При сбрасывании давления сжатого воздуха из полости над поршнем усилием возвратной пружины 7 подвижная система возвращается в исходное состояние.
Индикаторная диаграмма при отжиме пластин клапана в открытое состояние изображена на рис. VI.7, б. Кривая 1 соответствует отжатию пластин всасывающего клапана, а кривая 1 - нагнетательного клапана. Площади диаграммы, замыкаемые кривыми 1 и 1, характеризуют потерю энергии на преодоление депрессии в отжатых клапанах при ходе всасывания и сжатия. Штриховой линией на этом рисунке нанесены также индикаторная диаграмма компрессора при нормальной его работе.
Способ изменения производительности компрессора отжимом клапанов на части хода сжатия, называемый иногда динамическим отжимом пластин клапана, состоит в следующем. Потеря давления в искусственно открытом всасывающем клапане, когда через него возвращается газ из цилиндра компрессора, зависит от скорости движения поршня, а также от изменения объема газа и условий истечения его через проходное сечение и щели и седле клапана. Величина потери давления в зависимости от хода поршня изменяется от нуля в начале хода сжатия до максимального значения.
Пропорционально величине потери давления изменяется усилие, действующее на искусственно удерживаемые в открытом состоянии пластины всасывающих клапанов и направленное в сторону закрытия ими проходного сечения в седле клапана. Если удерживать пластины клапана в открытом состоянии с силой, меньшей максимальной, то в течение каждого хода сжатия газ из цилиндра компрессора будет возвращаться на сторону всасывания до тех пор; пока усилие, создаваемое потоком газа, не превысит усилие, которым исполнительное устройство отжимает пластины. Максимум усилия, создаваемого в результате потери давления, достигается в средней части хода сжатия. Практически удается устойчиво снизить производительность полости цилиндра со 100 до 10-15% номинальной, а иногда и ниже.
На рис. VI.7, в изображена индикаторная диаграмма компрессора при изменении производительности отжимом всасывающих клапанов па части хода сжатия.
Характеристикой компрессора динамического действия называется зависимость его основных рабочих параметров (таких, как отношение давлений , внутренняя мощность Nі, политропный (или изоэнтропный) КПД (или ), коэффициенты эффективной работы , теоретической работы или мощности ) от параметра, характеризующего производительность компрессора при различных фиксированных значениях безразмерной окружной скорости.
Универсальная характеристика двухступенчатого центробежного компрессора в координатах , , представляет собой семейство индивидуальных характеристик, каждая из которых получена при (Рис.6.14, а). Индивидуальные характеристики получают при испытаниях компрессора на специальных стендах, изменяя производительность дросселированием на нагнетании с помощью специальной заслонки или вентиля. При максимальной производительности из-за больших потерь в проточной части значения отношений давлений и КПД невелики. С уменьшением производительности потери в проточной части снижаются. При этом и КПД возрастают. Оптимальному режиму работы соответствуют наименьшие потери и максимальное значение КПД. Дальнейшее уменьшение производительности сопровождается снижением КПД. При минимальной или критической производительности наступает помпаж компрессора. Помпаж - это автоколебательный процесс в системе "компрессор-сеть", при котором давление нагнетания периодически резко снижается, а направление движения газа изменяется на обратное. При этом обычно слышны характерные "хлопки". Положение критической точки Б начала помпажа зависит не только от компрессора, но и от свойств сети: ее объема и частоты собственных колебаний находящегося в ней газа. Помпажу обычно предшествует вращающийся срыв в колесе или диффузоре. Работа компрессора в режиме помпажа недопустима, так как она сопровождается колебаниями ротора и может привести к аварии.
На поле кривых наносятся линии постоянного КПД, наглядно показывающие область оптимальной работы компрессора, в которой лежит точка А, соответствующая расчетному режиму работы. Характеристики отдельных ступеней часто строятся в координатах (Рис.6.14, б) и представляют собой экспериментальную основу при проектировании. Энергетические показатели центробежного компрессора в эксплуатации определяются как его характеристикой, так и сетью, на которую она работает. Для компрессора паровой холодильной машины, например, сетью является система теплообменных аппаратов: испаритель, конденсатор и соединительные трубопроводы. Допустим, что при расчетном режиме совместная работа компрессора и сети определяется точкой А. Рассмотрим изменение режима работы, при котором холодопроизводительность уменьшается, а средние температуры источников остался неизменными (Рис.6.14, в). Перепады температур и уменьшением Q0 (и массового расхода G) также будут уменьшаться.
