Газотурбинная установка и способ ее запуска. Запуск газотурбинного двигателя


Основные способы запуска гтд

Основными способами запуска газотурбинного двигателя являются:

1) Электростартерный запуск, когда применяются стартеры прямого действия - ГС, ГСР-СТ, СТГ.

2) Турбостартерный запуск с помощью электростартера. Достигается высокая мощность при малом расходе энергии.

3) Пневматический запуск. В этом случае сжатый воздух подается либо от аэродромного источника, либо от бортового туброкомпрессора.

Методы управления электростартерами в процессе запуска ГТД

Разгон электростартера типа ГСР-СТ осуществляется ступенчато:

На первом этапе запуска в цепь якоря электростартера включается пусковое сопротивление Rп, при ток якоря и момент небольшой. В начальный момент запуска частота вращения мала, и благоприятна для выборки люфтов в схеме запуска, осуществляется безударная сцепка выходного вала стартера с валом стартера.

По мере роста частоты вращения ток в якорной цепи уменьшается:

На втором этапе пусковое сопротивление Rп шунтируется. Ток якоря резко возрастает, увеличивается частота вращения. С ростом оборотов ток якоря падает.

На третьем этапе аккумуляторные батареи с параллельного включения переключаются на последовательное, при этом напряжение возрастает с 24 В до 48 В (схема запуска 24/48). С увеличением Iя возрастают обороты, что приводит к снижению тока якоря.

На четвертом этапе в цепь параллельной обмотки возбуждения стартера включается Rдоп При этом увеличивется ток якоря, возрастают обороты вращения, это приводит к уменьшению тока якоря.

В стартерах типа СТГ, которые имеют только параллельную обмотку возбуждения, разгон в процессе запуска осуществляется плавно. При этом снижаются потери энегрии и повышается КПД при запуске АД. Плавные изменения магнитного потока в процессе запуска осуществляется с помощью угольного регулятора тока типа типа РУТ.

В отличие от угольного регулятора напряжения (УРН), в РУТ электромагнитные усилия не растягивают, а сжимают угольный столб.

Система запуска гтд со стартер-генераторами гср-ст

Данная система запуска является комбинированной, а по методу с управления со ступечатым изменением параметров.

Рис.1 Структурная схема

Принцип действия: от аппаратуры управления сигнал поступает на стартер-генератор (С-Г). Стартер-генератор через редуктор раскручивает ротор АД.

Управление системами запуска АД, такими как агрегаты пускового топлива, системы зажигания, электромагнитами клапанами перепуска воздуха, осуществляется в функции времени от аппаратуры управления.

Конечная операция по запуску двигателя осуществляется в функции частоты вращения и реализуется от центробежного датчика, сигнал с которого поступает в аппаратуру управления. После запуска АД С-Г переключается в генераторный режим работы.

В данных системах часто используются С-Г типа ГСР-СТ-12000. В качестве системы управления - автомат времени типа АВ7-44 и коробку пусковых реле КПР-15А.

Данная автоматизированная система обеспечивает:

автономный запуск на земле

запуск от аэродромного источника электроэнергии

запуск в воздухе

холодную прокрутку авиадвигателя

studfiles.net

Системы запуска газотурбинных двигателей

Запуском авиадвигателя (АД) называется процесс вывода его на минимальный режим устойчивой работы, т.е. на режим малого газа (МГ).

Чтобы запустить двигатель необходимо выполнить условие:

Принудительно раскрутить ротор АД (за счет энергии внешних источников) и создать такую частоту вращения, при которой обеспечивалось бы необходимое количество воздуха в камере сгорания и давление воздухо-воздушной смеси

Необходимо подвести пусковое топливо

Воспламенить пусковое топливо

В очаг пламени подать топливо и обеспечить устойчивую работу авиадвигателя

Перечисленные условия выполняются специальными пусковыми устройствами: стартерами, пусковыми топливными системами, системы зажигания и аппаратуры управления.

Запуск АД является важным моментом, т.к. он существенно влияет на боеготовность самолета. Исходя из этого, к системам запуска предъявляется ряд требований:

Обеспечение надёжности запуска

Минимальное время запуска

Автоматизация всех операций при запуске

Обеспечение автономного запуска

Основные этапы запуска

В процессе запуска ГТД стартер преодолевает два момента - Мс и Мдин.

где j - момент инерционных сил, а n - частота вращения. В процессе запуска Мтрения = const. Основное сопротивление стартеру в момент раскрутки представляет момент компрессора Мк, который увеличивает степень сжатия воздуха:

Процесс запуска АД может быть представлен в виде трех этапов, следующих один за другим.

На первом этапе, который осуществляется от начала раскрутки ротора до пусковой частоты вращения n1. В раскрутке ротора участвует только стартер. При n1 в камере сгорания создается расход воздуха и давление, которое является благоприятным для воспламенения топливо-воздушной смеси. В конце первого этапа включается система зажигания и пусковая топливная система. Происходит воспламенение т-в смеси, в очаг пламени впрыскивается рабочее топливо и начинает работать турбина.

На втором этапе ротор АД раскручивается под действием момента стартера и момента турбины. При частоте вращения n2 момент турбины равен:

Частота вращения n2 является такой, при которой АД работает в неустойчивом режиме. Поэтому необходимо производить дальнейшую раскрутку ротора АД до частоты сопровождения n3.

На третьем этапе. При n3 турбина имеет избыточный момент, достаточный для раскрутки ротора АД и стартер можно отключать.

От n3 до n4 турбина раскручивает ротор АД и при частоте вращения n4 двигатель выходит на режим устойчивой работы, т.е. на режим малого газа.

В некоторых двигателях все три этапа запуска не являются обязательными. Может отсутствовать третий режим.

Мощность стартера выбирается таким образом, что Мстарт.>Мстатич.

Для ускорения процесса запуска АД мощность стартера имеет следующую зависимость: для повышения скорости запуска в два раза, мощность стартера надо увеличить в четыре раза.

Особенности запуска на земле и в воздухе

Особенностью запуска в воздухе является то, что за счет набегающего потока воздуха авиадвигатель авторотирует, т.е. самовращается. Поэтому для запуска АД в воздухе достаточно подать и поджечь топливо. Для надёжного запуска на больших высотах необходимо так же осуществлять подпитку кислородом. Иногда применяют встречный запуск, т.е. на работающем АД включается пусковая топливная система, система зажигания и кислородной подпитки в момент, предшествующий возможному срыву потока в пламени камере сгорания.

При запуске АД на земле различают:

автономный запуск (от бортовых источников питания)

запуск от аэродромного источника

ложный запуск

консервация (используется когда необходимо длительное хранение самолета. При этом вместо керосина подается масло. Осуществляется раскрутка АД, происходит смазка двигателя, система зажигания не включается.

При расконсервации - обратные процессы):

холодная прокрутка АД (ХПАД - топливо не подается и зажигание не включается. Используется для проверки пусковых агрегатов АД, а так же в случае неудавшегося запуска)

Для облегчения запуска на земле желательно снижение Мкомпрессора. Для этого часть воздуха, проходящего через компрессор, сливается в атмосферу через клапаны перепуска воздуха, которые находятся за 2-3 ступенью компрессора.

