Системы защиты газотурбинной установки

В ГТУ применяют защиту по параметрам:

1) относящимся к области управления ГТУ. К этой группе относятся защитные устройства по частоте вращения роторов турбин, по температуре газа перед ТВД и противопомпажные устройства;

2) изменяющимся в эксплуатационных условиях; к ним относятся давление смазочного масла подшипников турбокомпрессора и главного редуктора, давление топлива после топливоподкачивающего насоса, давление рабочей среды в системе регулирования, осевой сдвиг ротора.

Защитные устройства по принципу действия делятся на ограничительные, которые уменьшают подачу топлива при достижении защищаемым параметром предельного значения, и предельные, которые либо полностью прекращают подачу топлива, либо переводят ГТУ на холостой ход.

Как правило, защитные устройства воздействуют на регулятор расхода топлива, который и осуществляет уменьшение подачи топлива к форсункам. В качестве чувствительных элементов защитных устройств применяются в основном такие же, как и в системах автоматического регулирования. Исключение составляет противопомпажное устройство, которое предназначается для защиты от помпажа компрессора при работе на всех возможных режимах ГТУ.

Такая защита достигается за счет автоматического стравливания части воздуха из нагнетательного трубопровода компрессора в атмосферу либо обратно на всасывание на режимах работы, близких к неустойчивой области. В настоящее время применяют разнообразные схемы противопомпажных устройств, в которых воздушные клапаны сброса управляются регуляторами, работающими на различных принципах; эти схемы включают в себя иногда элементы логики. Одна из возможных схем противопомпажного устройства КВД приведена на рис. 82. На приведенной схеме устройство состоит из гибкой ленты, которая охватывает корпус компрессора в районе одной из промежуточных ступеней. Под лентой расположены отверстия, через которые (при их открытии) осуществляется стравливание воздуха. Подпружиненный сервомотор управляется через усилительное устройство системой логики, формирующей сигнал управления.

Защитное устройство от осевого сдвига выполняется обычно в виде струйного реле и является аналогичным рассмотренному в паровых турбинах (см. рис. 72).

 

Рис. 82. Схема противопомпажного устройства

 

Характерной особенностью газотурбинного двигателя как объекта регулирования частоты вращения ротора является большая инерционность. Поэтому в случае резкого увеличения подачи топлива в камеру сгорания при набросе нагрузки сгорание топлива некоторое время будет происходить при пониженном коэффициенте избытка воздуха, в результате чего температура газов значительно повысится и превзойдет допустимые пределы, а в компрессоре могут возникнуть помпажные явления. В связи с этим резкое увеличение подачи топлива в камеру сгорания является недопустимым.

Для обеспечения необходимого качества переходного процесса при набросе нагрузки в состав САР вводятся устройства приемистости. Приемистостью двигателя называется способность его к переходу от одного режима к другому.

С количественной стороны приемистость оценивается продолжительностью нормального перехода с режима малого хода до полного. Для обеспечения надлежащей приемистости, которая получается при оптимальном темпе изменения подачи топлива, в системы регулирования включают соответствующие автоматические устройства.

Наиболее целесообразным было бы автоматическое устройство программного либо ограничивающего типа, регулирующее температуру газа. Однако в связи с малой надежностью датчиков температуры, повышенной инерционностью, а также неравномерностью распределения температур в потоке газа перед турбиной прибегают к регулированию по косвенным параметрам либо осуществляют программное регулирование в функции времени. Схема устройства приемистости, выполненного в виде ограничителя нарастания давления, а, следовательно, и расхода топлива (ОНД), приведена на рис. 83. Ограничитель нарастания давления подключен к топливной магистрали высокого давления, подающей топливо от насоса к форсункам. При увеличении подачи топлива давление в топливной магистрали повысится, в результате чего нижний поршенек (ОНД) поднимется и сообщит топливную магистраль со сливом. В последующий момент топливо будет поступать также (через дроссельный клапан) в полость между поршеньками, в результате чего нижний поршенек будет опускаться вниз и перекрывать сливные окна. Давление и расход топлива через форсунки будут плавно увеличиваться. Продолжительность периода нарастания давления регулируется степенью открытия дроссельного клапана.

