Общий вид характеристики компрессора при его запуске

Рис.3.5 (1 - напорные характеристики; 2 - граница устой­чивой работы компрессора; 3 - рабочая линия комп­рессора при запуске; 4 - рабочая линия компрессора на установившихся режимах; I - отключение стартера; II - частота вращения холостого хода).

ТУРБИНА. Этот элемент ГТУ вступает в работу с начала второ­го этапа запуска (т.е. с момента начала горения топлива в камере сгорания) и принимает участие в раскрутке ТК блока совместно со стартером. Необходимая для этого мощность турбины создается путем постепенного увеличения подачи топлива в камеру сгорания и, соот­ветственно, увеличения температуры газов перед ней.

Работа турбины в этот период обуславливается рядом ограничи­тельных требований. Она должна развивать наибольшую избыточную мощность, но при условии обеспечения устойчивой работы компрессо­ра и камеры сгорания и без превышения прочностных возможностей деталей ГТУ. Каждые из указанных требований являются превалирую­щими в определенных интервалах развития частоты вращения. Так, в диапазоне до минимальной частоты вращения (n_c - несколько ниже частоты вращения холостого хода) должна быть обеспечена устойчивая работа компрессора. При росте частоты вращения свыше величины n_c возникает необходимость сдерживания температуры газов, перед турбиной исходя из обеспечения прочностных требований. Характер изменения температуры газов перед турбиной в зависимости от частоты вращения при запуске изображен на рис.3.6.

Характер изменения температуры газов перед турбиной при запуске

Рис.3.6 (1 - момент воспламенения топлива; 2 – изменение температуры газов перед турбиной (принимаемый закон); 3 - температура газа перед турбиной на установившихся режимах; 4 - предельно допустимая температура газа, исходя из прочностных условий; 5 - предельно допус­тимая температура газа, исходя из условий устойчивой работы компрессора; n_с - минимальная частота вра­щения на установившемся режиме, обусловленная устойчи­вой работой компрессора; ΔT_σ - запас по температуре газов, исходя из прочности лопаток турбины; ΔТ_К - за­пас по температуре газов, исходя из условий устойчивой работы компрессора).

ТОПЛИВОРЕГУЛИРУЮЩАЯ АППАРАТУРА. Этому элементу ГТУ также отводится определенная роль в поддержании надежного запуска, т.к. последний всецело зависит от правильной подачи топлива в камеру сгорания, определяющей предельную величину температуры газов перед турбиной и обеспечивающей устойчивость работы комп­рессора без превышения прочностных характеристик узлов и деталей.

Подача топлива в камеру сгорания осуществляется топливным насосом-регулятором. В начальный период запуска он дает макси­мальную производительность, а после вступления в работу клапана постоянного перепада перестраивается и поддерживает на дроссель­ном кране постоянную величину перепада.

В системах топливорегулирующей аппаратуры ГТУ обеспечение устойчивого запуска осуществляется с помощью специальных авто­матов, основным регулирующим импульсом у которых служит давление воздуха за компрессором. В зависимости от величины этого давления автомат запуска регулирует подачу необходимого количества топлива в камеру сгорания, перепуская излишнее на вход топливного насоса.

Требуемая настройка автомата запуска может быть осуществле­на двумя способами: за счет изменения натяжения пружины мембраны и стравливанием воздуха из воздушной полости. В первом случае наибольший эффект достигается в начальный период запуска, а во втором - в конце запуска, ближе к частоте вращения холостого хода.

На работу автомата запуска заметное влияние оказывают ат­мосферные условия (например, температура наружного воздуха). При низких температурах он подает большее количество топлива, чем при высоких. Это приводит к смещению рабочей линии запуска к границе устойчивой работы компрессора. Поэтому при эксплуатации ГТУ в зависимости от времени года требуется производить его регулировку в зависимости от изменения температуры наружного воздуха.

Температура наружного воздуха оказывает заметное влияние на характер запуска.

Изменение температуры наружного воздуха приводит к изменению расхода воздуха в ГТУ при установившихся оборотах. С ее повыше­нием при неизменной подаче топлива в камеру сгорания массовый расход уменьшается, что вызывает рост температуры газов перед турбиной. При ее понижении температура газов перед турбиной из-за увеличения массового расхода воздуха через ГТД падает.

Снижение температуры газов при уменьшенной производительнос­ти компрессора приводит к падению мощности турбины, уменьшению избытка крутящего момента, и, как следствие, к снижению интен­сивности раскрутки ТК блока и увеличению времени выхода ГТУ на режим.

