Способ запуска газотурбинного двигателя Российский патент 2020 года по МПК F02N11/14 H02P1/50 F02C7/00 

Предлагаемое изобретение относится к области авиационной техники, а именно к стартер-генераторным устройствам для авиационных газотурбинных двигателей и способу их запуска и может быть использовано в системах электроснабжения, применяемых в летательных аппаратах, судах, других транспортных средствах и автономных объектах.

Запуск газотурбинного двигателя представляет одну из основных операций предполетной подготовки летательного аппарата. Для функционирования газотурбинного двигателя (ГТД) необходимо создать условия для подачи топлива в камеру сгорания, такие как расход воздуха и давление. Для создания этих условий ротор ГТД необходимо раскрутить до оборотов необходимых для выхода на режим малого газа.

Известны электрические способы запуска ГТД, которые осуществляется либо непосредственно стартером, либо стартер-генератором. При этом в качестве источника электрической энергии используются бортовые аккумуляторные батареи или аэродромный источник электрической энергии.

Способ запуска непосредственно от электростартера, который является отдельной конструктивной единицей относительно большой массы и габаритов и выполняет только функции запуска, а в дальнейшем является неиспользуемым грузом, увеличивает полетную массу летательного аппарата, что является основным его недостатком.

Наибольшее распространение для запуска современных газотурбинных двигателей получили способы, использующие совмещенный стартер-генератор.

Известен способ запуска ГТД от стартер-генератора постоянного тока, имеющего щеточно-коллекторный узел [Электрооборудование летательных аппаратов: учебник для вузов. В двух томах / Под редакцией С.А. Грузкова. Том 1. Системы электроснабжения летательных аппаратов. - М.: Издательство МЭИ, 2005., стр. 194-195]. Основным недостатком данного способа запуска ГТД является низкая надежность, обусловленная наличием щеточно-коллекторного узла.

Известен ГТД [Электрооборудование летательных аппаратов: учебник для вузов. В двух томах / Под редакцией С.А. Грузкова. Том 1. Системы электроснабжения летательных аппаратов. - М.: Издательство МЭИ, 2005., стр. 184-185], который содержит бесконтактный синхронный генератор с вращающимся выпрямителем, состоящий из трех электрических машин: основной электрической машины - генератора, возбудителя, подвозбудителя, имеющих общий корпус и вал и способ его запуска в стартерном режиме.

Известен способ запуска ГТД [патент РФ №2524776 С1], осуществляемый бесконтактным стартер-генератором, при котором в начальный момент запуска газотурбинного двигателя обмотку якоря основной электрической машины и обмотку возбуждения возбудителя через блок управления подключают к источнику питания, при этом блок управления обеспечивает опережение вектора магнитного потока основного генератора относительно оси полюса ротора, и начальная раскрутка газотурбинного двигателя осуществляется реактивным моментом. С увеличением частоты вращения индуцированная электродвижущая сила в обмотке якоря возбудителя, выпрямленная блоком вращающегося выпрямителя, питает обмотку возбуждения основной электрической машины, создавая активный вращающий момент. При достижении заданной частоты вращения блок управления отключают от обмотки якоря основной электрической машины. Тем самым, основную электрическую машину переводят в генераторный режим.

Основным недостатком данного способа запуска ГТД является необходимость датчика положения ротора синхронного генератора для реализации двигательного (стартерного) режима работы. Это влечет за собой усложнение конструкции электромашинного агрегата. Кроме того, на начальном этапе процесса запуска раскрутка осуществляется за счет реактивного момента. Для создания максимального реактивного момента требуется регулировка положения вектора тока обмотки якоря основной электрической машины относительно оси полюсов ротора по сложному закону, зависящему как от индуктивных параметров, так и от частоты вращения ротора, тока обмотки возбуждения основной электрической машины и напряжения обмотки возбуждения возбудителя.

