Введение к работе
Актуальность работы Тенденция повышения цен на углеводное топливо поставила задачу по повышению экономичности морских газотурбинных двигателей и энергетических установок Повышение экономичности современных газотурбинных двигателей (ГТД) связано с использованием тепла выпускного газа Один из способов использования тепла выпускного газа - утилизация тепла в парогенераторе Это позволяет получить в паровом теплоутилизационном контуре (ПТУК) дополнительную мощность, создаваемую паровой турбиной
Использование ГТД с ПТУК для передвижных электростанций и морских судов с динамическим принципом поддержания возможно при существенном упрощении конденсационной системы ПТУК путем замены вакуумной конденсации отработавшего в паровой турбине пара на атмосферную конденсацию с применением воздуха окружающей среды для охлаждения пара Однако, теория ГТД с ПТУК к настоящему времени еще недостаточно разработана, примеры реализации, выполненные в России и США резко различаются по параметрам рабочих сред, как по газовой, так и паровой частям
Разработанные в шестидесятых годах прошлого века методы регулирования мощности морских (и энергетических) газотурбинных двигателей очень упрощены и не позволяют учесть влияние затрат сжатого воздуха для охлаждения деталей газовых турбин, а также изменение расхода топлива и геометрии сопловой решетки первой ступени силовой турбины на параметры газотурбинного двигателя
В настоящее время недостаточное внимание уделяется вопросам регулирования ГТД электрическими средствами Отсюда в качестве одной из основных задач данной работы является разработка математической модели системы регулирования частоты ГТД с помощью управляющего электропривода При этом обязательным условием является учет в модели проявление таких физических явлений, как сухое трение и люфт, приводящие к потере устойчивости
Цель работы. 1) Разработка метода оценки эффективности ГТД с ПТУК на номинальных режимах работы с учетом изменения теплоемкости рабочих сред, методов расчета параметров ГТД и ПТУК на долевых режимах работы и методов рационального и оптимального регулирования мощности,
2) Обеспечение устойчивости стационарных режимов работы ГТД при использовании управляющего электропривода
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи
определены рациональные параметры ГТД при наличии ПТУК,
определены рациональные параметры пара в паровом контуре при атмосферной конденсации отработавшего пара,
исследованы долевые режимы работы морских ГТД с ПТУК как по газовой, так и паровой частям,
найдены способы оптимального и рационального регулирования ГТД при ПТУК,
разработана математическая модель системы автоматического регулирования частоты ГТД с учетом присущих исполнительному механизму электропривода таких физических явлений, как сухое трение и люфт,
аналитически определены условия отсутствия релаксационных (фрикционных) колебаний в исполнительном механизме управляющего электропривода,
аналитически определены условия устойчивости контура регулирования частоты вращения ГТД при использовании управляющего электропривода для регулирующих органов
Методы исследования Поставленные в работе задачи решались методами вариационного исчисления, линейной алгебры и газовой динамики невязкой жидкости, строгими аналитическими методами теории колебаний, теории точечных отображений и теории автоматического регулирования
Научная новизна В процессе исследований получены и выносятся на защиту следующие научные положения
способ учета влияния давления и температуры рабочей среды на ее изобарную теплоемкость в процессах сжатия и расширения,
математическая модель высоконапорного осевого компрессора,
метод расчета параметров ГТД с ПТУК на долевых режимах работы при неизменяемой геометрии силовой турбины,
способ регулирования мощности многорежимного ГТД при заданной топливной характеристике двигателя на долевых режимах работы,
метод оптимального регулирования мощности морского ГТД,
метод расчета параметров ПТУК на долевых режимах работы,
математическая модель системы автоматического регулирования частоты ГТД с учетом сухого трения и люфта в электроприводных исполнительных механизмах,
аналитически найденные условия отсутствия релаксационных колебаний в исполнительном механизме электропривода при наличии в нем сухого трения,
аналитически найденные условия устойчивости системы автоматического регулирования частоты вращения ГТД с помощью управляющего электропривода при наличии в исполнительном устройстве сухого трения и люфта
Практическая значимость работы 1) Предлагаемый способ учета изменения теплоемкости рабочей среды позволяет учесть влияние давления и температуры рабочей среды на ее теплоемкость,
Выполненный в работе расчет эффективности ГТД с ПТУК позволяет определить рациональные параметры и конструктивный образ ГТД с ПТУК при атмосферной конденсации пара,
Предлагаемый метод расчета параметров ГТД с ПТУК на долевых режимах работы может быть использован при исследовании динамики ГТД с ПТУК,
Разработанный способ рационального регулирования мощности многорежимного ГТД позволяет определить параметры двигателя при заданной его топливной характеристике на долевых режимах работы,
Новый способ оптимального регулирования мощности ГТД при ПТУК позволяет обеспечить минимальный расход топлива на каждом долевом режиме работы ГТД,
Разработанная в работе математическая модель управляющего электропривода предоставляет возможность получать новые знания о причинах появления в исполнительных механизмах электроприводов релаксационных колебаний и проектировать электроприводы с параметрами, заведомо исключающими возникновение подобных явлений,
Решение задачи устойчивости системы автоматического регулирования частоты вращения при учете таких существенных нелиней-ностей как «мертвая зона», «скачок», «гистерезис» позволяет понять причины возникновения в таких системах автоколебательных режимов и найти пути их устранения
Реализация результатов работы Полученные в работе результаты внедрены в СПбГМТУ на кафедрах «Судовые турбины и турбинные установки», «Судовая автоматика и измерения», «Электротехника и электрооборудование судов» в учебный процесс подготовки специалистов по специальностям 180103 - «Судовые энергетические установки», 180201 - «Системы электроэнергетики и автоматизации судов», 180202 - «Системотехника объектов морской инфраструктуры» Результаты также внедрены на предприятии ООО «Технический центр - «НЕПТУН-ДИЗЕЛЬ»
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научно-технических конференциях 1) "Кораблестроение, образование и наука - 2003", СПбГМТУ, май 2003г, 2) «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика», Санкт-Петербург, июнь 2005, СПб ГПУ, 3) «Кораблестроительное образование и наука-2005», СПбГМТУ, октябрь 2005г, 4) «Военная радиоэлектроника опыт использования и проблемы, подготовка специалистов - 2005», Петродворец ВМИРЭ им А Попова, март 2005г, 5) «Вузовская наука - региону», Вологда, февраль 2006г, 6) «Военная радиоэлектроника опыт использования и проблемы, подготовка специалистов - 2006» , Петродворец ВМИРЭ им А Попова, март 2006г, 7) на III межвузовской конференции молодых ученых, апрель 2006,
СПбГУ итмо
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав с основными выводами, заключения и списка использованной литературы из 115 наименований, приложения
Объем работы 225 страниц текста, 12 таблиц, 87 рисунков Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 статей и 1 депонированная рукопись, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК в личном 1 и в соавторстве 1, доля автора 60%.
