КАК ОБЪЕКТА РЕГУЛИРОВАНИЯ

СТАТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГТУ

 

Статические свойства определяются и описываются характеристиками подвода совместно с характеристиками отвода; последние зависят от свойств нагрузочного агрегата - гребного винта. Поэтому рассмотрим совместную работу ГТУ и гребного винта.

Для определения свойств ГТУ как объекта регулирования совместим в координатах мощность – частота вращения характеристики подвода с характеристиками гребного винта фиксированного шага (рис. 9).

Рис.9. Совмещенные внешние и винтовые характеристики.

Самовыравнивание ГТУ.

Совмещение характеристик показывает, что для двигателя со свободной пропульсивной турбиной совместная работа с винтом возможна при любых режимах нагрузки – винтовых характеристиках, так как изменение частоты вращения свободной турбины под действием нагрузки в диапазоне от полной остановки до максимального скоростного режима очень мало влияет на режим газогенератора. Взаимное расположение характеристик подвода и отвода энергии в ГТУ, работающей на гребной винт, как объекте регулирования позволяет заключить, что ГТУ обладает свойством самовыравнивания. При изменении частоты вращения ТВ (при постоянном объемном расходе топлива), возникают избыточные моменты, Мд₁>Мс₁; Мд₂<Мс₂; возвращающие рабочую точку в место где выполняется условие: Мд₁=Мс₁; М₂=Мс₂.

Если теперь из начала координат в точку номинального режима провести прямую линию, то она будет характеризовать предельно допустимую мощность установки при различных значениях частот вращения и постоянном предельно допустимом моменте (рис.10).

Под предельно допустимой мощностью газотурбинной установки понимается такая мощность, при которой вращающие моменты, приложенные к различным её деталям, не превышают расчетных значений, соответствующих номинальным условиям работы.

N

M

n

Рис.10. Ограничение по предельно допустимой мощности ГТД.

На рис.11 показаны совмещенные характеристики ГТД при номинальном (Н) и частичном (Ч) расходах рабочего тела и винтовые характеристики I-III для различных условий работы судна. Пусть точка Асоответствует режиму при свободном ходе судна со скоростью, соответствующей частоте вращения гребного винта n_А.

Пологость кривой мощности в верхней её части свидетельствует о том, что максимальная мощность турбины в основном зависит от количества рабочего тела, протекающего в единицу времени, и мало зависит от частоты вращения турбины винта. Это свойство турбин обеспечивает получение высоких тяговых характеристик в широком диапазоне изменения нагрузок, что является важным свойством главного судового двигателя.

Из приведенного графика видно, что при возрастании сопротивления движению судна (кривая Ч, точка В) крутящий момент, развиваемый турбиной, возрастает. Если продолжить утяжелять винтовую характеристику, то крутящий момент будет продолжать расти, т.е. наблюдается саморегулирование системы, когда автоматически повышается крутящий момент при затормаживании гребного винта. При возрастании сопротивления гребного винта частота вращения двигателя и его мощность несколько снижаются (очевидно, что при снижении частоты вращения ТВ на ~13%, снижение мощности происходит на ~1,5%, а момент повышается на ~14%), причем гораздо меньше, чем это наблюдается у ДВС. Поэтому турбинные установки обладают более благоприятными тяговыми характеристиками, чем дизельные.

Рис. 11. Совмещенные внешние и винтовые характеристики ГТУ.

 

На рис.11 линия 1 характеризует предельную температуру газа Т_ги предельную частоту вращения турбокомпрессорных блоков n_{ткб макс}, линия 2 характеризует предельную частоту вращения ротора турбины винта n_тв, линия 3 характеризует минимально допустимый устойчивый режим работы газогенератора (устойчивость работы топливной аппаратуры).

При уменьшении сопротивления движению судна развиваемые турбиной момент и мощность уменьшаются (кривая III, точка С), а частота вращения гребного винта повышается. При достижении частоты вращения турбины винта 112…115% от номинальной сработает система автоматической защиты по частоте вращения турбины винта и прекратит подачу топлива в ГТД. Поэтому необходим постоянный контроль за частотой вращения гребных валов при маневрировании (на режимах, близких к номинальному). Система автоматического регулирования поддерживает постоянным объемный расход топлива, а не частоту вращения как у ДВС. Это связано прежде всего со спецификой эксплуатации ГТУ в военном флоте. Как правило, все ГТУ (имеется ввиду ГТУ с ГТД по схеме рис.2) представляют собой двухвальную пропульсивную установку (даже транспорты). При выполнении циркуляции или маневрировании одна линия вала разгружается и обороты её турбины растут, оператор при этом вручную должен корректировать подачу топлива в сторону уменьшения, а вторая линия вала переходит на более тяжелую винтовую характеристику, при этом температура газа перед турбиной высокого давления Т_г и обороты турбокомпрессоров n_ткб практически не меняются, и двигатель, работающий на более тяжелой винтовой характеристике, имеет снижение частоты вращения турбины винта и увеличение крутящего момента (мощность незначительно снижается). Рабочая точка при таком регулировании двигается по кривой подвода B –A – C.

Если допустить, что система автоматического регулирования будет поддерживать частоту вращения турбины винта n_A, то при циркуляции на режимах, близких к номинальному, двигатель, находящийся на утяжеленной винтовой характеристике, получит увеличение топливоподачи (рабочая точка двигается вверх по регуляторной характеристике), которое приведет к росту температуры газов перед турбиной высокого давления Т_г , что чревато пожогом лопаток газогенератора или в лучшем случае срабатыванием термозащиты и остановкой двигателя. При увеличении топливоподачи также возрастут частоты вращения турбокомпрессорных блоков n_ткб, что тоже может привести к поломке газогенератора.

Применительно к ГТД регулирование частоты вращения осложняется тем, что имеется, по крайней мере, две частоты вращения: газогенератора и пропульсивной турбины. Поэтому в первую очередь надо управлять частотой вращения газогенератора, т.к. он работает на высших параметрах цикла, превышение которых (главным образом, температуры) может привести к выходу его строя.

К программе регулирования ГТД при G_Т=constблизка программа регулирования при N_e=constтак как G_Т и N_e ГТД связаны друг с другом практически линейной зависимостью: для поддержания мощности с точностью до 1% необходимо поддерживать G_Т с точностью 0,6-1,0%.

В характерных для корабля условиях эксплуатации регулирование мощности ГТУ при G_Т=const позволяет более точно поддерживать скорость, чем при n_тв= const, обеспечивать стабильный режим работы газогенерирующей части и применять автоматические регуляторы простой конструкции.

На кораблях на воздушной подушке применена система автоматического поддержания частоты вращения турбины винта. При повышении нагрузки на двигатель оператор постоянно ведет контроль за температурой газов. В случае опасной скорости её роста при набросе нагрузки он выдает рекомендации по изменению загрузки двигателя (загрузка ГТД управляется с главного поста управления путем изменения шага винта). Здесь применяется предельная защита по оборотам турбокомпрессорного блока высокого давления, так как с ростом топливоподачи растет частота вращения турбокомпрессорных блоков.