря перепаду между каналами в и г, возникаю­ щему при изменении давления в магистрали преобразователя 6. На этот же блок подается импульс от системы задержки перекладки лопастей при реверсах. Задержка обеспечивается с помощью специального устройства (элементы 12 и 13), которое при переводе кулачкового вала через положение «холостой ход» временно задерживает команду на увеличение шага винта путем подачи давления воздуха в полость Б блока 7, что вызывает снижение сигнала

хода вперед и среднего хода назад вместо первоначального диапазона «самый малый вперед — самый малый назад». Благодаря снижению температуры газа перед ТВД н скорости вращения ТКНД это повысило минимальный запас по помпажу h k min при работе на частичных режимах примерно с 10 до 20%.

При переходе с режима полного хода на частичные режимы наблюдались зна­ чительные забросы скорости вращения ТКНД (на 6—8% сверх номинала) за счет резкого снижения момента на винте при уменьшении шага по кривой 2 (см. рис. 176), которое ранее отсутствовало благодаря предварительному переходу через значе­ ния с повышенным шагом по кривой 1. Забросы были устранены кратковременным затяжелением винта за счет специально увеличенного радиуса образующей коноида между положениями «полный ход» и «средний ход». Затяжеление обеспечивается при любой практически достижимой скорости перекладки штурвала «винт—газ».

Имелся также ряд второстепенных причин, неблагоприятно влиявших на ка­ чество маневра в отношении запасов по помпажу; к ним следует отнести заметное колебание температуры газа перед ТВД, малая продолжительность закрытия КПГ и перенастройки режима ТКВД, приводившие к дополнительным возмущениям и рассогласованию в темпе изменения мощности ГТУ и нагрузки на винте. Амплитуда колебаний температуры была существенно уменьшена путем увеличения проходных сечений масляной магистрали на подводе к регулятору скорости ТКВД и демпфиро­ вания командной пневмомагистрали регулятора. В результате вместо значений,

309

Достигавших на отдельных режимах 40° С, амплитуда на режиме ПХ не превышала 5° С, а на остальных режимах 13° С. По данным проверок на модели и осциллографирования натурных процессов время полного закрытия КПГ и перенастройки скоростного режима ТКВД было увеличено с нескольких секунд приблизительно до 1 мин, что обеспечило необходимую согласованность между процессами изме­ нения во времени мощности, развиваемой ГТУ и потребляемой винтом.

Для исключения динамических возмущений, приводящих к уменьшению запа­

что уменьшение запаса по помпажу на характеристиках компрессоров относительно минимального запаса на установившихся режимах (начальном или конечном), ограни­ чивающих рассматриваемый переходной режим, в большинстве случаев не превы­ шает 3—6% (рис. 177). Для оценки влияния условий плавания была имитирована работа винта на волнении путем периодического измерения нагрузки поворотом лопастей на ряде режимов, среди которых максимальным по условиям испытаний являлся средний ход. Нагрузка варьировалась в диапазоне 30—100% с периодом 10—15 с, что может наблюдаться в сильный шторм .при оголении винта (§ 16). При

3 1 0

указанном колебании нагрузки частота вращениявинта (среднее значение) на СХ повысилась примерно на 10% и периодически колебалась в пределах до 6%. Колеба­ ния температуры газа не превышали ± 1,5%, а частота вращения ТКВД изменялась в пределах 1%.

Траектории процесса на характеристиках компрессоров показали, что умень­ шение запаса по помпажу на среднем ходу составляет 2—3% для обоих компрес­ соров. Проверка на электронной модели дала хорошее совпадение с экспериментом [17J, что позволило смоделировать процессы при килевой качке также на режиме полного хода, для которого уменьшение запасов по помпажу может достигать на КВД 4% и на КНД 2%.

Специальные испытания показали, что при последовательном прохождении всех стационарных режимов от полного переднего до полного заднего хода и обратно при автоматическом управлении параметры устанавливаются со следующей точностью

(%):

Следует отметить, что только первый параметр регутируется автоматически. Температура газа устанавливается лишь в процессе регулирования частоты враще­ ния ТКВД. Частота вращения винта после выхода на установившийся режим, как указано выше, также не регулируется и полностью зависит от условий плавания и режима ГТУ, поскольку шаг винта при этом фиксируется. Как следствие, на дли­ тельных режимах для обеспечения малого изменения температуры газа и частоты вращения винта требуется их периодическая корректировка (т. е. перенастройка регулятора частоты вращения ТКВД и корректировка шага винта) с помощью ру­ кояток 18 пневмозадатчиков 21 и 22 и рукоятки 14 коноида на пульте в ЦПУ (см. рис. 174). Для сокращения объема корректировок необходимо было расширить до­ пуски на точность поддержания корректируемых параметров. Поэтому инструкцией по обслуживанию разрешается на частичных режимах отклонение частоты вращения ТКНД и температуры газа до 5% без корректировки режима.