При запуске АД на земле для исключения перегрева двигателя и облегчения запуска на самолётах с регулируемым выходным соплом, створки сопла открываются на максимальную величину.

studfiles.net

Способ запуска газотурбинного двигателя

 

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности к способам запуска авиационных турбореактивных двигателей. Способ запуска газотурбинного двигателя, включающий раскрутку его ротора от одного или нескольких внешних источников энергии, для двигателя с охлаждаемой турбиной, при его запуске в полете или на земле во внештатных условиях раскрутку ротора осуществляют путем подачи сжатого воздуха в систему охлаждения турбины двигателя, а при запуске двигателя на земле в штатных условиях одновременно с подачей сжатого воздуха в систему охлаждения турбины осуществляют подвод механической энергии к валу ротора двигателя. Данный способ позволяет значительно повысить эффективность запуска за счет оптимального сочетания подвода механической энергии и подвода энергии от сжатого воздуха в систему охлаждения, поднять надежность запуска в нештатных ситуациях, а также обеспечить запуск двигателя в условиях, при которых ранее запуск был невозможен. 9 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности к способам запуска авиационных турбореактивных двигателей.

Известен способ запуска газотурбинного двигателя, заключающийся в раскрутке его ротора от одного или нескольких внешних источников энергии, в частности путем подвода к ротору двигателя механической энергии от газотурбинного и пороховых стартеров (1).

Основным недостатком рассматриваемого способа является то, что энергия от внешнего источника к ротору подводится только в виде механической энергии. При этом на этапе розжига камеры сгорания и начальной работе турбины, из-за малого уровня давлений в газовоздушном тракте двигателя, воздух практически не подается в систему охлаждения турбины, в результате чего отсутствует эффективное охлаждение основных элементов турбины - сопловых и рабочих лопаток. В процессе запуска двигателя это накладывает ограничение по температуре газов перед турбиной, что снижает возможности надежного и быстрого запуска двигателя, особенно в экстремальных условиях для запуска (при высоких температурах окружающей среды, высокогорных условиях и т.п.).

Другим недостатком известного способа является затрудненность раскрутки ротора путем подвода к нему механической энергии от внешнего источника в условиях полета самолета, на режимах авторотации, из-за высокой вероятности поломки элементов трансмиссии, например, соединительных муфт, рессор и т.д.

Устранение этих недостатков особенно актуально для современных авиационных двухроторных двигателей. В этом случае, как правило, производится раскрутка ротора высокого давления. Ротор низкого давления работает в турбинном режиме, в результате чего за его рабочим колесом понижается давление. Чтобы обеспечить необходимый для розжига камеры сгорания уровень давлений и температур ротор высокого давления необходимо дополнительно подкрутить, а это приводит к росту потребной мощности внешних источников энергии.

Задачей изобретения является повышение надежности запуска двигателя на земле и в полете, в том числе и в нештатных ситуациях и при запуске в полете на режиме авторотации, а также сокращение времени запуска двигателя.

Задача решается тем, что в способе запуска газотурбинного двигателя, включающем раскрутку его ротора от одного или нескольких внешних источников энергии, для двигателя с охлаждаемой турбиной, при его запуске в полете или на земле во внештатных условиях раскрутку ротора осуществляют путем подачи сжатого воздуха в систему охлаждения турбины двигателя, а при запуске двигателя на земле в штатных условиях одновременно с подачей сжатого воздуха в систему охлаждения турбины двигателя осуществляют подвод механической энергии к ротору двигателя.

Кроме того, в качестве источника механической энергии может быть использована вспомогательная силовая установка, а в качестве источника сжатого воздуха может быть использована либо вспомогательная силовая установка, либо работающий двигатель рядом стоящего самолета, либо наземная энергетическая установка. Для многодвигательного летательного аппарата в качестве источника сжатого воздуха может быть использован один из работающих двигателей.

Для двухроторных газотурбинных двигателей подвод механической энергии может осуществляться к ротору высокого давления, а сжатый воздух подаваться либо в систему охлаждения турбины высокого давления, либо одновременно в систему охлаждения турбины высокого давления и в систему охлаждения турбины низкого давления, либо только в систему охлаждения турбины низкого давления.

При запуске двигателя в полете, одновременно с подачей сжатого воздуха в систему охлаждения турбины двигателя от внешнего источника энергии, возможно и осуществление подвода механической энергии к ротору двигателя.

Одновременный подвод механической энергии к ротору и подача сжатого воздуха в систему охлаждения турбины двигателя позволяет повысить надежность запуска и сократить его время. Передача механической энергии к ротору позволяет интенсивно раскручивать ротор на начальном этапе запуска, причем основной поток энергии расходуется на преодоление момента инерции ротора. Подача же сжатого воздуха в систему охлаждения турбины позволяет дополнительно подкручивать ротор и надежно охлаждать турбину в момент розжига камеры сгорания и подводить к ротору энергию за счет работы самой турбины. При нарастании оборотов ротора доля мощности от подвода механической энергии падает, а доля мощности от подачи сжатого воздуха в систему охлаждения турбины растет.

Подвод механической энергии и энергии сжатого воздуха может осуществляться как от одного, так и от различных внешних источников энергии. При этом подвод механической энергии и энергии от сжатого воздуха от одного внешнего источника энергии снижает вес и упрощает схему системы запуска, а при подаче от различных источников энергии возрастает надежность запуска в нештатных условиях.

При запуске двигателя в полете на режимах авторотации, подавая воздух в систему охлаждения турбины, производят дополнительно “мягкую” (без использования обгонных муфт и т.п.) подкрутку ротора до оборотов, при которых надежно осуществляется запуск.

При запуске двигателя на земле в нештатных условиях, например, при невозможности подвести к ротору механическую энергию, раскрутка ротора осуществляется только за счет подвода энергии сжатого воздуха от внешнего источника. Несмотря на увеличенное время запуска при этом, запуск двигателя состоится.

Использование в качестве источника механической энергии вспомогательной силовой установки (далее - ВСУ) позволяет размещать внешний источник непосредственно в районе двигателя. Применение ВСУ в качестве источника как механической энергии, так и энергии сжатого воздуха, позволяет иметь непосредственно на летательном аппарате автономный источник питания. Кроме того, применение ВСУ в качестве источника сжатого воздуха позволяет снизить вес и габариты воздушных трубопроводов от ВСУ к системе охлаждения турбины.

Использование в качестве источника сжатого воздуха работающего двигателя рядом стоящего самолета или наземной энергетической установки или для многодвигательной установки одного из работающих двигателей, расширяет возможности запуска двигателя. При этом отбор сжатого воздуха от нескольких источников энергии, например, одного из вышеприведенных в сочетании с ВСУ повышает эффективность запуска и надежность его системы.

Для двухроторных газотурбинных двигателей одновременный подвод механической энергии и энергии сжатого воздуха к ротору высокого давления обеспечивает более интенсивную раскрутку ротора высокого давления, имеющего по сравнению с ротором низкого давления меньший момент инерции и более развитую структуру системы охлаждения турбины.

Подача сжатого воздуха в систему охлаждения турбины низкого давления позволяет производить дополнительную подкрутку ротора низкого давления, в результате чего уменьшается или полностью снимается “турбинный” эффект на компрессоре низкого давления.

В двухроторных газотурбинных двигателях, например если компрессор низкого давления имеет малую степень двухконтурности и небольшую степень сжатия, целесообразнее подводить механическую энергию к ротору высокого давления, а энергию от сжатого воздуха - к ротору низкого давления.

При наличии в двигателе соединительной муфты, способной подключать источник механической энергии, например ВСУ, к вращающемуся ротору, на режимах авторотации возможен одновременный подвод к ротору как энергии сжатого воздуха, так и механической энергии.