Это приведет к снижению давления конденсации и увеличению давления кипения. Отношение давлений должно уменьшаться (кривая 1 на Рис.6.14, а). В нерегулируемом же компрессоре с уменьшением производительности в соответствии с характеристикой (Ми=1,1) будет возрастать. Поэтому для обеспечения нормальной работы холодильных машин применяют различные способы регулирования центробежных компрессоров. Эти же методы регулирования работы турбомашин применяются и в других установках. Рассмотрим их.
Регулирование перепуском или байпассированием, при котором сжатый газ со стороны нагнетания пере пускается через дроссельное устройство на сторону всасывания. Энергетически это самый неэффективный из методов регулирования, однако он очень просто осуществляется и обладает неограниченной глубиной регулирования. Поэтому его, к сожалению, часто применяют в процессе эксплуатации.
Регулирование дросселированием на нагнетании достигается за счет установки дроссельного устройства на нагнетательной линии. С его помощью можно уменьшить производительность только до точки Б, в которой наступает помпаж компрессора. Этот метод также энергетически невыгоден.
Регулирование изменением частоты вращения (Рис.6.15, а) позволяет работать при достаточно высоких значениях КПД, но его возможности для характеристики сети 1 также невелики, так как производительность может быть уменьшена только до точки В.
Регулирование дросселированием на всасывании (Рис.6.15, б) осуществляется с помощью дроссельного устройства, располагаемого перед входом в компрессор. По мере прикрытия дросселя характеристики компрессора сдвигаются в сторону меньших расходов с одновременным уменьшением отношения давлений и КПД. Таким способом можно уменьшить производительность до точки Г. Энергетическая эффективность дросселирования на всасывании выше, чем дросселирования на нагнетании, но уступает регулированию изменением частоты вращения.
Регулирование закруткой потока при входе в колесо с помощью входного регулирующего аппарата (ВРА) получило широкое распространение в центробежных компрессорах (Рис.6.16). Закрутка потока по вращению колеса на угол вызывает появление положительной проекции скорости c1 на окружное направление с1u >0 и значит (Рис.6.17). При этом в соответствии с уравнениями, определяющими коэффициент мощности , внутреннюю удельную работу ступени и теоретическую (Эйлерову) работу коэффициент мощности , теоретическая и внутренняя удельные работы будут уменьшаться. Вследствие этого уменьшится и отношение давлений в ступени. Это особенно заметно при высокой производительности (Рис.6.17, а), когда достигает наибольших значений.
По мере снижения производительности (Рис.6.17, б) величина проекции становится меньше, поэтому параметры , и приближаются к своим значениям при отсутствии закрутки потока, когда. Вследствие этого характеристики ступени смещаются в сторону меньших значений производительности (см. Рис.6.16). Относительная скорость , а значит и потери в колесе при положительной закрутке потока уменьшаются, поэтому при малых КПД ступени может даже несколько увеличиваться по сравнению с КПД при . При больших из-за потерь в ВРА КПД ступени уменьшается.
Закрутка потока против вращения на угол вызывает появление отрицательных и . Вследствие этого , и увеличиваются. Так как при этом относительная скорость тоже увеличивается (Рис.6.17, а), а с нею возрастают и потери в колесе, то КПД ступени снижается. Регулирование с помощью ВРА позволяет уменьшить производительность компрессора до точки Д (рис 6.14, а), что соответствует уменьшению производительности до 40-45% от номинальной. Важно отметить, что при регулировании с помощью ВРА отношение давлений с уменьшением производительности также уменьшается (см. Рис.6.16), поэтому этот способ благоприятен для характеристики сети 1. Нужно заметить, что ВРА устанавливаются почти на все отечественные холодильные центробежные компрессоры.
