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

Компрессоры судовых ГТУ в указанных сечениях обычно имеют скорость 20—30 м/с, что в соответствии с формулами (118), (119) при Т = 293° К, т. е. практически при минимальной температуре

При более высоких температурах влияние торможения будет еще меньшим. Таким образом, учитывая общую точность расчетов дина­ мики и управления ГТУ, указанным влиянием торможения при не-

Рис. 30. Зависимость мощности для привода компрессора от частоты вращения.

А — 12-ступенчатый осевой компрессор; • —■семисту­

пенчатый осевой компрес­ сор; О — шестиступенча­ тый осевой компрессор; Д — двухступенчатый цент­

няя точка — вблизи границы помпажа, нижняя — вблизи линии минимальных рабо­ чих степеней сжатия. Кри­ вая — аппроксимация по

формуле Л?Пр = п®>5.

о о,г 0,k 0 ,6 о,8 п 1,0

обходимости можно пренебречь. Мощность, затрачиваемая на вра­ щение компрессора, определится из соотношения

(115) и (116), получим мощность и момент, приведенные к параметрам воздуха перед компрессором:

в компрессорах во всем рабочем диапазоне характеристик, как пра­ вило, наблюдается сравнительно небольшое изменение мощности вдоль линий постоянной частоты вращения (изодром) на протяжении

70

от границы помпажа до степени сжатия, соответствующей возмож­ ному нижнему уровню режимов. Это позволяет иногда получить за­ висимость мощности от частоты вращения в виде сравнительно узкой зоны, превращающейся для отдельных компрессоров практически в линию. Используя это свойство, для грубых оценок можно при­ менять формулу

Для грубого определения температуры воздуха за компрессором

удобна формула

k-i

(125)

(получено при т]ад = 0,86).

Оценка параметров в зоне низкой частоты вращения. В практи­ ческой работе для исследования пусковых и малых режимов часто требуется характеристика в зоне низкой частоты вращения. Нередко

с большими погрешностями измерений. Обычно это является след­ ствием того, что при планировании испытаний решение указанной задачи специально не предусматривается. Поэтому для целей иссле­ дования динамики и управления на пусковых и малых режимах ГТУ необходимо включать в программу испытаний компрессора снятие изодром в значительно более широком диапазоне, чем это обычно требуется для стационарных рабочих режимов. В случаях, когда эти данные отсутствуют, можно приближенно оценить изменение основных параметров в зоне низкой частоты вращения следующим способом. Как известно, при отсутствии влияния или при малом влия­ нии сжимаемости (насосы, вентиляторы) и параболической характе­ ристике сети производительность пропорциональна частоте вращения, выходное давление — квадрату частоты вращения, а мощность — кубу частоты вращения. В зоне низкой частоты вращения компрес­ сора числа М малы, т. е. сжимаемость проявляется мало. Поэтому можно предположить, что при работе компрессора на дроссель с не­ изменным сечением (т. е. на сеть с параболической характеристикой) зависимость, близкая к указанной, должна сохраняться. Действи­ тельно, экспериментальные данные, полученные на компрессорах, имеющих различные решетки, размеры, число ступеней, показывают, что несмотря на эти различия зависимость N, ак и як от частоты вра­

71

Здесь индекс 0 относится к величинам, Принятым за исходные, Из анализа этих данных следует, что показатели степени в фор­ мулах (126)—(128) мало зависят от типа компрессора, если его сте­ пень сжатия на номинальном режиме работы не превышает як ном = = 5, т. е. значения, распространенного в компрессорах современных судовых ГТУ х. Поэтому для режимов ГТУ, имеющих параболиче­ скую характеристику сети (например, при раскрутке турбокомпрес­ сора без подачи топлива, запуске с малоизменяющейся температурой

Рис. 31. Зависимость основных параметров компрессора от частоты вращения при работе на сеть с параболической характеристикой: а — шестиступенчатый осевой компрессор (верхняя кривая — дроссель на выходе прикрыт примерно до границы

помпажа при п я» 1, нижняя кривая — дроссель открыт полностью); б — семисту­ пенчатый осевой компрессор.