Предлагаемый способ поясняется чертежом, на котором изображена схема одного из вариантов системы запуска двигателя.

Система запуска двигателя включает в себя ВСУ 1, механически соединенную посредством передачи 2 с ротором высокого давления 3 двигателя. ВСУ 1 трубопроводом 4 соединена со входом в сопловые лопатки 5 турбины высокого давления 6, а трубопроводом 7 с сопловыми лопатками 8 турбины низкого давления 9.

Способ осуществляется следующим образом.

При запуске двигателя на земле, в штатных условиях для запуска, крутящий момент от работающей ВСУ 1 через механическую передачу 2 передается ротору высокого давления 3. Одновременно с этим по трубопроводу 4 от той же ВСУ 1 в систему охлаждения турбины высокого давления 6 подается сжатый воздух. Поступив на вход в сопловые лопатки 5 и пройдя через их внутренний тракт, воздух вытекает из щелей выходных кромок лопаток 5 и поступает на рабочие лопатки турбины высокого давления 6, создавая крутящий момент на ее рабочем колесе. Тем самым ротору 3 передается дополнительная энергия, повышающая эффективность его раскрутки.

В ряде случаев сжатый воздух от ВСУ 1 может осуществлять и подкрутку ротора турбины низкого давления 9, поступая по трубопроводу 7 через внутренний тракт и щели выходных кромок сопловых лопаток 8 на рабочие лопатки турбины низкого давления 9.

В нештатных ситуациях (экстремальных для запуска условиях, аварийных ситуациях и т.п.) и для запуска двигателя в полете на режиме авторотации осуществляют подкрутку ротора путем подачи сжатого воздуха на рабочие лопатки турбины высокого давления 6 от ВСУ 1 или любого другого источника сжатого воздуха. Для повышения эффективности запуска подача сжатого воздуха может быть осуществлена и одновременно от нескольких источников.

Предложенный способ позволяет значительно повысить эффективность запуска за счет оптимального сочетания подвода механической энергии и подвода энергии от сжатого воздуха в систему охлаждения, поднять надежность запуска в нештатных ситуациях, а также обеспечить запуск двигателя в условиях, при которых ранее запуск был невозможен.

(56) Патент RU №2196240 C1, F 02 С 7/26, опубл. 2003 г., бюл. №1.

Формула изобретения

1. Способ запуска газотурбинного двигателя, включающий раскрутку его ротора от одного или нескольких внешних источников энергии, отличающийся тем, что для двигателя с охлаждаемой турбиной при запуске двигателя в полете или на земле во внештатных условиях раскрутку ротора осуществляют путем подачи сжатого воздуха в систему охлаждения турбины двигателя, а при его запуске на земле в штатных условиях одновременно с подачей сжатого воздуха в систему охлаждения турбины двигателя осуществляют подвод механической энергии к ротору двигателя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника механической энергии используют вспомогательную силовую установку.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве источника сжатого воздуха используют вспомогательную силовую установку.

4. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве источника сжатого воздуха используют работающий двигатель рядом стоящего самолета.

5. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве источника сжатого воздуха используют наземную энергетическую установку.

6. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что для многодвигательного летательного аппарата в качестве источника сжатого воздуха используют один из работающих двигателей.

7. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что для двухроторных газотурбинных двигателей подвод механической энергии осуществляют к ротору высокого давления, а сжатый воздух подают в систему охлаждения турбины высокого давления.

8. Способ по любому из пп.1, 2, 7, отличающийся тем, что сжатый воздух также подают в систему охлаждения турбины низкого давления.

9. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что для двухроторных газотурбинных двигателей подвод механической энергии осуществляют к ротору высокого давления, а сжатый воздух подают в систему охлаждения турбины низкого давления.

10. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что при запуске двигателя в полете одновременно с подачей сжатого воздуха в систему охлаждения турбины двигателя от внешнего источника энергии осуществляют подвод механической энергии к ротору двигателя.

РИСУНКИ

www.findpatent.ru

. СИСТЕМЫ ЗАПУСКА ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ | Авиация

Несмотря на многообразие систем запуска газотурбинных дви­гателей, они все имеют стартер, обеспечивающий (предварительную прокрутку ротора двигателя, источник энергии, необходимый для работы стартера, устройства, обеспечивающие зажигание горючей смеси з камерах сгорания, и агрегаты, обеспечивающие автомати­зацию процесса запуска. Наименование систем запуска определя­ется типом стартера и источником питания.

Наибольшее применение находят системы запуска, в которых для предварительной прокрутки ротора двигателя используются электрические, турбпиные и воздушные стартеры. Соответственно и системы запуска получили названия: электрические системы, си­стемы с турбостартерамн и воздушные системы. Источники энер­гии стартеров могут быть бортовыми, аэродромными и комбини­рованными. Автоматизация процесса запуска двигателей может осуществляться по временной программе, (независимо от внешних условий, по частоте вращения ротора двигателя и по комбиниро­ванной программе, где часть операций выполняется по времени и часть—по частоте вращения.

При выборе типа системы запуска для того пли иного двига­теля учитываются многие факторы, наиболее существенными из ко­торых являются масса н габариты двигателя, а также надежность запу ска как от аэродромных, так и от бортовых источников питания при любых условиях эксплуатации. Рассмотрим подробнее работу названных ta. сведем запуска.

Электрическими системами запуска двигателей называют такие системы, в которых и качестве стартеров используются электро двигатели. Для запуска газотурбинных двигателей применяют элек тростартеры прямою действия, у которых осуществляется непо­средственная связь через механическую передачу с ротором двп гателя. Электростартеры рассчитаны на кратковременную работу Широкое применение получили стартеры-генераторы, которые при запуске двигателя выполняют функцию стартеров, а после за­пуска— функцию генераторов. Это позволило вместо двух элек­тромашин (стартера и генератора) применять одну, что снизило массу и стоимость системы запуска

Элект рические системы запуска достаточно надежны в работе, просты в управлении, позволяют легко автоматизировать процесс запуска, а также просты и удобны в обслуживании Они получили распространение для запуска двигателей, имеющих сравнительно небольшие моменты инерции или когда время вывода их на режим малого газа сравнительно велико. Для запуска двигателей с боль­шими моментами инерции или при сокращенном времени выхода на режим малого газа требуется увеличение мощности стартеров Для электрических систем характерное значительное увеличение их массы и габаритов три увеличении мощности стартера, что вызы­вает увеличение как массы самих стартеров, так и источников пи­тания. В этих случаях массовые характеристики электрических систем могут оказаться значительно хуже других систем запуска

Автоматизация процесса запуска осуществляется по временной программе при помощи реле времени. Последнее состоит из элек­тродвигателя небольшой мощности со стабилизатором частоты вращения, редуктора и профилированных шайб с контактными устройствами (рис. 15.2). Число шайб и контактных устройств оп­ределяется количеством операций, управляемых при помощи реле времени. За одни оборот валика с закрепленными на нем профи­лированными шайбами завершается весь процесс управления за­пуском двигателя.

В качестве бортовых ис­точников энергии использу­ются аккумуляторные бата­реи и турбогенераторные установки. Аэродромными источниками электроэнер­гии при запуске двигателей являются передвижные электроагрегаты.