Регулирование поворотом лопаток диффузора позволяет уменьшить производительность ступеней до 5-10% от номинальной. На Рис.6.18 представлены характеристики центробежной ступени при углах установки лопаток диффузора , причем в принципе возможно дальнейшее уменьшение до . Максимальный КПД ступени при уменьшении снижается в основном за счет увеличения потерь в колесе при его работе с большими углами натекания на лопатки. При очень малых углах () потери в лопаточном диффузоре также несколько возрастают. Отношение давлений в ступени при регулировании поворотом лопаток диффузора зависит от величины лопаточного угла. При =15...45° с уменьшением отношение давлений возрастает. Это объясняется тем, что коэффициент теоретической работы таких колес увеличивается с уменьшением коэффициента расхода (Рис.6.9). При =60° отношение давлений примерно постоянно, так как небольшой для такого рост с уменьшением расхода компенсируется увеличением потерь в колесе и диффузоре при малых . При =90° по той же причине отношение давлений падает при уменьшении . При работе на сеть с характеристикой 1, вдоль которой с уменьшением производительности снижается, КПД ступени с колесом =45° (Рис.6.18) будет близок к максимальному только при больших (=14...10°). С уменьшением КПД в точке совместной работы ступени и сети будет ниже максимального. Из сопоставления характеристик, приведенных на Рис.6.16 и 6.18, видно, что вследствие этого КПД ступени с БЛД, регулируемой поворотом лопаток ВРА, и той же ступени, регулируемой поворотом лопаток диффузора, при работе на сеть с характеристикой 1 будет примерно одинаковым, несмотря на то, что максимальные КПД у ступени с ЛД на 1-4% выше, чем у ступени с БЛД. Это показывает, что сравнение эффективности различных способов регулирования производительности возможно только при совместном рассмотрении характеристик компрессора и сети, на которую он работает.
Комбинированное регулирование производительности позволяет получить наилучшие показатели компрессора при работе на сеть с заданной характеристикой. Так, если одновременно с уменьшением угла (Рис.6.18) снижать частоту вращения ротора, то можно обеспечить работу ступени на сеть 1 с максимальным КПД. Необходимое для этого уменьшение частоты вращения находится в пределах 5-10% от номинальной. При малых максимальный КПД ступени может быть дополнительно увеличен, если с помощью ВРА закрутить поток в направлении вращения колеса. При этом возрастает угол на входе в колесо (см. Рис.6.17), уменьшается угол нагнетания на лопатки и, следовательно, потери в колесе. Такое комбинированное регулирование позволяет получить более высокие значения КПД (на 5-10%) при наибольшей глубине изменения производительности и является перспективным для центробежных компрессоров.
При эксплуатации холодильных машин часто возникают колебания температуры окружающей среды, например сезонные, и связанные с ней температуры и давления конденсации. Если при этом необходимо поддерживать постоянными температуру кипения и холодопроизводительность, то с уменьшением давления конденсации отношение давлений и массовая производительность G будут уменьшаться, так как удельная холодопроизводительность будет возрастать (см. Рис.6.14, в, где ). В результате характеристика сети представится линией 1 (см. Рис.6.14, а-6.16, 6.18).
Как видно из рассмотренных примеров, область, в которой могут лежать характеристики сети холодильных машин, при одновременном изменении холодопроизводительности и температуры конденсации располагается левее линии 1 (см. Рис.6.14, а) и весьма обширна. Поэтому применение наиболее эффективных способов регулирования приобретает особое значение, так как позволит значительно повысить КПД компрессора при его работе на сеть.
Простейшая схема одновальной газовой турбины постоянного горения изображена на фиг.160. Воздух при температуре Т1 и давлении р1 поступает в компрессор 1, в котором он сжимается до некоторого давления р4, и температура его при этом возрастает до T4. Из компрессора воздух поступает в камеру сгорания 1, где его температура повышается за счет сжигания топлива, поступающего через форсунку 4. Продукты сгорания при достаточно высоком давлении и при высокой температуре подводятся к турбине 1, в которой совершается расширение газа до давления р1 и температуры T1. В лопаточном аппарате турбины потенциальная энергия газа преобразуется в кинетическую энергию, которая частично используется в виде механической работы, совершаемой посредством рабочих колес и вала.
Температура газа перед турбиной ограничивается из соображений прочности ее деталей и обычно выбирается значительно ниже той, которая получается в камере сгорания при небольших избытках воздуха, требуемых для полного сгорания топлива. В камере сгорания газотурбинных установок для поддержания надлежащей температуры газа перед турбиной подмешивается дополнительное количество воздуха с целью охлаждения газа; по этой причине для ГТУ характерен большой избыток воздуха.
Основные задачи регулирования газовой турбины заключаются в том, чтобы, во-первых, обеспечить возможность ее работы при всех режимах, предусмотренных проектом и допускаемых конструкцией двигателя, и, во-вторых, поддерживать скорость вращения рабочей машины в заданных пределах, а также быстро и безопасно переводить двигатель с одного режима работы на другой. Первая задача относится к статике регулирования газовых турбин, вторая - к динамике регулирования.