Известен также способ запуска ГТД [патент РФ №2680287], принятый за прототип, осуществляемый бесконтактным стартер-генератором. Весь процесс запуска разбивается на два этапа. На первом этапе запуска газотурбинного двигателя реализуется асинхронный режим работы основной электрической машины, электромагнитный момент которой создается демпферной клеткой. Ко второму этапу фазы запуска переходят, когда скорость вращения вала достигает величины, при которой становится возможным вычисление угла положения ротора по величинам ЭДС, индуцируемых в обмотке якоря подвозбудителя. По соответствующей команде, формируемой блоком управления, обмотка возбуждения основной электрической машины получает питание постоянным током. В результате основная электрическая машина переводится в режим синхронного двигателя с зависимой коммутацией фаз. Для синхронизации осей магнитных потоков ротора и статора используют информацию о положении вала машины, в соответствии с которой реализуют поле ориентированную векторную систему управления [F. Blaschke. The principle of field-orientation as applied to the transvector closed loop control system for rotating-field machines: Siemens Rev., vol. 34, no. 1, pp. 217-220, 1972]. (Синхронные двигатели, работающие с зависимой коммутацией фаз, часто называют вентильными двигателями, в англоязычной литературе BLDC или PMSM). Второй этап запуск заканчивают, когда частота вращения роторного модуля оказывается достаточной для запуска и зажигания газотурбинного двигателя.

Основным недостатком данного способа запуска ГТД является необходимость организации поле ориентированной векторной системы управления основной электрической машины для реализации ее синхронного режима работы на втором этапе запуска, что приводит к усложнению управляющих устройств.

Задачей предлагаемого изобретения, является реализация на втором этапе запуска ГТД синхронного режима работы основной электрической машины без изменения конструкции синхронного генератора и усложнения управляющих устройств.

Технический результат достигается тем, что в известном способе запуска газотурбинного двигателя, осуществляемом трехкаскадным бесконтактным синхронным генератором, содержащим основную электрическую машину с демпферной клеткой, возбудитель, подвозбудитель, представляющий собой магнитоэлектрический генератор, и вращающийся выпрямитель, реализующим в начальный момент запуска газотурбинного двигателя асинхронный режим работы основной электрической машины, электромагнитный момент которой создается демпферной клеткой, с увеличением частоты вращения, для вычисления которой используются трехфазная система ЭДС, индуцируемых в обмотке якоря подвозбудителя, до так называемой подсинхронной величины, отличающейся на 3-5% от частоты питания основной электрической машины в асинхронном режиме, подается питание на обмотку возбуждения и основная электрическая машина переводится в синхронный режим работы, а при достижении заданной частоты вращения, определяемой числом оборотов малого газа газотурбинного двигателя, основная электрическая машина переводится в генераторный режим.

На Фиг. 1 приведена схема размещения электрических машин в корпусе генератора ГТД. На Фиг. 2 - схема соединения обмоток машин с управляющими устройствами, реализующая предлагаемый способ.

Основная электрическая машина - бесщеточный синхронный генератор с демпферной клеткой, возбудитель, подвозбудитель и вращающийся выпрямитель расположены в общем корпусе 1(Фиг. 1). На корпусе закреплены якорь основной электрической машины 2 с якорной обмоткой 3, индуктор возбудителя 4 с обмоткой возбуждения 5, якорь синхронного подвозбудителя 6 с якорной обмоткой 7. На общем для трех машин валу 8 закреплены явно выраженные полюса индуктора 9 основной электрической машины с обмоткой возбуждения 10, блок вращающегося выпрямителя 11, якорь синхронного возбудителя 12 с обмоткой 13 и система постоянных магнитов 14 синхронного подвозбудителя.