газа, при выключении топлива и т. п.), можно использовать формулы (126)—(128), принимая в качестве исходных величин соответствующие значения на минимальной известной изодроме.

На рис. 31 приведены данные, иллюстрирующие приемлемость указанного способа.

Экстраполяция универсальной характеристики. Для возможности исследования режимов в зоне низкой частоты вращения с произволь­ ной характеристикой сети с помощью формул (126), (127) нетрудно произвести необходимую экстраполяцию универсальной характе­ ристики. Для этого на нижней из известных изодром возьмем три точки: 1 — на границе помпажа, 3 — на нижнем конце изодромы и 2 — примерно посредине между указанными крайними (рис. 32).

Для каждой из этих точек вычислим величины а к0//пщ-25 и я ко//яо/5

1 Для более высоконапорных компрессоров наблюдается некоторая зависимость этих показателей от номинальной степени сжатия.

72

(t — номер точки) и далее по формулам (126), (127) найдем aKi и пк[

для принятого нового значения п. По полученным трем парам зна­ чений на характеристику нанесем новую изодрому. Для экстраполя­ ции линий к. п. д. подставим выражение (128) в (122), в результате чего получим

Определив для трех точек, выбранных ранее на исходной изо­

рессор (например, через компрессор низкого давления при раскрутке компрессора высокого давления). Специальные испы­ тания на шестиступенчатом компрессоре показали, что потери

прессоре. При вращении компрессора с частотой п = 6 -е13% коэффи­ циент потерь снижается соответственно до £ = 8 -Ик Статические продувки, предварительно выполненные на плоских решетках при различных значениях шага и угла установки, дали близкие резуль­ таты, причем отличие коэффициента потерь от полученного на ком­ прессоре не превышало 10% (в сторону занижения). Следовательно, при необходимости можно ограничиваться продувкой плоской модели проточной части. Обработка результатов проведенных испытаний

73

позволяет рекомендовать для приближенной оценки потерь давления при просасывании воздуха эмпирическую формулу

§ 8. Срывные режимы и граница помпажа

На рис. 33 приведена универсальная характеристика с условными изодромами, отражающими возможные варианты работы компрес­

вращения (а в некоторых компрессорах — во всем диапазоне работы) переход на левую ветвь происходит сравнительно плавно, без раз­ рыва характеристики 1 (участок ab на изодромах 3—4). При сни­ жении сопротивления сети обратный переход на правую ветвь изо­ дромы тоже может происходить как скачкообразно (участок cd на изодроме 1), так и плавно, без разрыва изодромы (точка с на изо­ дромах 2—4), но в большинстве случаев носит гистерезисный харак­ тер: участок обратного перехода расположен правее участка срыва компрессора (см. рис. 33). На низкой частоте вращения гистерезис по лк может быть практически незаметным (изодрома 5).1

1 Одним из важных условий, определяющих характер срыва, является втулоч­ ное отношение: в ступенях с большим втулочным отношением срыв возникает обычно одновременно по всей высоте лопатки, в ступенях с малым втулочным отношением срыв распространяется, как правило, постепенно от периферии по всей высоте ре­ шетки. В первом случае (обычно характерном для последних ступеней) наблюдается разрыв характеристики, во втором (характерном для первых ступеней) — плавный переход с правой ветви характеристики на левую.

74

Срыв режима компрессора сопровождается высокочастотной пуль­ сацией расхода и давления, связанной с возникновением отрывного течения (вращающегося срыва) в межлопаточных каналах С При переходе на левую ветвь изодромы, как правило, начинает также снижаться к. п. д. компрессора (рис. 34). В ряде случаев вслед­ ствие рассогласования работы ступеней срывной режим возникает в одной или нескольких (обычно первых) ступенях еще на правой ветви изодромы компрессора, причем срыва режима всего компрес­ сора не происходит. Зона между линией возникновения пульсаций и границей срыва режима компрессора (между линиями В и А на рис. 33) обычно сужается с повы­

прочности, так и программ управления. Следует учитывать также, что, несмотря на большую амплитуду (превышающую иногда 10% среднего значения параметра), пульсация не отмечается приборами, которыми обычно фиксируются параметры установившихся и пере­ ходных режимов (манометрами, электродатчиками давления системы осциллографирования и т. п.). Объясняется это тем, что частота пуль­ саций может превышать 200 Гц, т. е. быть существенно больше ча­ стоты, пропускаемой обычными измерительными приборами. По­ этому при обычных испытаниях граница возникновения пульсаций практически не проявляется и для ее выявления следует проводить специальные измерения.