Водяные или паровые турбинные установки имеют большие аккумуляторы воды или тепла, что дает возможность управлять машинами путем изменения расхода рабочего тела. Газотурбинные установки такими аккумуляторами не располагают, и единственным источником, позволяющим регулировать ход машины, является топливо, сжигаемое в камере сгорания. Путем изменения расхода тепла можно оказывать влияние на параметры газа перед турбиной, что, в свою очередь, сказывается на удельной выработке энергии и на расходе рабочего тела.
Таким образом, регулировать скорость газовой турбины можно путем воздействия регулятора 5 на распределительные органы топлива. Изменение расхода топлива прежде всего сказывается на температуре продуктов сгорания, а это, в свою очередь, вызывает изменение также других параметров газа. В зависимости от величины этих последних изменений будем различать регулирование с мало меняющимся (первого рода) и сильно меняющимся (второго рода) расходом воздуха.
Регулирование первого рода осуществляется путем изменения температуры газа перед турбиной Т1. Это средство является наиболее, простым и вместе с тем достаточно сильным для того, чтобы ГТУ могла работать на любом предусмотренном режиме. Вместе с изменением температуры меняются также давление и расход газа G турбиной. Поэтому на универсальной диаграмме (фиг.161) в зависимости от температуры Т1 меняется также характеристика турбины АВ. Изменение давления газа перед турбиной сказывается и на изменении количества воздуха AG, подаваемого компрессором.
Для одновальной газотурбинной установки, приводящей во вращение электрический генератор, изменение скорости вращения происходит лишь в небольших пределах, и рабочая линия изображается, на универсальной диаграмме приблизительно отрезком ab, находящимся на линии CD - характеристике компрессора, построенной для n=const (фиг.161). Точка а пересечения характеристик турбины и компрессора отмечает режим, при котором наступает материальный баланс и, следовательно, возможный режим установившейся работы ГТУ.
Возможно также дросселировать перед турбиной весь поток или его часть с целью изменения теплового перепада и расхода. Такой способ регулирования малоэкономичен, и он находит иногда применение лишь как вспомогательное средство, позволяющее осуществлять некоторые режимы работы газотурбинной установки. Регулирование первого рода при частичных нагрузках вызывает значительное снижение экономичности двигателя, главным образом вследствие падения температуры перед газовой турбиной.
Регулирование второго рода осуществляется в значительной мере за счет изменения скорости вращения компрессора, что, в свою очередь, вызывает изменение количества рабочего тела, подводимого к газовой турбине. При этом на универсальной диаграмме две точки а и b рабочей линии лежат на различных характеристиках компрессора CD и CD', которым соответствуют различные скорости вращения (фиг.161). Так как вместе с тем меняются и параметры рабочего тела, то точкам а и b соответствуют также различные характеристики турбины АВ и А'В', построенные для измененной температуры перед турбиной. Регулятор скорости и здесь воздействует на распределительные органы топлива, и только в результате изменившихся температур за камерами сгорания следует изменение скорости вращения компрессора.
Надежность и качество работы ГТУ в значительной мере зависят от автоматических устройств для управления установкой. Задачи регулирования заключаются в том, чтобы обеспечить надежную работу ГТУ на всех необходимых режимах и высокое качество переходного процесса. Для решения этих задач прежде всего отметим особенности движения и процессов в основных элементах ГТУ.
Простейшая схема конденсационного турбогенератора изображена на фиг.100. Турбина 1 приводит во вращение электрический генератор 1. Пар в турбину поступает через клапан 1. Между клапаном и лопаточным аппаратом турбины расположен паровой объем 5. Значительные паровые объемы могут также находиться между отдельными частями лопаточного аппарата турбины (в двухцилиндровых турбинах и особенно при наличии промежуточного перегрева). Пар из турбины поступает в конденсатор 4.
Пар к турбине подводится из паровых котлов, аккумулирующая способность которых во многих случаях настолько велика, что их в расчетах регулирования можно приближенно считать неограниченным источником рабочего тела, благодаря чему давление и температуру пара перед турбиной в процессе регулирования можно принимать постоянными. В установках с парогенератором, обладающим аккумулирующей способностью лишь в слабой степени, процессы регулирования в турбине и котле следует рассматривать совместно.
Страницы: 1, 2, 3