 

Рис. 83. Схема ограничителя нарастания давления

 

В качестве обобщения изложенного рассмотрим схему САР спаренной установки ГТУ-20 газотурбохода отечественной постройки «Парижская коммуна», изображенную на рис. 84.

На данной системе регулирования введены следующие обозначения:

1 — импеллер ТКНД; 2 — импеллер ТКВД; 3 — ограничительный регулятор частоты вращения ТКНД; 4 — всережимный регулятор частоты вращения ТКВД; 5 — преобразователь масло-воздух ТКВД; 6 — то же, ТКНД; 7 — блок коррекции по ускорению ТКНД; 8 — объединенный штурвал «винт-газ» в ЦПУ; 9 — следящий электропривод; 10 — кулачковый вал пульта управления в ЦПУ; 11 — пульт управления в рулевой рубке; 12 — клапан подачи воздуха из задержки перекладки; 13 — баллон системы задержки перекладки; 14 — рукоятка корректора шага; 15 — кулак задания шага (коноид); 16 — ограничитель шага ВРШ; 17 — сельсин-задатчик положения лопастей; 18 — рукоятка ручной коррекции; 19 — задатчик угловой скорости винта; 20, 22 — задатчики угловой скорости ТКВД; 21 — на ГТД второго борта; 23 — корректор топливоподачи; 24 — регулятор расхода топлива; 25 — распределительный клапан форсунок; 26 — форсунки; 27 — камера сгорания; 28 — ТКВД; 29 — ТКНД; 30 — механизм изменения шага; 31 — ВРШ.

Рассматриваемая САР имеет всережимный регулятор частоты вращения ТКВД и ограничительный ТКНД. Частота вращения ТКНД регулируется изменением шага гребного винта.

На валу 10 пульта управления установлены профилированные кулаки. Два из них воздействуют на пневмозадатчики газа 20 и 22, предназначенные для установления режима работы турбин правого и левого бортов. Рабочий воздух из пневмозадатчиков поступает в верхнюю полость мембранного устройства регулятора расхода топлива 24, который изменяет давление, а следовательно, и расход топлива перед форсунками 26. Одновременно воздух от пневмозадатчика поступает в верхнюю мембранную полость всережимного регулятора 4 ТКВД. Третий кулак воздействует на задатчик частоты вращения винта 19. В случае превышения максимальной частоты вращения винта ограничительный регулятор 3 воздействует на регулятор расхода, уменьшая подачу топлива.

Для улучшения динамических характеристик в регуляторе 4 введено дополнительное воздействие по производной, которое конструктивно осуществлено следующим образом.

Воздух, выходящий из преобразователя 5, изменяет свое давление соответственно частоте вращения ротора турбокомпрессора. В регулятор частоты вращения 4 из преобразователя 5 воздух поступает по двум каналам — непосредственно и через дроссельный клапан с емкостью. Комбинация емкости и дросселя в переходном режиме создает сигнал, пропорциональный производной от изменения давления или частоты вращения ротора. Управление установкой может осуществляться либо из ЦПУ при помощи штурвала 8, либо с пульта 11 из рулевой рубки.

 

Рис. 85. Схема пульта управления ГТУ

 

В общем случае посты управления ГТУ выполняются в виде пульта и содержат группу панелей (рис. 85):

панель управления, на которой смонтированы рукоятки управления режимами работы ГТУ и обслуживающими ее механизмами (панель А);

панель сигнализации, на которой изображены мнемосхемы установки и расположены сигнальные лампы (панель Б);

панель контрольно-измерительных приборов (панель В).

Пульт управления может включать в себя также ряд специальных автоматических устройств, таких, как системы управления пуском ГТУ, системы управления реверсом и др. Описание этих устройств приводится в специальной литературе.

 

Вопросы для самоконтроля:

1. Назвать основные характеристики газотурбинных установок (ГТУ).
2. Как осуществляется регулирование температуры газа в ГТУ?
3. По каким параметрам применяют защиту в ГТУ?

Литература [6, 8].

 

 

 

Рис. 84. Система регулирования ГТУ-20.

 

ГЛАВА 7