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

первых ступеней. Поэтому при перепуске непосредственно за этими ступенями увеличивается эффективность как первых ступеней, так и последующих, в результате чего работа, затраченная на сжатие пере­ пускаемого воздуха, оказывается практически компенсированной. Перепуск же из-за последующих ступеней оказался малоэффектив­ ным в связи с менее благоприятным перераспределением нагрузки и затратой мощности на сжатие перепускаемого воздуха в дополни­ тельном количестве ступеней.

Весьма эффективным способом расширения рабочей зоны ком­ прессора являются поворотные направляющие аппараты. Однако неизбежное усложнение конструкции компрессора и системы регу­ лирования, дополнительные потери от перетекания через зазоры в по­ воротных аппаратах на основных рабочих режимах и снижение на­ дежности в ряде случаев делают их не оправданными для целей за­ пуска.

§ 9. Влияние различных факторов на характеристики компрессора

Как показывает опыт создания и эксплуатации газотурбинных установок, характеристики компрессоров подвержены заметному влиянию различных технологических и эксплуатационных факторов, что необходимо учитывать при решении вопросов динамики и управ­ ления ГТУ.

Влияние технологии изготовления. Изготовленные по одним чер­ тежам отдельные экземпляры компрессоров могут иметь характери­ стики, несколько отличающиеся от исходной, полученной на модель­ ном, опытном или головном компрессоре. Основной причиной служат неодинаковые зазоры, углы установки лопаток, геометрия профилей и другие факторы, связанные с полем допусков на изготовление. На рис. 39 показано изменение характеристики вследствие увели­ чения радиальных зазоров над рабочими венцами опытного компрес­ сора. По данным испытаний большого числа экземпляров другого компрессора, изготовляемого серийно, разброс значений приведен­ ной частоты вращения при одинаковой степени сжатия и приведен­ ной производительности составляет 2—3%.

Специальные испытания партий, состоящих из нескольких эк­ земпляров различных типов серийно выпускаемых компрессоров, показали, что внутри партии данного типа отклонение границы помпажа от среднего положения может достигать Л£у = ±4% .

Некоторые данные свидетельствуют о том, что влияние допусков при умеренных М может снижаться. Например, на двух одинаковых компрессорах (М шах<С 0,7) опытной ГТУ расхождение изодром составило около 1,5%, причем изодромы, смещенные в область мень­ ших производительностей, относятся к компрессору с радиальными зазорами 1-й ступени, значительно превышающими технологические допуски. При этом границы помпажа различаются незначительно. Можно предположить, что при зазорах, не выходящих за пределы

8 0

допусков, расхождение изодром было бы еще меньше при несколько большем различии в положении границы помпажа.

Влияние срока службы. На отдельных натурных компрессорах и лабораторных моделях наблюдалось изменение характеристик вследствие износа. Например, при выработке 30% ресурса одного из двигателей было отмечено снижение границы помпажа высоконапор­ ного компрессора примерно на 5% по степени сжатия. При испыта­ ниях компрессорных ступеней на запыленном воздухе наблюдалось заметное уменьшение к. п. д. и степени сжатия, обусловленное из­

является смещение изодром на характеристике компрессора. Это позволяет, измерив расход, входное и выходное давления и частоту вращения и нанеся на исходную характеристику две точки зтк — а к и як— п, определить степень заноса: на чистом компрессоре точки практически совпадают, а по мере увеличения заноса увеличивается их расхождение (рис. 40). К. п, д. при этом заметно снижается.

В отличие от деформации характеристики, наблюдаемой при за­ носе, изодромы при наличии воды в воздухе перемещаются вправо, т. е. в область повышенного напора и производительности. Одно­ временно повышается к. п. д.

По результатам стендовых испытаний ряда компрессоров, охва­ тывающих широкие области характеристик, можно приближенно принимать, что изменению положения изодромы на 1 % вдоль линии ky = idem соответствует уменьшение к. п. д. при заносе на 1,5— 2,5% (рис. 41). Примерно такое же соотношение отмечено на натур­ ных компрессорах ГТУ-20 как при загрязнении в период испытаний на заводском стенде, так и при засолении в эксплуатации.

кривой типа рис. 43. Тогда расхождение изодром, соответствующее только заносу, можно приблизительно оценить по соотношению

(135)

где \ ^ j — расхождение изодром на характеристике по резуль­

татам замера (знак плюс — при смещении изодромы влево от исход­ ной, знак минус — при смещении вправо).

5)

- А п / ha c i,%

Рис. 42. Зависимость между смещением границы помпажа и расхождением изо­ дром опытного многоступенчатого компрессора: а — при засолении; б — при впрыске воды.

данные); X — писх — 0,6 -5-1 (расчет с использованием экспериментальных данных других компрессоров: низконапорного — для малых изодром и высоконапорного для больших); писх — исходная изодрома, Дп — расхождение изодром: плюс — в сторону увеличения минус — в сторону уменьшения; Д/гу — смещение границы помпажа по сравнению с исход­

ной в область повышенной производительности. Кривые — аппроксимация эксперименталь­ ных данных.