В настоящее время при­меняются электростартеры постоянного тока. Угловая скорость вращения их рото­ров со в процессе запуска

Рис 153 Ступенчатое изменение на­пряжения и силы тока в процессе за­пуска двигателяавтоматически регулируется по заранее выбранному закону, обеспечивающему оптимальные условия работы стартера Как известно, она может быть вы­ражена следующей зависимо­стью:

V-lmiRm+RnJ

СФ

где V—напряжение на клеммах стартера; /я — сила тока якоря; Rn— сопротивление якоря; Rnoп—дополнительное (добавочное) сопротивление в цепи якоря; Ф — магнитный поток возбужде­ния; с—постоянный коэффициент.

Из этой формулы видно, что регулировать угловую скорость вращения двигателей постоянного тока можно тремя способами: •изменением напряжения на клеммах стартера, изменением потока иозбуждеиия и введением дополнительного сопротивления в цепь якоря.

В процессе запуска по мере увеличения частоты вращения рото­ра двигателя снижается крутящий момент электростартера вслед­ствие уменьшения силы тока якоря. Для повышения эффективно­сти электростартера производится повышение напряжения, которое может быть ступенчатым или плавным (рис. 15.3 и 15.4).

Запуск двигателя с помощью электрической системы (рис. 155) осуществ­ляется следующим образом. Предварительно запускается турбогенераторная установка 3, которая приводит в действие электрогенератор 2. Перед запуском двигателя — напряжение генератора поддерживается равным 28,5 В.

При нажатии на кнопку 11 ток от бортовой сети поступает к электродвига­телю реле времени 6. С этого момента включается в работу реле времени, и в соответствии с принятой программой запуска через определенные промежут­ки времени и в заданной последовательности выполняются те или иные опера­ции, Первой из них является подача тока в шанель стартер-ге-нератора 5, в кото­рой срабатывает соответствующее реле и включается подача тока на стартер — генератор /. Для обеспечения безударного сцепления в — механизме соединения стартера с ротором двигателя Д вначале ограничивается величина силы тока и напряжения, а затем подается полное напряжение и стартер вступает в ра­боту С -началом прокрутки ротора подается ток в коробку реле 7 для включения системы зажигания — пусковых катушек и свечей 8. Череа. некоторый промежу-

Рис 154. Плавное из­менение напряжения в процессе запуска двига­теля

Рис 155. Блок-схема электрической системы запуска двигателя

/ — стортср-генсратор, 2 — электрогенератор, 3 — турбогенераторная установка 4 — пуско — рсгулирующ:ія коробка 5 — панель стартер-генератора, б —реле времени (программирую щее устройство), 7 —коробка реле, в —система зажигания; 9 — клапан пускового топлива; 10— клапан рабочего топлива, // — кнопка запуска, 12 — шина запуска ток времени, необходимый для тренировки свечой, открывается клапан 9 подачи топлива к пусковым форсункам При этом в камерах сгорания с пусковыми бло­ками создаются факелы пламени

По (мере увеличения частоты вращения ротора двигателя для повышения эффективности стартера увеличивается напряжение в сети питания стартера Это обеспечивается пускорегулирующей коробкой 4 по командам, подаваемым от реле времени 6 Максимальное напряжение может достигать 60 В.

Начиная с — некоторого интервала времени в процессе прокрутки ротора дви­гателя, открывается клапан подачи рабочего топлива 10, после чего турбина вступает в работу <и прокрутка ротора продолжается совместно стартером и тур­биной. Далее в соответствии с программой запуска сначала отключаются систе­мы зажигания и пускового топлива, а затем и электростартер. По окончим никла работы (заданного времени) электродвигатель реле времени выключается, а шайбы устанавливаются в исходное положение для следующего запуска Вы­ход двигателя (на режим малого газа обеспечивается за счет турбины

ooobskspetsavia.ru

Способ запуска газотурбинного двигателя

 

Использование: в энергетике. Сущность изобретения: во время запуска подают сжатый воздух в проточную часть турбины, расположенную за первым участком расширения рабочего тела, причем сжатый воздух отбирают от ступеней компрессора, устойчиво работающих при запуске. 2 ил.

Изобретение относится к энергетике и касается газотурбинных двигателей.