В соответствии с Фиг. 2 обмотка возбуждения возбудителя 5 и якорная обмотка подвозбудителя 7 соединены с блоком регулирования возбуждением 15, который, в свою очередь, соединен с блоком 16 формирования режимов работы основной электрической машины в двигательном режиме (в процессе запуска ГТД). Обмотка возбуждения 10 основной электрической машины через вращающийся выпрямитель 11 соединена с обмоткой якоря возбудителя 13. Обмотка якоря 3 основной электрической машины в двигательном режиме через линейный контактор 17 соединена с блоком 16, а в генераторном режиме через линейный контактор 18 с бортовой сетью электропитания летательного аппарата. Блок 15 содержит три входа, один из которых служит для подключения обмотки якоря 7 подвозбудителя, второй - для подключения к бортовой цепи питания, а третий для передачи информации о частоте трехфазной системы токов f_ref, генерируемой боком 16 для питания якорной обмотки 3 основной электрической машины в двигательном режиме. Выход блока 17 предназначен для соединения с обмоткой возбуждения возбудителя 5 на втором этапе фазы запуска и в генераторном режиме. Блок 15 состоит из трехфазного выпрямителя, который предназначен для питания постоянным током обмотки возбуждения 5 возбудителя, и управляющей части.

Блок 16 состоит из силовой и управляющей части. Силовая часть блока представляет собой классический трехфазный инвертор, который коммутирует фазы якорной обмотки 3 основной электрической машины бесконтактного явнополюсного синхронного генератора в двигательном режиме. Питание силовой части осуществляется либо от бортового источника постоянного тока, либо через выпрямитель от источника переменного тока.

Способ запуска газотурбинного двигателя в соответствии с предлагаемым изобретением осуществляется следующим образом. Для запуска используется бортовой трехкаскадный бесконтактный синхронный генератор, содержащий вращающийся выпрямитель и три электрические машины, имеющие общий корпус и вал: основная электрической машины с демпферной клеткой, возбудитель и подвозбудитель. Весь процесс запуска разбивается на два этапа. Во время первого этапа фазы запуска первоначально газотурбинный двигатель не работает, главную электрическую машину переводят в режим асинхронного двигателя посредством подачи трехфазной системы токов в статорные обмотки главной электрической машины. Трехфазную систему токов генерирует на первом этапе пуска инвертор блока управления 16, питание силовой части которого осуществляется от бортовой сети. С выхода блока 16 трехфазная система напряжений через линейный контактор 17 подается на обмотку якоря 3 основной электрической машины. Обмотка возбуждения 10 основной электрической машины на этой фазе запуска питание не получает. Взаимодействие магнитного потока обмотки якоря с токами, наведенными в короткозамкнутых клетках, образованных демпфирующими стержнями индуктора основной электрической машины, создает асинхронный электромагнитный момент. За счет этого момента осуществляется первоначальная раскрутка вала газотурбинного двигателя.

Как известно, при работе в режиме синхронного генератора демпфирующие стержни должны обеспечивать механическую прочность ротора, повышать коэффициент синусоидальной формы с одновременным обеспечением равномерности магнитного поля в рабочем пространстве, уменьшать последствия плохо распределенных трехфазных нагрузок и демпфировать вибрации во время переходных нагрузок.

Основной момент сопротивления, который необходимо преодолеть стартер-генератору в процессе запуска газотурбинного двигателя, создает компрессор. Этот момент пропорционален квадрату частоты вращения n компрессора:

М_сопр=А_кn²,

где А_к - постоянная, характеризующая параметры компрессора.

Таким образом, в начальный момент пуска стартер-генератор должен развить момент, необходимый для преодоления только инерции вращающихся частей [К.С. Бобов, В.А. Винокуров, B.C. Аскерко, М.В. Кравчук, Г.И. Панасюк. Авиационные электрические машины. Часть 1. Машины постоянного и переменного тока. Трансформаторы. / Под ред. К.С. Бобова. - ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского; 1960, стр. 199]. Поэтому асинхронный момент, создаваемый демпферной клеткой основной электрической машины при подключении ее статорной обмотки к трехфазной системе токов, оказывается достаточным для осуществления начальной раскрутки вала газотурбинного двигателя. По мере увеличения частоты вращения в обмотке якоря 7 подвозбудителя, который представляет собой трехфазный синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов 14, индуцируется трехфазная система ЭДС.