Далее по экспериментальным кривым типа рис. 43 можно при­ близительно оценить раздельное влияние заноса и влаги, а затем сум­ марное изменение к. п. д. и границы помпажа.

Учет неравномерности потока на входе. В числе факторов, влияю­ щих на характеристику компрессора, следует отметить неравномер­ ность потока на входе. Как показывают наблюдения, даже незначи­ тельные изменения тракта всасывания могут приводить к существен­ ному искажению поля на всасывании компрессора. Например, при испытаниях ГТУ-20 было отмечено влияние глушителя шума, вре­ менно установленного перед всасывающим патрубком компрессора низкого давления, и влияние направления забора воздуха (от пра­ вого или от левого борта) при полной идентичности геометрии тракта.

При испытании турбокомпрессорного агрегата на стенде, а затем в составе объекта наблюдалось увеличение приведенной частоты вра­ щения на 1,5—2% при одинаковых степени сжатия и приведенной

84

производительности, что можно прежде всего объяснить различием трактов всасывания. Поэтому желательно снимать характеристики в системе, имеющей натурный тракт всасывания, даже в тех случаях, когда у компрессора есть собственный входной патрубок, т. е. когда неравномерность на входе в проточную часть меньше зависит от тракта всасывания. При невозможности таких, испытаний проверку харак­ теристик компрессора (включая границу помпажа) желательно про­ изводить, обеспечив на его всасы­ вании поле, либо подобное полу­ ченному при продувках модели тракта всасывания, либо соответ­ ствующее замерам, непосредствен­ но выполненным на объекте.

§ 10. Квазистационарность характеристик компрессора в динамике

При анализе переходных ре­ жимов, особенно при сбросах на­ грузки, на форсированных этапах реверса и т. п., возникает вопрос об изменении характеристик комп­ рессора (включая границу помпа­ жа) в динамике. Здесь, так же как в турбинной группе (см. §6), может проявляться влияние аккумуляции тепла и рабочего вещества. В той

или иной мере может также сказаться влияние на границу помпажа, на к. п. д. и напор компрессора таких факторов, как изменение за­ зоров при быстром прогреве или охлаждении элементов проточной части, нестационарность потока на входе и в напорной сети и т. п. Некоторые опытные данные свидетельствуют, например, о влиянии на границу помпажа частоты колебаний давления в сети, связанных с колебаниями температуры газа: при увеличении частоты граница смещается влево, а затем начинает перемещаться вправо, переходя при большой частоте, исходную границу.

Наличие аккумуляции обнаружено в опытах по определению характера колебаний давления на выходе в зависимости от колебаний на входе: при частотах входных колебаний более 3—4 Гц наблюдается заметное уменьшение амплитуды и сдвиг по фазе в осциллограмме выходного давления. Однако даже при максимальной скорости пере­ ходных процессов, возникающих в судовых ГТУ, влияние указанных факторов на практике обычно не наблюдается. Это позволяет пред­ положить, что возникающие отклонения характеристик в динамике соизмеримы с реальной точностью измерений параметров переходных режимов ГТУ. Проведенный ниже анализ подтверждает справедли­ вость такого предположения.

8 5

Аккумуляция тепла проточной частью. Используя допущения,

принятые при выводе формулы (87), получим для компрессора ана­ логичное соотношение:

Рис. 44. Влияние теплообмена на изменение выходной температуры компрессора при постоянной времени аппроксимирующей экспоненты: а — Т = 26 с; б — Т =

= 4 с.

1 — изменение выходной температуры (утолщенная линия — по осциллограммам, тонкая линия — аппроксимация экспонентой); 2 — изменение расхода воздуха через компрессор

по осциллограммам; 3 — приращение температуры Д*дИН вследствие теплообмена.

от турбинной группы, температура воздуха перед компрессором (или группой компрессора без промежуточного охлаждения) в переходном процессе остается практически неизменной, и поэтому среднее при­ ращение температуры воздуха А7\ ср вдоль проточной части можно приближенно оценить как половину А7’вых.

Остальные величины в формуле (136) соответствуют обозначе­ ниям, принятым в.формуле (87).

Порядок величины А/Дин оценим на примере компрессоров ГТУ-20. На рис. 44 приведены переходные процессы в КНД при уменьшении и увеличении частоты вращения. Изменение температуры воздуха

86

На рис. 44 показано относительное изменение приращения тем­ пературы воздуха на выходе из компрессора за счет теплообмена

Из приведенного примера видно, что максимальное значение Д?дин для рассмотренного случая не превышает 0,5%.

Для КВД рассмотрим случай изменения ДГВЫХс приблизительно

Примем максимальную скорость изменения степени сжатия в КВД при форсированном маневре с холостого на полный ход (время ма­ невра около 40 с — стендовые наладочные испытания ГТУ), чему

Несмотря на сугубо приближенный характер, полученные данные показывают, что теплообмен с металлом проточной части в динамике не должен вызывать заметных отклонений температуры воздуха. Как следствие, аккумуляцию тепла при обычном темпе изменения температуры воздуха можно в практических задачах не учитывать, т. е. считать характеристики в этом отношении квазистационарными.