Изобретение может найти применение в авиационной и автомобильной промышленности и в энергетике, а также в других отраслях промышленности, где находят применение газотурбинные двигатели. Известно, что при запуске газотурбинного двигателя необходимо медленно увеличивать подачу топлива соответственно медленному (постепенному) росту давления рабочего тела в камере сгорания, так как при низких пусковых оборотах ротора турбокомпрессора создаваемого компрессором давления явно недостаточно для создания необходимого перепада давления на турбине. Рабочее давление в камере сгорания создается компрессором только тогда, когда ротор турбокомпрессора достигнет номинальных оборотов. В связи с этим время запуска газотурбинного двигателя составляет от 1,5 до 3 мин и более (до 5-7 мин в мощных двигателях). Такой длительный запуск приводит к перегреву деталей камеры сгорания и турбины из-за отсутствия необходимых условий охлаждения, имеющих место при установившемся режиме работы. Для сокращения времени запуска устанавливают мощные пусковые двигатели (стартеры) или многокаскадные компрессоры с индивидуальными приводами. Однако эти способы неэкономичны и в значительной мере ухудшают массогабаритные показатели и увеличивают стоимость установки. Известен способ охлаждения жаровой трубы камеры сгорания, при котором создают вдоль внутренней стенки жаровой трубы кольцевой пристеночный поток водяного пара [1] При таком способе обеспечивается охлаждение стенок жаровой трубы и элементов камеры сгорания, в том числе и во время запуска. В результате можно увеличить ресурс камеры сгорания, но время запуска не сокращается. Это объясняется тем, что в этом случае при запуске двигателя от компрессора отводят в атмосферу избыточное количество воздуха, равное объему вводимой дополнительной текучей среды для ускорения набора необходимых оборотов и исключения помпажа и вращающего срыва. Таким образом, подвод дополнительной текучей среды (например, пара) не обеспечивает сокращения времени запуска. Кроме того, при этом затрачивается большое количество дополнительной энергии, необходимой для подачи пара. Известен способ, при котором на вход турбины подают распыленную воду [2] При этом обеспечивается охлаждение лопаток турбины, что также может способствовать повышению ресурса двигателя, защищаемого от перегрева при длительном запуске. Известен способ запуска, заключающийся в подаче сжатого воздуха в проточную часть турбины, расположенную за первым участком расширения рабочего тела, подаче топлива и воздуха для образования топливовоздушной смеси и получения из нее рабочего тела [3] В остальном этот способ имеет те же недостатки, что и описанные выше. Цель изобретения изменить организацию потоков текучих сред в проточной части газотурбинного двигателя для оптимизации процесса сгорания топлива и режима работы турбины на начальной стадии пуска. Это достигается тем, что при способе запуска газотурбинного двигателя, при котором вращают ротор турбокомпрессора, подают в камеру сгорания топливо и воздух, отбираемый от компрессора, для образования топливовоздушной смеси, подают в поток рабочего тела дополнительную текучую среду и воспламеняют топливовоздушную смесь для образования рабочего тела, направляемого в проточную часть турбины, в качестве дополнительной текучей среды используют воздух, отбираемый от участка компрессора с максимальным расходом, а отбираемый воздух подают в проточную часть турбины в зоне, расположенной за первым участком расширения рабочего тела. При таком способе, вместо отвода воздуха от компрессора в атмосферу, как это делают при запуске газотурбинных двигателей, воздух направляют в проточную часть турбины, благодаря чему, с одной стороны, увеличивается количество воздуха, проходящего через турбину, а с другой стороны, количество воздуха, поступающего в камеру сгорания соответственно уменьшается, что позволяет оптимизировать процесс горения топлива. При этом возрастает пусковая мощность турбины, в результате чего ускоряется набор оборотов ротора турбокомпрессора, что приводит к более быстрому росту производительности компрессора и ускорению выхода двигателя на рабочий режим. Таким образом, результатом является ускорение запуска газотурбинного двигателя. Вместе с тем, подача воздуха от компрессора в проточную часть турбины во время запуска обеспечивает необходимый режим охлаждения, требуемый в пусковом режиме, что позволяет увеличить ресурс двигателя. Кроме того, при таком способе запуска значительно уменьшается расход энергии на запуск, так как, во-первых, нет необходимости в увеличении мощности пускового двигателя и применении энергоемких текучих сред, во-вторых, воздух от компрессора во время запуска не выбрасывается в атмосферу, а используется для полезной работы. Кроме того, уменьшение времени запуска сокращает расход топлива, который при запуске довольно высок. Оптимизация режима горения во время запуска приводит к снижению токсичности выхлопа и уменьшению уровня шума. На фиг.1 схематически изображен газотурбинный двигатель для осуществления предлагаемого способа запуска газотурбинного двигателя с многоступенчатым компрессором; на фиг.2 вариант газотурбинного двигателя для осуществления предлагаемого способа запуска газотурбинного двигателя с центробежным компрессором. Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. При запуске вращают ротор 1 турбокомпрессора пусковым двигателем, например, электрическим стартером для вращения роторов 2, 3 компрессора 4. После набора ротором турбокомпрессора определенного числа оборотов (обычно 15-18% от номинальной частоты вращения) подают в камеру сгорания 5 через горелочное устройство 6 топливо и поджигают образующуюся в камере сгорания топливно-воздушную смесь. При начале вращения ротора турбокомпрессора открывают клапан 7 на линии 8, ведущей к проточной части 9 турбины 10. Клапан 7 соединен с участком максимального расхода компрессора 4. Как правило, такой участок максимального расхода многоступенчатого компрессора находится в переделах нескольких начальных ступеней компрессора устойчиво работающих при запуске. Точное расположение этого участка может быть без труда определено для любого вида компрессора. При этом большая часть подаваемого компрессором воздуха поступает непосредственно в проточную часть турбины для образования рабочего тела. В то же время компрессор подает в камеру сгорания только воздух, необходимый для горения и охлаждения деталей камеры сгорания. При существующих способах во время запуска компрессор подает в камеру сгорания этот воздух плюс воздух, необходимый для образования рабочего тела. При этом параметры такого объема воздуха были недостаточны для оптимального сгорания топлива (из-за низкой частоты вращения ротора компрессора). Подаваемый в камеру сгорания в таком количестве воздух улучшает смесеобразование, что позволяет обеспечить максимальную эффективность сгорания топлива. Это связано тем, что наибольшая скорость сгорания топлива имеет место при коэффициенте избытка воздуха 0,7-0,8, что обеспечивается при подаче указанного небольшого количества воздуха. Повышение эффективности сгорания топлива с увеличением количества рабочего тела, расширяемого в турбине, повышает приводную мощность на валу ротора компрессора, что позволяет значительно быстрее наращивать его производительность и сократить время запуска. В конце запуска, когда компрессор выходит на режим номинальной частоты вращения, клапан 7 закрывается, и весь воздух направляется в камеру сгорания для поддержания нормального рабочего режима газотурбинного двигателя. В варианте, представленном на фиг.2, использован одноступенчатый центробежный компрессор, у которого зона максимального расхода воздуха расположена на промежуточном участке рабочего колеса (ближе к впуску). Такой газотурбинный двигатель запускается так же, как и двигатель, показанный на фиг. 1. Применение описанного способа запуска газотурбинного двигателя на прототипе двигателя мощностью 3500 л. с. (номинальная частота вращения 12000 об/мин) с 10-ступенчатым осевым компрессором позволило при отборе воздуха на запуске от 3-й ступени компрессора и его подаче в проточную часть турбины за сопловым аппаратом первой ступени турбины осуществить запуск двигателя в течение 75 с по сравнению с 2,5 мин для аналогичного серийного двигателя. При этом температура перед турбиной во время запуска снижена на 10% и составила 900оС. При запуске практически отсутствовало дымление выхлопа, обычно имеющее место во время запуска газотурбинных двигателей.

Формула изобретения

СПОСОБ ЗАПУСКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, заключающийся в подаче сжатого воздуха в проточную часть турбины, расположенную за первым участком расширения рабочего тела, вращении ротора турбогенератора, подаче в камеру сгорания топлива и сжатого воздуха для образования топливовоздушной смеси для получения рабочего тела, направляемого в проточную часть турбины, отличающийся тем, что сжатый воздух, подаваемый в проточную часть турбины, отбирают от ступеней компрессора, устойчиво работающих при запуске.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 10.03.1999

Номер и год публикации бюллетеня: 20-2001

Извещение опубликовано: 20.07.2001        

www.findpatent.ru

Способ запуска газотурбинного двигателя и газотурбинный двигатель

 

Использование: в энергетике, а именно в способах запуска газотурбинного двигателя и в газотурбинных двигателях, реализующих этот способ. Сущность изобретения: газотурбинный двигатель имеет трубокомпрессор, устройство для принудительного вращения ротора 1 трубокомпрессора и установленную с возможностью вращения относительно ротора 1 трубокомпрессора камеру 6 сгорания, откачивающуюся сопловым аппаратом 7. Камера 6 сгорания кинематически связана с устройством 9 для ее принудительного вращения совместно с ротором 1 трубокомпрессора. Ротор трубокомпрессора (совместно с камерой 6 сгорания) принудительно вращают в начале запуска для подачи воздуха и топлива в камеру 6 сгорания и поджига топливно-воздушной смеси. После набора заданной частоты вращения прекращают принудительное вращение ротора трубокомпрессора. 2 с. и 3 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к энергетике.