В системе сеть—компрессор благодаря емкости сети и инерцион­ ности потока в присоединенных трактах срыв режима компрессора1

1 Обычно срыв режима компрессора на частотах вращения ниже номинальной вызывается срывом первых ступеней, а на частотах вращения, близких к номиналь­ ной или превышающих ее, — срывом последних ступеней.

75

Приводит к помпажу. Внешними признаками помпажа при высокой • частоте вращения являются резкие периодические удары или хлопки, частота которых зависит в основном от емкости сети. Если компрес­ сор имеет зону пульсаций, то перед помпажом иногда возникает ха­ рактерный глухой шум. На осциллограммах помпажных режимов наблюдается сильное периодическое изменение давления за компрес­ сором и резкое возрастание температуры перед компрессором, сви-

к. п. д. и появлении высокочастотной пульсации.

Обычно помпаж системы сеть—компрессор возникает практически одновременно со срывом режима компрессора. Более того, оконча­ тельно границу срыва всегда определяют экспериментально на ком­ прессорном стенде, где между компрессором и дросселем, а также на входе в компрессор имеются ресиверы и емкости, образующие стен­ довую систему сеть—компрессор. Поэтому при регистрации срыва компрессора фактически фиксируется помпаж, соответствующий этой системе. Следствием этих обстоятельств является широко принятое условное объединение понятий срыва режима компрессора и помпажа системы сеть—компрессор. Поэтому приводимая на характеристике компрессора граница срыб'а обычно рассматривается как граница помпажа. Однако при изменении системы сеть—компрессор может изменяться не только характер помпажа, но и начало его появления, т. е. граница помпажа. В частности, некоторые данные ([26], [58])

76

свидетельствуют о возможном смещении границы помпажа вправо при увеличении присоединенного объема. Можно предположить* что это происходит из-за уменьшения амплитуды колебаний давления в нагнетательном патрубке компрессора, вызываемого колебаниями среднемассового расхода, и увеличения сдвига по фазе между этими двумя видами колебаний. Как следствие, минимальный мгновенный расход может наблюдаться при более высоком давлении, а мгновенная характеристика сети может иметь меньший угол наклона, т. е. ока­ заться касательной к изодроме правее начала срыва. Оба эти обстоя­ тельства создают благоприятные условия для более раннего воз-

сором при помпаже в состве ГТУ: а — однокомпрессорный двигатель с прямоточной компоновкой без генератора; б — двухкомпрессорный двигатель, емкость за компрессором около 8 м3; в — двухкомпрессорный двигатель, емкость за компрессором около 16 м3.

никновения помпажа. Поэтому данные, полученные при испытаниях на компрессорном стенде, следует тщательно анализировать при рассмотрении условий работы компрессора в составе ГТУ с учетом возможного влияния присоединенных объемов.

Как показывает опыт различных наладочных испытаний, боль­ шое число помпажных режимов может приводить к поломке лопаток компрессоров, перегреву турбин, снижению ресурса ГТУ. Поэтому специальные проверки помпажных режимов компрессоров в составе ГТУ, предназначенной для эксплуатации, обычно недопустимы. Осциллографирование же случайных помпажей, которые могут прои­ зойти при отработке программ управления ГТУ, ее системы защиты и т . п., не может дать достаточного экспериментального материала для достоверной оценки фактической границы помпажа, так как ограниченное число зафиксированных предпомпажных мгновенных состояний исключает сколько-нибудь строгую оценку истинной по­ грешности измерений. Таким образом, при создании новой ГТУ точ­ ная оценка границы помпажа с учетом реальной системы сеть—ком­ прессор должна составлять одну из главных задач испытаний и исследований.