На втором этапе запуска газотурбинного двигателя основную электрическую машину переводят в режим синхронного двигателя, для чего подают питание на ее обмотку возбуждения. Ко второму этапу фазы запуска переходят, когда частота вращения вала ротора со основной электрической машины достигает подсинхронного значения по отношению к частоте вращающегося магнитного поля

ω=(0.95-0.97)27πf_ref,

при котором становится возможным втягивание в синхронизм вала ротора. При более низкой частоте вращения ротора по отношению к частоте вращающегося магнитного поля не обеспечивается надежность перехода машины в синхронный режим работы. При достижении заданной скорости блок регулирования 15 формирует команду на переход ко второму этапу фазы запуска. По этой команде обмотка якоря 7 подвозбудителя, через выпрямитель, располагаемый в блоке 15, подключается к обмотке возбуждения 5 возбудителя, питая ее постоянным током. Обмотка якоря синхронного возбудителя 13 соединяется через блок вращающегося выпрямителя 11 с обмоткой возбуждения 10 основного генератора. В результате обмотка возбуждения основной электрической машины так же получает питание постоянным током. В результате во втором этапе фазы запуска вал основной электрической машины втягивается в синхронизм по отношению к частоте питающего напряжения. Далее основная электрическая машина работает в режиме синхронного двигателя.

Второй этап запуск заканчивают, когда частота вращения роторного модуля оказывается достаточной для запуска и зажигания газотурбинного двигателя. После запуска и зажигания газотурбинного двигателя линейный контактор 17 размыкается. Главная электрическая переходит в режим бесконтактного синхронного генератора, трехфазное электрическое напряжение которого через линейный переключатель 18 подают в бортовую сеть летательного аппарата.

Предлагаемое техническое решение реализует функции двигательного режима бесконтактного синхронного генератора с демпферной обмоткой без изменения конструкции, увеличения массы и усложнения управляющих устройств, сохраняя достоинств бесконтактного явнополюсного синхронного генератора с вращающимся выпрямителем [Вентильные генераторы автономных систем электроснабжения. / Н.М. Рожнов, A.M. Русаков, A.M. Сугробов, П.А. Тыричев; Под ред. П.А. стр. 14], который в настоящее время является основным типом источника электрической энергии на борту большинства эксплуатируемых самолетов.

Изобретение относится к стартер-генераторным устройствам для авиационных газотурбинных двигателей и способу их запуска и может быть использовано в системах электроснабжения, применяемых в летательных аппаратах, судах, других транспортных средствах и автономных объектах. Основная электрическая машина - бесщеточный синхронный генератор с демпферной клеткой, возбудитель, подвозбудитель и вращающийся выпрямитель расположены в общем корпусе. На корпусе закреплены якорь основной электрической машины с якорной обмоткой 3, индуктор возбудителя с обмоткой возбуждения 5, якорь синхронного подвозбудителя с якорной обмоткой 7. На общем для трех машин валу закреплены явно выраженные полюса индуктора 9 основной электрической машины с обмоткой возбуждения 10, блок вращающегося выпрямителя 11, якорь синхронного возбудителя с обмоткой 13 и система постоянных магнитов 14 синхронного подвозбудителя. Техническим результатом, который достигается при использовании предлагаемого способа, является реализация на втором этапе запуска ГТД синхронного режима работы основной электрической машины с демпферной клеткой в составе трехкаскадного синхронного генератора без изменения ее конструкции и усложнения управляющих устройств. 2 ил.

Способ запуска газотурбинного двигателя, осуществляемый трехкаскадным бесконтактным синхронным генератором, содержащим основную электрическую машину с демпферной клеткой, возбудитель, подвозбудитель, представляющий собой магнитоэлектрический генератор, и вращающийся выпрямитель, реализующим в начальный момент запуска асинхронный режим работы основной электрической машины, отличающийся тем, что с увеличением частоты вращения до величины, отличающейся на 3-5% от частоты питания основной электрической машины в асинхронном режиме, подается питание на обмотку возбуждения и основная электрическая машина переводится в режим синхронного двигателя, а при достижении заданной частоты вращения, определяемой числом оборотов малого газа газотурбинного двигателя, основная электрическая машина переводится в генераторный режим.