Известен способ запуска газотурбинного двигателя [1] по которому принудительно вращают ротор турбокомпрессора для подачи воздуха в камеру сгорания, подают топливо в камеру сгорания, осуществляют поджиг топливно-воздушной смеси и прекращают принудительное вращение ротора турбокомпрессора после набора заданной частоты вращения. Известен также газотурбинный двигатель [2] содержащий турбокомпрессор и установленную с возможностью вращения относительно ротора турбокомпрессора камеру сгорания, оканчивающуюся сопловым аппаратом. Запуск этого двигателя осуществляется стартером, вращающим ротор турбокомпрессора. Во время запуска (при принудительном вращении ротора турбокомпрессора) поток воздуха, выходящий из компрессора, поступает в камеру сгорания, которая остается неподвижной либо вращается в направлении, противоположном направлению вращения ротора турбокомпрессора. При этом угол натекания рабочего тела на рабочие лопатки турбины превышает оптимальный, а после запуска и только после выхода двигателя на режим газа этот угол приближается к оптимальному. Неоптимальный угол натекания в начале запуска приводит к попаданию рабочего тела в спинку лопатки турбины, что приводит к торможению ротора турбокомпрессора и затягивает запуск. Кроме того, стартер (обычно это коллекторный электродвигатель или ротационно-лопастной пневмодвигатель) имеет круто падающую характеристику. При этом в начальный момент запуска при неподвижном роторе турбокомпрессора двигатель стартера начинает работу с нулевых оборотов, а по окончании запуска выходит на режим максимальных оборотов холостого хода. Такой режим работы стартера неэкономичен на этапе сопровождения во время запуска (т.е. период, когда частота вращения турбины приближается к частоте вращения стартера, близкой к максимальной частоте вращения холостого хода). Кроме того, при длительном запуске стартер работает в режиме тяжелой нагрузки, что сказывается на его надежности и долговечности. Даже кратковременная работа стартера в режиме максимальных оборотов холостого хода также нежелательна, так как при этом резко возрастает возможность механической перегрузки якоря и растут требования к подшипникам стартера. С целью преодоления этих недостатков в известных газотурбинных двигателях прибегают к значительному повышению температуры рабочего тела во время запуска, превышающей температуру рабочего тела при работе под нагрузкой. Это нежелательно, так как резкая тепловая перегрузка холодного двигателя приводит к существенному снижению его надежности и долговечности. Кроме того, это неэкономично и полностью не решает проблему сокращения времени запуска. В основу изобретения положена задача создания способа запуска газотурбинного двигателя и самого двигателя, при котором обеспечивается существенное уменьшение сопротивления вращению ротора турбокомпрессора на начальной стадии запуска. Поставленная задача решается тем, что по способу запуска газотурбинного двигателя, по которому в начале запуска принудительно вращают ротор турбокомпрессора для подачи воздуха в камеру сгорания, подают топливо в камеру сгорания, осуществляют поджиг топливовоздушной смеси и прекращают принудительное вращение ротора турбокомпрессора после набора заданной частоты вращения, в соответствии с изобретением камеру сгорания принудительно вращают совместно с ротором турбокомпрессора в начале запуска. При таком способе благодаря совместному вращению камеры сгорания и ротора турбокомпрессора на начальной стадии запуска гарантированно обеспечивается положительный угол натекания рабочего тела на рабочие лопатки турбины (т. е. рабочее тело гарантированно попадает на корытце лопаток). При этом отсутствует торможение ротора турбокомпрессора и вся подводимая энергия (включая энергию стартера) расходуется на вращение ротора, что повышает КПД двигателя во время запуска. Это позволяет сократить время запуска и затраты энергии. Кроме того, при этом исключается выход стартера на максимальные обороты холостого хода, так как в режиме принудительного вращения камеры сгорания и постоянного поддержания положительного угла натекания рабочего тела на лопатки турбины на сопловом аппарате камеры сгорания возникает достаточно высокий реактивный крутящий момент, не дающий стартеру выйти на максимальные обороты холостого хода. Следует отметить, что при возникновении такого момента возможно прекращение принудительного вращения, так как на этой стадии запуска ротор турбокомпрессора вращается с достаточной частотой вращения для выхода на рабочий режим. Кроме того, при таком способе запуска отпадает необходимость в нежелательном перегреве рабочего тела для ускорения запуска. Во время запуска целесообразно подавать в сопловой аппарат камеры сгорания рабочее тело под давлением в обход камеры сгорания. Это позволяет перевести сопловой аппарат камеры сгорания в режим дозвукового истечения на время запуска, что снижает потери энергии. Поставленная задача решается в газотурбинном двигателе, содержащем турбокомпрессор, устройство для вращения ротора турбокомпрессора и установленную с возможностью вращения относительно ротора турбокомпрессора камеру сгорания, оканчивающуюся сопловым аппаратом, в котором в соответствии с изобретением камера сгорания кинематически связана с устройством для ее принудительного вращения совместно с ротором турбокомпрессора. При таком устройстве обеспечивается гарантированное поддержание положительного угла натекания рабочего тела на рабочие лопатки турбины во время запуска, благодаря чему подводимого во время запуска энергия расходуется на вращение ротора турбокомпрессора с максимальной эффективностью и создается необходимое давление рабочего тела в проточной части газотурбинного двигателя для его выхода на режим малого газа. Кроме того, при этом получаются указанные выше преимущества, что способствует сокращению времени запуска и повышает надежность и долговечность газотурбинного двигателя. Камера сгорания может быть кинематически связана с ротором турбокомпрессора через отключающую муфту. При таком устройстве обеспечивается прекращение принудительного вращения ротора турбокомпрессора, когда его частота вращения превышает частоту вращения камеры сгорания. Сопловой аппарат сгорания может быть соединен с проточной частью компрессора. При этом повышается эффективность в режиме запуска. На фиг. 1 схематично изображен газотурбинный двигатель для осуществления предлагаемого способа, продольный разрез; на фиг. 2 сопловой аппарат камеры сгорания и рабочих лопаток турбины предлагаемого газотурбинного двигателя; на фиг. 3 (a, b, c) представлены соотношения углов закрутки и натекания рабочего тела соответственно на сопловом аппарате камеры сгорания и на рабочих лопатках турбины; на фиг. 4 показана рабочая характеристика стартера газотурбинного двигателя при осуществлении предлагаемого способа. Газотурбинный двигатель содержит ротор 1 турбокомпрессора, имеющий вал 2 с установленными на нем компpессором 3, имеющим воздуховод 4, и турбиной 5. Двигатель также имеет камеру 6 сгорания, являющуюся турбиной активной мощности с сопловым аппаратом 7 на ее выходе. Камера 6 сгорания установлена на валу 8 с возможностью вращения относительно ротора 1 турбокомпрессора. Стартер 9 связан через механическую передачу 10 с валом 8, а вал 8 связан с валом 2 турбокомпрессора через отключающую муфту 11. На выходе воздуховода 4 расположен сопловой аппарат 12. В соответствии с изобретением для запуска двигателя принудительно вращают ротор 1 турбокомпрессора для подачи воздуха к камере 6 сгорания с целью получения в ней нагретого рабочего тела. Одновременно в камеру сгорания подают топливо (не показано) для образования топливно-воздушной смеси и осуществляют ее поджиг. Как показано на фиг. 1, вращение ротора 1 осуществляют стартером 9 через вал 8, муфту 11 и вал 2. В соответствии с изобретением при начале запуска одновременно с принудительным вращением ротора 1 турбокомпрессора осуществляют принудительное вращение камеры 6 сгорания. Это происходит благодаря кинематической связи вала 8 камеры сгорания со стартером 9 через передачу 10. При этом в начале запуска совместно вращаются камера 6 сгорания и ротор 1 турбокомпрессора. Кроме того, вращение камеры сгорания может обеспечиваться сопловым аппаратом 12, в который подается воздух от компрессора 3 по воздуховоду 4. Совместное вращение камеры 6 сгорания и ротора 1 турбокомпрессора продолжается до тех пор, пока частота вращения ротора 1 не начнет превышать частоту вращения камеры 6 сгорания. В этот момент частота вращения ротора 1 достаточна для выхода двигателя на режим малого газа, и муфта 11 отсоединяет вал 2 ротора турбокомпрессора от вала 8 (следовательно, от стартера 9). Далее может быть прекращено и принудительное вращение камеры 6 сгорания, например, путем отключения любым известным способом. Во время запуска целесообразно подавать в сопловой аппарат 7 камеры 6 сгорания рабочее тело под давлением в обход камеры сгорания по каналу 14. Это позволяет перевести сопловой аппарат 7 камеры сгорания в режим дозвукового истечения на время запуска, что снижает потери энергии. Таким образом можно повысить эффективность работы двигателя во время запуска. Как показано на фиг. 2, где показаны лопатки 13 соплового аппарата камеры 6 сгорания и рабочие лопатки 15 турбины, динамика движения рабочего тела между камерой сгорания и рабочими лопатками турбины характеризуется углом закрутки рабочего тела на лопатки 13 соплового аппарата 7 камеры сгорания и углом натекания рабочего тела на рабочих лопатках 15 турбины. От соотношения этих углов в режиме запуска зависят эффективность и продолжительность запуска газотурбинного двигателя. На фиг. 3 представлена диаграмма, иллюстрирующая соотношение углов и перед началом запуска. При этом угол 1 положительный, а угол 1 отрицательный (это означает, что векторы линейной скорости рабочего тела с1 и соответственно на лопатках 13 соплового аппарата 7 камеры сгорания и на рабочих лопатках 15 турбины направлены в разные стороны). Такая диаграмма характерна для любого газотурбинного двигателя в исходном положении перед запуском и имеет место до стадии, соответствующей режиму до примерно 20% от номинальной частоты вращения ротора турбокомпрессора. На фиг. 3б показано положение после достижения во время запуска режима пpимерно 20% от номинальной частоты вращения ротора турбокомпрессора. При этом благодаря тому, что камера 6 сгорания вращается совместно с ротором 1, 1=1 Это происходит благодаря тому, что угол натекания не увеличивается больше заданного положения рабочих лопаток 15 при росте частоты вращения вала 2 ротора 1 турбокомпрессора благодаря одновременному вращению соплового аппарата камеры 6 сгорания. Как показано на фиг. 3в, 12, что соответствует режиму примерно 35% от номинальной частоты вращения ротора турбокомпрессора во время запуска. Этот режим соответствует началу выхода газотурбинного двигателя на режим малого газа. При этом на лопатках 13 соплового аппарата 7 камеры 6 сгорания растет реактивный крутящий момент, что вызвано повышением частоты вращения компрессора. Это приводит к росту тормозного момента на валу 8, что приводит к снижению частоты вращения стартера 9. Это показано на фиг. 4, где М и n соответственно момент и частота вращения на валу 8, I ток стартера 9. Кривая I характеристика двигателя стартера 9, а кривая II крутящий момент на валу 8. Момент достижения частоты вращения вала 8 примерно 35% от номинальной частоты вращения ротора 1 турбокомпрессора соответствует частоте вращения ln (фиг. 4). Таким образом, стартер 9 работает только на участке Imax-In характеристики. При достижении частоты вращения около 35% номинальной частоты вращения вал 8 отсоединяется от вала 2, и принудительное вращение вала 2 ротора 1 турбокомпрессора прекращается. Это происходит при выключении муфты 11, которая может быть автоматически (муфта одностороннего вращения, центробежная и т.п. ) или управляемой (ручной, электромагнитной и т.п.). Далее ротор 1 вращается своей турбиной 5. Камера 6 сгорания продолжает вращаться стартером 9, и ее частота вращения определяется заданным режимом запуска. При этом вращение стартера 9 прекращается для прекращения принудительного вращения камеры 6 сгорания. Описан предпочтительный вариант конструкции газотурбинного двигателя, возможны различные варианты осуществления изобретения. Например, можно принудительно вращать камеру сгорания через вал 2 ротора 1 или вращать валы 2 и 8 отдельными стартерами и т.п. Это не имеет существенного значения с точки зрения достижения положительного эффекта.