Все режимы от холостого до полного хода являются устойчивыми. Переходные процессы между ними (включая запуск) можно охарактеризовать следующими дан­ ными:

—время запуска до выхода на холостой ход из холодного состояния составляет около 10 мин, из горячего — около 5 мин, т. е. такое же, как при испытаниях на стенде завода [14] (следует заметить, что испытания проводились многократно при диапазоне температур наружного воздуха от —15 до +28° С);

—время принятия полной нагрузки прогретым двигателем от холостого хода

составляет около 5 мин; время от момента выключения топлива на полном ходу до

В процессе испытаний многократно проверялись реверсы со всех режимов пе­ реднего хода на задний и обратно (рис. 178). При реверсе с полного переднего на полный задний ход при скорости судна —20 уз и средней осадке 5 м (ход в балласте) выбег до полной остановки составлял 4,5 длины корпуса, а время выбега — около 3,5 мин. При ходе в грузу длина выбега для того же маневра составляла около 5 длин корпуса.

В период опытной эксплуатации реверсы при швартовках были несколько улучшены путем отключения задержки перекладки при переводе штурвала управ­ ления на задний ход и уменьшения чистого запаздывания в процессе частичного закрытия К.ПГ [46]. Позднее было отключено также устройство задержки перехода от режима полного хода с пониженной температурой на режим полного экономиче­ ского хода. Это позволило исключить редуцирование сжатого воздуха за КВД и тем самым повысить эксплуатационный запас по давлению питания пневмозадатчи­ ков, которого при неблагоприятных условиях (заносе ГТУ, высокой атмосферной температуре и др.) было недостаточно. Отключенное устройство компенсировали уменьшением режима при положении штурвала «полный ход». В этом положении температура газа на стационарном режиме устанавливается около 700° С. Перево­ дом штурвала в положение «самый полный ход» (что соответствует режиму «полный ход экономический») задается режим с температурой газа 750° С.

ЗП

Таблица 3

Величины максимального перерегулирования в процессе маневрирования ГТУ-20

Для исключения заброса температуры инструкцией налагается ограничение: выход на «полный ход экономический» допускается после достижения установив­ шегося режима «полный ход». Никаких изменений, кроме указанных корректировок системы, в период эксплуатации не производилось.

В процессе более 16 000 ч работы (суммарно двух двигателей ГТУ-20) на режи­ мах полного хода, более 400 запусков и нескольких тысяч различных маневров при швартовках, выполненных за первые три года эксплуатации, отказов, которые вызвали бы остановку машины или аварийный заброс параметров, не было.

Основным фактором, обеспечившим надежную работу управляющих устройств, можно считать применение пневматической системы конструкции ЛК.З с питанием собственным воздухом ГТУ-20 [15]. Использование двухслойных резинотканевых мембрантолщиной не менее 1 мм с диаметром по гофру более 30 мм, применение в управляющих комплектах седел и шариковых клапанов с диаметром проточных сечений не менее 9 мм, дроссельных устройств с проточными диаметрами не менее 2 мм, золотников и поршней диаметром не менее 20 и 60 мм и, наконец, использо­ вание сжатого воздуха давлением свыше ризб = 2 кгс/см3 — все это, хотя и повлекло за собой увеличение весогабаритных показателей, но обеспечило высокую надеж­ ность систем и простоту их обслуживания.

Многочисленные проверки характеристик узлов и состояния отдельных эле­ ментов в процессе наладочных испытаний и длительной эксплуатации подтвердили стабильность настроек, простоту разборки, сборки и настройки.

Увеличенные весогабаритные показатели системы по сравнению с возможно­ стями электроники, унифицированных пневмоэлементов типа УСЕППа и др. не обусловили каких-либо заметных недостатков, так как выполненное управляющее оборудование составляет всего лишь около 1% веса и объема всего турбовинтового комплекса.

Эти увеличенные показатели окупаются значительным увеличением надежности в условиях вибрации и повышенных температур, возможных в машинном отделении, отсутствием повышенных требований к очистке питающего воздуха, простотой обслуживания и высокой ремонтопригодностью в судовых условиях без специаль­ ных требований к квалификации обслуживающего персонала и располагаемому ремонтно-настроечному оборудованию,

312