Запуск ГТУ при низких температурах характеризуется меньшей частотой вращения раскручиваемого стартером ТК блока и более ранним вступлением в работу турбины. Это связано с увеличением сопротивления ГТД и ростом массовой производительности компрес­сора.

Сопротивление ГТУ при низких температурах возрастает в ос­новном за счет роста мощности, идущей на сжатие воздуха. Вместе с тем увеличиваются силы трения из-за возрастания вязкости масла.

Кроме того, при низких температурах может снижаться мощность стартеров, например, из-за понижения температуры электролита батарей.

Отрицательные температуры наружного воздуха ухудшают распы­ление топлива, так как увеличивается его вязкость и уменьшается испаряемость. Это снижает пусковые качества камеры сгорания.

Характер влияния низкой температуры на сопротивление двига­теля и начало работы турбины можно проиллюстрировать данными, относящимися к авиационному ТРД с центробежным компрессором [3] (рис.3.7, табл.3.1).

Характер изменения сопротивления ТРД при различных температурах атмосферного воздуха

Рис.3.7 ( 1,2,3,4 - зависимости мощности от частоты вращения при температурах атмосферного воздуха соответственно - 51 °С, -48 °С, -32 °С, -8 °С).

Таблица 3.1.

Изменение частоты вращения начала работы ТРД с центробежным компрессором при различных температурах наружного воздуха

ВОЗДУХОЗАБОРТНЫЕ И ГАЗОВЫПУСКНЫЕ УСТРОЙСТВА. Характеристики этих элементов оказывают существенное влияние на пусковые свойства ГТУ, в частности создаваемое ими гидравлические сопротив­ление. Оно формирует входящий воздушные и выходящий газовый по­токи. Так, вследствие возникающих сопротивлений в воздухозабортном устройстве происходит снижение давления и расхода воздуха, изменяется поле скоростей на входе в компрессор, в результате чего сужается область его устойчивой работы. Для уменьшения отрицательного влияния воздухозаборного устройства на запуск ГТУ производят регулировку подачи топлива в камеру сгорания.

Гидравлические сопротивления газовыпускного устройства при­водят к увеличению противодавления, снижению срабатываемого турбиной перепада тепла и, соответственно, уменьшению ее мощнос­ти, вследствие чего ухудшаются пусковые качества ГТУ. Опреде­ленное отрицательное влияние на эти качества может оказать воз­никшие акустические колебания газового столба в газовыпуске. Раз­витие таких явлений связано с критической длиной газовыпускного устройства. Она зависит от качества проточной части газовыпуска, типа и условий работы ГТУ.

Рассмотренные процессы, протекающие в элементах ГТУ, или ее запуске, имеют место и в двухкомпрессорных ГТУ. Однако в этом случае появляется ряд специфических особенностей. Их сущность состоит в следующем. Двухкомпрессорные ГТУ имеют два самостоятель­ных компрессора (низкого и высокого) давления, которые приводятся во вращение собственными турбинами. Между ними существует газовоздушная связь и отсутствует механическая. На пусковых и других эксплуатационных режимах КНД и КВД вращаются с разными числами оборотов. Величина различия в частотах ("скольжение") зависит от распределения перепадов тепла, срабатываемых в турби­нах, и условий, обеспечивающих устойчивую работу компрессоров на всех эксплуатационных режимах.

В зависимости от конструкции запуск ГТУ может осуществлять­ся двумя способами: раскруткой с помощью стартера только КВД или КВД и КНД одновременно. Однако в первом случае КНД начинает рабо­тать в режиме авторотации, при этом давление воздуха за ним па­дает, расход воздуха через ГТУ уменьшается и, как следствие, сни­жается запас устойчивости против помпажа КВД.

Сущность авторотации состоит в следующем. В ГТУ, состоящих из нескольких ГТД, часть из них в процессе движения судна может бездействовать. При этом на ГТУ, у которых силовая турбина не отключается от валопровода, она будет вращаться от гребного вин­та, просасывая воздух через всю проточную часть ГТД и вызывая вра­щение его ТК блоков. Это явление и принято называть авторотацией.

В процессе авторотации давление воздуха перед турбиной ТК блока мало. По существу она является тормозом, вращаясь за счет энергии компрессора.

В режиме авторотации первые ступени компрессора сжимают воз­дух, а последние работают в качестве турбинных. Поэтому давление воздуха за компрессором становится меньше давления на входе. Для предотвращения этого требуется более длительная работа старте­ра для раскрутки КВД по сравнению с однокомпрессорными ГТУ.