Формула изобретения

1. Способ запуска газотурбинного двигателя, заключающийся в раскрутке стартером ротора турбокомпрессора в начале запуска для подачи воздуха в камеру сгорания, подаче топлива в последнюю, поджигании топливовоздушной смеси и отключении стартера после набора заданной частоты вращения, отличающийся тем, что в начале запуска совместно с ротором турбокомпрессора раскручивают камеру сгорания. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют подачу рабочего тела под давлением в сопловой аппарат на выходе из камеры сгорания в обход последней. 3. Газотурбинный двигатель, содержащий турбокомпрессор, установленную с возможностью вращения относительно ротора турбокомпрессора камеру сгорания с сопловым аппаратом на выходе, отличающийся тем, что он снабжен стартером, кинематически связанным с ротором турбокомпрессора и камерой сгорания. 4. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что камера сгорания кинематически связана с ротором турбокомпрессора через отключающую муфту. 5. Двигатель по пп.3 и 4, отличающийся тем, что сопловой аппарат камеры сгорания соединен с проточной частью компрессора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 15-2002

Извещение опубликовано: 27.05.2002        

www.findpatent.ru

Газотурбинная установка и способ ее запуска

 

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в газотурбинных установках, предназначенных для привода ряда электрогенераторов, компрессоров, насосов, а также в некоторых других газотурбинных двигателях. Газотурбинная установка содержит турбину, закрепленную на валу компрессора. Проточная часть турбины сообщена с выходом камеры сгорания, вход которой сообщен с компрессором. Питающий коллектор, подсоединенный к форсункам, разделен на центральную и периферийную полости. Центральная полость сообщена с агрегатом подачи топлива через клапан. Периферийная полость соединена с магистралью после пускоотсечного клапана трубопроводом, снабженным запорным органом и устройством, обеспечивающим ее заполнение перед открытием запорного органа. Воздух от внешнего источника подается в камеру сгорания через инжекторное устройство. При запуске вначале открывается клапан 10, подается топливо на форсунки, размещенные в центре, и осуществляется поджиг с последующим увеличением расхода топлива до получения требуемого коэффициента избытка воздуха для всех форсунок камеры сгорания. Одновременно идет заполнение полости. После достижения требуемого расхода топлива клапан открывается, а подача воздуха в инжектор прекращается. Изобретение повышает надежность запуска при малых расходах воздуха через инжекторное устройство. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в газотурбинных установках (ГТУ), предназначенных для привода ряда электрогенераторов, компрессоров и насосов, а также в некоторых газотурбинных двигателях (ГТД).

