СПОСОБ ЗАПУСКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1995 года по МПК F01D19/00 F02C7/26 

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 α 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 900^оС. При запуске практически отсутствовало дымление выхлопа, обычно имеющее место во время запуска газотурбинных двигателей.

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.

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.