В тех случаях, когда изменение температуры и расхода воздуха происходит значительно быстрее или когда величины, определяющие Д/дин (например, Тм и др.), существенно отличаются от приведенных выше, можно предположить некоторые отклонения, связанные с ди­ намическими режимами компрессоров. В частности, может иметь место смещение границы помпажа. Действительно, на режимах

3 7

разгона вследствие охлаждения металлом проточной части темпера­ тура воздуха в последних ступенях компрессора будет несколько ниже температуры, соответствующей степени сжатия в рассматривае­ мый момент времени.

На режимах сброса, наоборот, поток нагревается, и температура воздуха в последних ступенях превышает температуру, соответ­ ствующую величине степени сжатия.

Таким образом, если помпаж компрессора определяется первыми ступенями, то на режимах сброса эти ступени смогут раньше войти в срывной режим в результате снижения пропускной способности последних ступеней, т. е. граница помпажа переместится вправо. На режимах разгона по аналогичным причинам граница помпажа в этом случае может переместиться влево.

Если помпаж определяется последними ступенями, то на режимах разгона вследствие уменьшения температуры (т. е. удельного объема воздуха) условия, определяющие срыв, наступают раньше, т. е. граница помпажа может сместиться вправо. На режимах сброса, наоборот, удельный объем увеличивается, условия обтекания по­ следних ступеней улучшаются, т. е. граница помпажа может сме­ ститься влево. Указанные смещения границы помпажа могут и от­ сутствовать, так как одновременно с изменением степени сжатия изменяется расход, и смещение режима может происходить вдоль границы помпажа.

Теплообмен с металлом проточной части может также приводить к отклонению к. п. д. и изодром в динамике.

Все эти вопросы в настоящее время изучены недостаточно; на­ копление новых экспериментальных и теоретических данных позво­ лит решать задачи динамики более обоснованно.

Аккумуляция рабочего вещества проточной частью. Аналогично формуле (109) постоянная времени проточной части компрессора

удельный вес воздуха, объем проточной части и секундный расход воздуха через компрессор.

Для компрессоров главных судовых ГТУ постоянная времени может составлять ТАр = 0,005 — 0,04 с. В частности, в ГТУ-20

7д£кнд = ° ’007 с- ТлрКвд = 0,017 с.

По аналогии с формулой (112) различие в величине относитель­ ного изменения давления на выходе и в середине проточной части

где b = - Ррых — коэффициент, характеризующий темп изменения

Лрвых во времени.

88

Приняв максимально возможный темп изменения давления за

компрессором Р^ых = 10% 1/с, т. е. b — 0,1, получим при макси­

мальном значении Т™рХ — 0,04 с отставание давления в динамике

(^Рвых ДРср)тах ^ 0,4 % .

Полученная величина свидетельствует о том, что влияние акку­ муляции массы воздуха проточной частью компрессора даже для принятых крайних значений пренебрежимо мало.

Piic. 45. К обоснованию квазистационарности характеристик компрессоров: а — КВД; б - КНД.

ф, О — замеры по я* и а; А, Л — замеры по я* и п; сплошные значки — замеры на уста­ новившихся режимах, контурные — в динамике; цифры около пар точек — номера групп замеров при одинаковом эксплуатационном состоянии компрессоров.

Таким образом, характеристики компрессоров судовых ГТУ в отношении обоих рассмотренных видов аккумуляции в большинстве случаев являются в динамике квазистационарными.

Этот вывод подтверждается опытными данными, полученными для ряда газотурбинных двигателей.

В частности, на рис. 45 приведены точки, нанесенные на исходные характеристики компрессоров ГТУ-20 на статических и переходных режимах. Для каждого стационарного режима или мгновенного со­ стояния переходного процесса измерялись параметры, по которым вычислялись як, п и а. Затем на характеристику наносились две точ­

ки, соответствующие данному замеру: одна по як и ос, другая по як и п. Из сопоставления указанных пар точек видно, что их взаимное расположение, определяющее отклонение от исходной характери­ стики, на стационарных и переходных режимах практически оди­ наково. Это свидетельствует, во-первых, об отсутствии различия ха­ рактеристик компрессоров в статике и динамике 1 в пределах точ-

1 При следующих скоростях изменения параметров: давление между компрес­ сорами 4—6 %/с (6—8 %/с); частота вращения КНД 2—3 %/с (5—8 %/с); частота вращения КВД до 3 %/с (до 30 %/с), весовая производительность компрессоров 2— 3%/с (4—7 %/с). Цифры без скобок выражают процент от значения рассматриваемого параметра на максимальном режиме ГТУ, в скобках — процент от диапазона изме­ нения параметра между режимами холостого и полного хода. Указанные скорости соответствуют режимам наладочных испытаний и в несколько раз превышают ско­ рости маневров ГТУ-20, реализуемые при нормальной эксплуатации.

89