Известным и наиболее близким техническим решением является газотурбинная установка, содержащая турбину и компрессор, расположенные на общем валу, камеру сгорания, сообщенную выходом с входом в турбину непосредственно, а входом - с выходом из компрессора через инжектор, подключенный к внешнему источнику подачи воздуха высокого давления, и выполненную с топливными форсунками и запальным устройством, и насосную систему, снабженную автономным приводом (патент РФ 2165032 от 10.04.2001, МКИ F 02 С 7/22 - прототип). Недостатком известной газотурбинной установки является ненадежность ее запуска по причине неоднородности состава получаемой топливо-воздушной смеси из-за невозможности организации качественного смесеобразования при одновременной подаче его на все форсунки камеры сгорания при массовом расходе, обеспечивающем получение требуемой величины коэффициента избытка воздуха, что необходимо для надежного поджига топливовоздушной смеси. Задачей изобретения является повышение надежности запуска газотурбинной установки, выполненной без специального пневмостартера. Решение поставленной задачи достигается тем, что в газотурбинной установке, содержащей турбину и компрессор, расположенные на общем валу, камеру сгорания, сообщенную выходом - с входом в турбину непосредственно, а входом с выходом из компрессора через инжектор, подключенный к внешнему источнику подачи воздуха высокого давления, и выполненную с топливными форсунками, питающий коллектор которых сообщен с топливной емкостью магистралью с пускоотсечным клапаном, согласно изобретению питающий коллектор разделен на две полости - центральную и периферийную. При этом центральная полость питает часть форсунок (1/5-1/3) от общего количества, а периферийная полость питает остальные форсунки камеры сгорания. Периферийная полость связана с магистралью, сообщающей питающий коллектор с топливной емкостью, с помощью трубопровода с запорным органом. Для предварительного заполнения периферийной полости перед открытием запорного органа имеется байпасная линия, связывающая магистраль с периферийной полостью через пакет жиклеров. Известен способ запуска газотурбинной установки, основанный на предварительной раскрутке турбины воздухом от инжектора до заданной частоты вращения, подаче топлива на форсунки камеры сгорания и организации воспламенения полученной топливовоздушной смеси, описанный в патенте РФ 2165032 от 10.04.2001 г., МКИ F 02 C 7/22 - прототип. Недостатком известного способа является то, что для его осуществления требуется реализовать достаточно большой расход воздуха через инжекторное устройство, что необходимо для получения требуемого качественного смесеобразования перед запуском газотурбинной установки на всех форсунках одновременно. Задачей изобретения является повышение надежности запуска газотурбинной установки при малых расходах воздуха через инжекторное устройство в условиях низких температур перед турбиной. Решение поставленной задачи достигается тем, что способ запуска газотурбинной установки, основанный на предварительной раскрутке турбины воздухом от инжектора до заданной частоты вращения, подаче топлива в камеру сгорания и организации воспламенения полученной топливовоздушной смеси, согласно изобретению состоит в том, что воздух на турбину от внешнего источника подают с массовым расходом, обеспечивающим, по крайней мере, начало ее вращения, после чего на часть форсунок камеры сгорания подают топливо с массовым расходом, обеспечивающим коэффициент избытка воздуха на них, достаточный для организации поджига, образовавшуюся топливовоздушную смесь поджигают и, увеличивая расход топлива до величины, обеспечивающей коэффициент избытка воздуха не более 1,5 для всех форсунок камеры сгорания, подают топливо на остальные форсунки из предварительно заполненной полости питающего их коллектора, а затем подачу воздуха от внешнего источника прекращают. Предлагаемая газотурбинная установка представлена на чертеже, где обозначены: 1 - турбина; 2 - компрессор; 3 - вал; 4 - камера сгорания; 5 - инжекторное устройство; 6 - магистраль; 7 - агрегат подачи топлива; 8 - центральная полость; 9 - питающий коллектор; 10 - форсунки; 11 - пускоотсечной клапан; 12, 15 - трубопровод; 13 - периферийная полость; 14 - запорный орган; 16 - пакет жиклеров; 17 - запальное устройство. Турбина 1 и компрессор 2 размещены на валу 3. Камера сгорания 4 сообщена своим выходом с входом в проточную часть турбины 1, а входом - с выходом из компрессора 2 через инжекторное устройство 5, предназначенное для нагнетания атмосферного воздуха в проточную часть турбины 1 за счет истечения струи воздуха от внешнего источника высокого давления (на чертеже не показан). Магистраль 6 соединяет агрегат подачи топлива 7 с центральной полостью 8 питающего коллектора 9, питающую форсунки 10, размещенные в центральной части форсуночной головки камеры сгорания 4, через пускоотсечной клапан 11 и трубопровод 12. Периферийная полость 13 питающего коллектора 9, питающая форсунки 10, размещенные по периферии форсуночной головки камеры сгорания 4, сообщается с трубопроводом 12 как через запорный орган 14, так и через байпасный трубопровод 15, снабженный пакетом жиклеров 16. Запальное устройство 17 размещено в центральной части форсуночной головки камеры сгорания 4. Принцип работы газотурбинной установки состоит в следующем. В соответствии с предлагаемым способом запуск начинается с подачи воздуха от внешнего источника высокого давления на инжекторное устройство 5. Далее воздух поступает в камеру сгорания 4. При этом струя воздуха инжекторного устройства 5 затягивает через компрессор 2 атмосферный воздух, который нагнетается в камеру сгорания 4, а затем поступает в проточную часть турбины 1, которая начинает вращаться. Таким образом, в камере сгорания 4 создается незначительное избыточное давление воздуха. Несмотря на небольшую располагаемую энергию воздушного потока, частота вращения турбины 1 будет достаточной для того, чтобы организовать процесс горения только в группе форсунок 10, расположенных в центральной части форсуночной головки камеры сгорания 4 (1/5-1/3 от общего количества), питаемых от центральной полости 8. Для этого открывают пускоотсечной клапан 11, и топливо по трубопроводу 12 поступает в центральную полость 8 и далее на форсунки 10 в центральной части форсуночной головки камеры сгорания 4. Образовавшаяся топливовоздушная смесь поджигается запальным устройством 17. После открытия пускоотсечного клапана 11 топливо по трубопроводу 15 байпасной линии через пакет жиклеров 16 поступает в периферийную полость 13, постепенно ее заполняя. По мере заполнения периферийной полости 13 топливом возрастает частота вращения агрегата подачи топлива и увеличивается его массовый расход. К моменту полного заполнения периферийной полости 13 топливом его массовый расход достигает величины, когда коэффициент избытка воздуха составляет не более 1,5 для всех форсунок камеры сгорания 4, после чего открывают запорный орган 14, обеспечивая требуемую подачу топлива на все форсунки 10. После запуска всех форсунок 10 подачу воздуха от внешнего источника прекращают, а увеличением частоты вращения агрегата подачи топлива повышают его массовый расход и выводят газотурбинную установку на номинальный режим работы. Предложенное техническое решение позволяет повысить надежность газотурбинной установки, повысить ее эксплутационные качества и снизить энергозатраты при ее запуске.

Формула изобретения

1. Газотурбинная установка, содержащая камеру сгорания, турбину и компрессор, расположенные на общем валу, причем камера сгорания сообщена выходом с входом в турбину непосредственно, а вход - с выходом из компрессора через инжекторное устройство, питаемое от внешнего источника воздуха, и снабжена форсунками, питающий коллектор которых сообщен с топливной емкостью магистралью с пускоотсечным клапаном, отличающаяся тем, что в ней питающий коллектор разделен на центральную и периферийную полости, причем периферийная полость сообщена с магистралью после пускоотсечного клапана трубопроводом, снабженным запорным органом и устройством, обеспечивающим ее заполнение перед открытием запорного органа. 2. Газотурбинная установка по п. 1, отличающаяся тем, что в ней устройство, обеспечивающее заполнение периферийной полости перед открытием запорного органа, выполнено в виде байпасной линии, снабженной пакетом жиклеров. 3. Способ запуска газотурбинной установки, основанный на предварительной раскрутке турбины воздухом от инжекторного устройства до заданной частоты вращения, подаче топлива в камеру сгорания и организации воспламенения полученной топливовоздушной смеси, отличающийся тем, что воздух на турбину от внешнего источника подают с массовым расходом, обеспечивающим, по крайней мере, начало ее вращения, после чего на часть форсунок камеры сгорания подают топливо с массовым расходом, обеспечивающим коэффициент избытка воздуха на них, достаточный для поджига, образовавшуюся топливовоздушную смесь поджигают и увеличивают расход топлива до величины, обеспечивающей коэффициент избытка воздуха не более 1,5 для всех форсунок камеры сгорания, после чего подают топливо на все форсунки из предварительно заполненного им питающего коллектора, а затем прекращают подачу воздуха от внешнего источника.

РИСУНКИ

Рисунок 1

www.findpatent.ru