Система раскрутки КВД и КНД одновременно конструктивно нес­колько сложнее, однако она ускоряет процесс запуска и делает его более устойчивым. При этом отсутствует авторотация КНД. Давление за КВД растет быстрее, что позволяет раньше вступить в работу турбине и, тем самым, улучшить запуск.

Запуск ГТУ путем раскрутки стартера только КНД не применя­ется. Это связано с большим весом ротора КНД, меньшей мощностью его турбины и снижением запаса устойчивости против его помпажа. В результате запуск ГТУ становится более длительным и менее ус­тойчивым.

Запуск авторотирующего ГТД производится обычным порядком. Постепенно с увеличением частоты вращения и вступлением в работу турбины компрессор переходит на свой режим работы, обеспечивая процесс запуска и выход ГТД на заданный режим.

Отрицательным свойством авторотации является прохождение через проточные части большого количества воздуха, что ускоряет "засоление" и загрязнение их, особенно в штормовую погоду, приводя к резкому ухудшению характеристик ГТУ.

Величина "скольжения" является важным параметром работы ГТУ. Ее изменение возможно в случае сильного загрязнения проточной части ГТУ. Увеличение "скольжения" ведет к уменьшению области устойчивой работы КВД из-за уменьшения расхода воздуха.

Надежность пуска ГТУ в действие является одной из основных ее характеристик, т.к. он непосредственно определяет маневренные качества ГТУ.

Из изложенного выше следует, что в обеспечении запуска прини­мает участие большое количество различных устройств и агрегатов. От их взаимосвязной, последовательной и исправной работы зависит надежность запуска. В противном случае неизбежны срывы запуска ГТУ. Они могут явиться следствием: неисправности электрооборудова­ния (средств электропитания: стартерных батарей, выпрямителей, стартеров; коммутационных устройств: переключателей, контакторов, реле; систем зажигания: индукционных катушек, высоковольтных ка­белей, свечей); загрязнения и обводнения топлива, что приводит к нарушению нормальной работы топливорегулирующей аппаратуры (насосов-регуляторов, автоматических распределителей топлива, форсунок, стоп-кранов и др.); разрегулировки систем запуска.

Кроме того, срыв запуска ГТУ на первом этапе (рис.3.1) может произойти из-за неисправностей стартеров, систем их переключения, средств питания - аккумуляторных батарей и стартерных выпрями­телей.

Надежность запуска на втором (основном) этапе зависит от правильной настройки топливорегулирующей аппаратуры и в первую очередь, как указывалось ранее, автомата запуска. На этом этапе должна точно выдерживаться программа подачи топлива в камеру сгорания в зависимости от развиваемой частоты вращения ТК блоком. В этом периоде времени запуск может нарушиться также из-за загрязнения форсунок, неисправности системы зажигания и др.

На третьем этапе запуска возможны случаи преждевременного отключения стартеров. Это ведет к затягиванию запуска и росту температуры газов. Надежность запуска снижается.

В процессе эксплуатации ГТУ время этапов запуска для каждого типа ГТУ должно быть строго регламентировано, контролироваться и фиксироваться в вахтенных журналах. При существенных отклонениях этапов по времени запуск приостанавливается и повторяется вновь. В случае неудач число попыток последовательных запусков ограничи­вается двумя-тремя из-за возможного перегрева стартеров.

3.2. Переменные режимы

Такие режимы представляют собой сложный процесс. Они обус­ловлены изменением нагрузки ГТУ во времени в большом диапазоне от холостого хода до полной мощности и в значительной степени зависят от воздействия различных внешних факторов (например, температуры наружного воздуха). При изменении режимов ГТУ меняют­ся условия работы ее элементов (компрессоров, турбин, камер сго­рания) и экономичность.

Одной из важнейших особенностей работы ГТУ на переменных ре­жимах является изменение условий совместной работы ее компрессоров и турбин, т.к. это связано с устойчивостью их работы. Нарушение режима работы может привести к резкому возрастанию температуры газов перед турбиной, колебанию мощности и возникновению вибрации. В результате чего может произойти самопроизвольная остановка ГТД и повреждение его отдельных узлов.

Особенности работы основных элементов ГТУ на переменных режимах излагаются ниже [11].

КОМПРЕССОРЫ. Их работа характеризуется изменением частоты вращения, степени повышения давления, расхода воздуха и КПД.

Для анализа последствий изменения основных параметров и оценки работы компрессора используются два вида характеристик: нормаль­ные и универсальные. Первые дают зависимость изменения степени повышения давления и КПД компрессора от его производительности при различной частоте вращения и неизменных параметрах состоя­ния воздуха на входе. Вторые отражают работу компрессора при любых значениях давления и температуры наружного воздуха. Общий вид универсальной характеристики компрессора изображен на рис.3.8.

