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 α закрутки рабочего тела на лопатки 13 соплового аппарата 7 камеры сгорания и углом β 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 α и β перед началом запуска. При этом угол α₁ положительный, а угол β₁ 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, α₁=β₁ 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, α₁<β₂, 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 l_n (фиг. 4). Таким образом, стартер 9 работает только на участке I_max-I_n 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        

---