Важнейшим показателем для компрессора становится запас устой­ чивости, под которым понимается мера удаленности режима работы от границы помпажа. Существует несколько способов оценки этого

77

(индекс «р» относится к точке, определяющей режим работы на ха­ рактеристике компрессора, а индекс «п» — к точке пересечения гра­ ницы помпажа с изодромой этого режима).

В практической работе при анализе качества переходных режимов приходится выполнять многочисленнее вычисления, связанные с оп­ ределением ky вдоль всей траектории процесса на характеристике ком­ прессора. При исследовании устано­ вившихся режимов необходимо также для каждой рабочей точки вычислять ky. Наконец, часто решается обрат­ ная задача: расчет процесса, ограни­ ченного заданным ky. Поэтому удобно иметь заранее нанесенные на харак­ теристику компрессора линии ky =

= idem (рис. 37).

Для сравнительной оценки комп­ рессоров целесообразно построение линий ky = idem в координатах т)ад— як: чем выше располагаются эти линии, тем большая экономичность и удельная мощность ГТУ при оди­ наковых як и ky может быть получена при использовании данного типа компрессора.

Некоторые меры по расширению беспомпажной зоны при пони­ женной частоте вращения. При запуске судовых газотурбинных двигателей из-за недостатка располагаемой энергии для пускового устройства и ограничений по мощности турбины приходится увели­ чивать температуру газа. Это приводит к увеличению сопротивления сети, и траектория режима на характеристике компрессора может оказаться выше границы помпажа. В пусковом диапазоне частоты вращения срыв режима может отсутствовать. Несмотря на это работа в запомпажной зоне оказывается в ряде случаев невозможной не только из-за опасности высокочастотных возмущений облопатывания, но и в связи с отмеченным выше резким уменьшением к. п. д. ком­ прессора.

Таким образом, увеличение температуры газа, приводящее к росту мощности турбины, одновременно вызывает сильное увеличение мощности компрессора, в результате чего его раскрутка прекра­ щается; происходит так называемое зависание режима. Испытания показывают, что из-за гистерезиса изодромы зависание обычно ока­ зывается необратимым: при снижении температуры газа, т. е. умень­ шении сопротивления сети, режим не возвращается в исходную точку

78

зависания, а начинает снижаться вплоть до остановки турбокомпрес­ сора. Наиболее простой мерой в этом случае является снижение на­ порной характеристики сети путем открытия перепуска воздуха за компрессором. Более эффективная мера — перепуск воздуха из про­ межуточной ступени компрессора. При этом путем благоприятного перераспределения параметров в проточной части можно добиться расширения рабочей зоны без заметного увеличения мощности ком­ прессора. Поскольку использование перепуска связано с режимом запуска, интерес представляет в основном расход воздуха на выходе из компрессора, т. е. полезная производительность компрессора.

Рис. 38. Изменение характеристики компрессора при перепуске воздуха: а — опыт­ ный 10-ступенчатый компрессор, перепуск после 3-й ступени (по экспериментальным данным); б — 12-ступенчатый кбмпрессор, перепуск после 7-й ступени (без пере­ пуска — по экспериментальным данным, с перепуском — по данным расчета).

Сплошные линии — без перепуска, штриховые линии — с перепуском.

Поэтому на оси абсцисс универсальной характеристики в случае перепуска удобно откладывать приведенный расход в виде ак =

с\/"т

=- в- х- —— . Кривые к. п. д. на характеристике компрессора при

Рвх

этом должны отвечать соотношению 1

где h — изоэнтропийный напор; NK— полная мощность, затрачи­ ваемая на сжатие используемого и вытравливаемого воздуха.

На рис. 38 приведены такие характеристики для двух различных компрессоров. Привлекает внимание различная величина изменения к. п. д. в зависимости от места перепуска: при перепуске из-за 3-й ступени к. п. д. изменился незначительно, при перепуске из-за 7-й ступени он существенно снизился. В обоих компрессорах срыв ре­ жима на пониженной частоте вращения определяется перегрузкой

1 Эта форма к. п. д. используется для оценки суммарной работы сжатия. Фак­ тического изменения адиабатического к. п. д. ступеней и всего компрессора она не отражает.

79