Общий вид универсальной характеристики осевого компрессора

Рис.3.8. (1,2,3,4 - линии постоянного параметра частоты вращения n/√T^*₁ соответственно при n₁>n₂>n₃>n₄; 5 - линии равных КПД η^*_к=const; 6 - граница помпажа).

В принятых на рис.3.8 обозначениях понимаются: Р₁^*, Т₁^* - давле­ние и температура заторможенного потока воздуха на входе в компрессор; π^*_к=Р^*₂/Р^*₁ - степень повышения давления по заторможенньм параметрам; (G√T^*₁)/P^*₁ - параметр расхода. Каждая кривая сетки соответствует постоянному значению параметра час­тоты вращения n/√T^*₁ (например, кривая 1 при n₁ и т.д.).

При работе компрессора на переменных режимах происходит изменение отношения плотностей воздуха на выходе и входе. Учиты­вая, что площади проходных сечений остаются постоянными это при­водит к изменению осевых скоростей (С_а) по длине его проточ­ной части и в конечном итоге к отклонению режимов работы отдель­ных ступеней от оптимального.

Уменьшение частоты вращения компрессора по сравнению с рас­четным значением вызывает снижение степени повышения давления. При этом давление и плотность воздуха на последних ступенях по­нижаются, а на первых - несколько повышаются по сравнению со зна­чениями на расчетном режиме. Следствием этого является увеличение отношения скоростей последней и первой ступеней С_аz/C_а1.

При уменьшении частоты вращения изменяется характер обтекания профилей лопаток компрессора. Возникают углы атаки набегающего потока воздуха, причем на первых ступенях они растут, а на послед­них уменьшаются и даже могут быть отрицательными. Это вызывает резкое снижение напора, создаваемого последними ступенями, и их КПД. В отдельных случаях, при существенных отклонениях от расчет­ных условий последние ступени компрессора могут перейти в турбин­ный режим работы (область отрицательных напоров), когда воздух в них будет не сжиматься, а расширяться.

Аналогичные явления протекают в компрессоре при уменьшении степени повышения давления. В этом случае уменьшающаяся плотность воздуха приводит к перераспределению осевых скоростей в его проточной части при неизменной окружной скорости. Здесь также происхо­дит увеличение осевых скоростей и коэффициентов расхода на пос­ледних ступенях и их снижение на первых.

При низких значениях температуры наружного воздуха возможно превышение степени повышения давления компрессора над расчетной. Это приводит к уменьшению отношения С_аz/C_а1. При постоянной час­тоте вращения указанное изменение может явиться следствием снижения скорости С_аz на входе в последнюю ступень компрессора и частичного роста скорости C_a1 на входе в первую ступень.

Таким образом, при данных условиях (низкой температуре и повышенной плотности воздуха) по сравнению с расчетными проход­ные сечения последних ступеней становятся слишком большими, а сечения первых ступеней лимитируют пропускную способность комп­рессора.

Средние ступени меньше подвержены влиянию ухудшения условий обтекания на переменных режимах работы компрессора.

При работе осевого компрессора на переменных режимах возника­ющие отклонения от расчетных величин могут быть значительными и явиться причиной неустойчивой работы и возникновения помпажа. Эти явления особенно резко проявляются на первых и последних ступенях компрессора. Промежуточные ступени оказываются более устойчивы при работе на переменных режимах.

ТУРБИНЫ. Для анализа их работы на переменных режимах исполь­зуют характеристики, построенные в безразмерных параметрах подобия: (G√T^*₃)/P^*₂ , Gn/P₂^* , Gn/P₁ , P₂^*/P₁ , L_ет/n² (P₂^*, T₃^* - давление и температура заторможенного потока газа на входе в турбину; Р₁ - давление за турбиной, равное атмосферному; L_ет - работа турбины; n - частота вращения турбины; G - расход
газа).

Общий вид характеристики турбины приведен на рис.3.9.

При работе турбины на переменных режимах в диапазоне нагру­зок от холостого хода до полной мощности ее параметры (мощность, частота вращения, КПД, расход газа) изменяются в достаточно широ­ких пределах. Ее проточная часть, спроектированная для расчетного режима, не может соответствовать изменившимся газодинамическим параметрам и новым условиям обтекания, поэтому возникает удар газа о кромки лопаток, образуются завихрения, происходит отрыв струй с лопаток турбины. Отрицательные последствия этих явлений тем больше, чем значительнее режим работы отклоняется от опти­мального. Особенно резко они проявляются при работе турбины на пониженной мощности.