Электростартер для запуска газотурбинных установок
ELECTRIC STARTER FOR STARTING GAS TURBINES

Электростартер для запуска газотурбинных установок
Изобретение относится к области электротехники, в частности к электростартерам для запуска газотурбинных установок, используемых в газоперекачивающих агрегатах и электрических станциях.
Известно, что запуск газотурбинных установок газоперекачивающих агрегатов, например НК-16СТ, осуществляется турбодетандером, при этом в атмосферу суммарно выбрасываются тысячи кубических метров природного газа, что не экологично и экономически не оправдано, [1, стр. 39].
2
Газотурбинные установки обладают большим моментом инерции ротора турбины, порядка 30 кг⋅м, и время раскрутки при запуске газотурбинной установки достигает 100 секунд и более. Известные электростартеры развивают быстро нарастающий пусковой момент, который может по величине превышать необходимый момент для раскрутки газотурбинной установки. Это приводит к динамическим ударам в сцепной кулачковой муфте одностороннего действия электростартера, как в момент запуска, так и в процессе раскрутки, и что может послужить причиной поломки трансмиссии.
Развиваемый электростартером момент, при выходе газотурбинной установки на режим работы, становится избыточным, что перегружает трансмиссию и приводит к перегреву электростартера.
Известен электростартер постоянного тока для запуска авиационных газотурбинных установок [2, стр. 1], содержащий сцепную кулачковую муфту одностороннего действия, редуктор, коллекторный электродвигатель постоянного тока и устройство включения стартера.
Недостатками известного электростартера является низкая надежность щеточно - коллекторного узла, наличие искрения в котором, усложняет обеспечение взрывобезопасности электростартера, большие габариты на требуемую мощность для запуска газотурбинной установки, повышенные токи в обмотках приводят к критическому нагреву обмоток, повышенному износу щеток и ускоренному нагреву коллектора.
Известен электростартер, [1, стр. 39-42] содержащий сцепную кулачковую муфту одностороннего действия, редуктор, асинхронный электродвигатель, подключенный к питающей сети через частотный преобразователь, снабженный измерителем частоты вращения электростартера, и устройство включения электростартера, взятый за прототип.
В данном электростартере так же наблюдаются удары в сцепной кулачковой муфте одностороннего действия при сцеплении и в процессе раскрутки газотурбинной установки, то есть, момент, развиваемый асинхронным электродвигателем, передаточное число редуктора и, следовательно, нагрев обмоток асинхронного электродвигателя не являются оптимальными, в совокупности, для использования его в качестве электростартера для запуска газотурбинной установки. При этом электростартер устанавливается на месте пневмостартера и не должен требовать доработки мест стыковки и дополнительных мест для размещения в газотурбинной установке, что позволит производить монтаж системы электрозапуска с электростартером в условиях эксплуатации.
Задача изобретения - получение электростартера с оптимальными техническими параметрами, наиболее полно обеспечивающего надежный и безопасный электрозапуск газотурбинной установки и ее эксплуатации вместо пневмостартера.
Технический результат изобретения - создание взрывобезопасного электростартера, с габаритами, позволяющими производить монтаж системы электрозапуска с электростартером в условиях эксплуатации, без доработки мест стыковки и дополнительных мест для размещения в газотурбинной установке, с достаточным и оптимальным развиваемым моментом асинхронного двигателя электростартера, не критичным нагревом его обмоток, позволяющим производить надежный и безопасный электрозапуск газотурбинной установки.
Поставленная задача решается следующим образом.
Предложен электростартер для запуска газотурбинной установки, содержащий сцепную кулачковую муфту одностороннего действия, редуктор, асинхронный электродвигатель, подключенный к сети питания через преобразователь частоты, снабженный измерителем частоты вращения электростартера, и устройством включения электростартера, отличающийся тем, что электростартер для запуска газотурбинной установки выполнен с соблюдением тождественных соотношений
Н
где М - номинальный момент раскрутки газотурбиной установки;
ЭЛ
М - номинальный момент асинхронного электродвигателя;
t - интервал времени, за которое достигается практически установившееся превышение температуры электродвигателя над температурой окружающей среды;
Т - постоянная времени нагрева асинхронного электродвигателя;
i - передаточное число редуктора;
η - К.П.Д. редуктора.
Известно, что при проектировании электродвигателя, специально предназначенного для кратковременного режима работы, стремятся к увеличению постоянной времени нагрева Т, так как при этом растет коэффициент перегрузки по току и по мощности. Увеличение постоянной времени нагрева Т, как правило, достигается увеличением теплоемкости электродвигателя.
Постоянная времени нагрева Т растет при прочих равных условиях пропорционально первой степени линейных размеров [3, стр. 132]. В данном случае габариты электростартера ограничены требованием возможности замены пневмостартера в эксплуатации и это ограничивает возможность увеличения линейных размеров, тем более, что обеспечение взрывобезопасности само собой уже вносит увеличение размеров, например, в местах стыковок корпусных деталей электростартера.
Известно выражение для постоянной времени нагрева Т [4, стр. 29]:
где  - установившееся превышение температуры электродвигателя над температурой окружающей среды;
с - удельная теплоемкость, Дж/кг⋅К;
G - масса, кг;
Р - мощность внутренних источников нагрева, Дж/с.
Для упрощения воспользуемся оценкой эквивалентных величин, аналогично [5, стр. 98]
Основной внутренний источник нагрева асинхронного электродвигателя это нагрев обмоток при прохождении по ним тока. Тепло выделяемое в обмотках определяется по закону Джоуля - Ленца, следовательно,
2
P~I,
где I - ток статора асинхронного электродвигателя, и учитывая выражение (2) можно записать, что
Момент, развиваемый асинхронным электродвигателем, равен
2
где I - приведенный к статору вторичный ток.
Следовательно, учитывая выражения (3) и (4) получаем
Отсюда увеличить постоянную времени нагрева асинхронного электродвигателя Т можно уменьшив момент асинхронного электродвигателя. Исходя из известного соотношения [5, стр. 157]
t=4⋅T,
в пределе, можем записать, что необходимо выполнить соотношение
Н
Понижающим редуктором с передаточным числом i получаем на выходе электростартера заданный номинальный момент раскрутки газотурбинной установки М. Отсюда, с учетом коэффициента полезного действия редуктора η, приходим к соотношению
Если рассмотреть график нагрева [5, стр. 157], то естественно допускается использовать в соотношении числа 1, 2 и 3, все зависит от назначения электростартера, условий использования, характера и величины нагрузок.
На предприятии АО "Электропривод" по предложенному соотношению выполнен электростартер СТЭ-18СТ с блоком управления БУС-18СТ.
Соединение электростартера с коробкой приводов газотурбинных установок при помощи шлицевого вала, а крепление по ОСТ 11876-74, обеспечивает установку электростартера вместо пневмостартера.
Электростартер обеспечивает холодную прокрутку, горячий запуск двигателя и промывку газовоздушного тракта.
Режим работы электростартера повторно - кратковременный. Максимально - напряженный цикл работы: четыре включения по сто секунд с перерывом продолжительностью пять минут между первым и вторым включениями, перерывом шесть минут между вторым и третьим включениями и перерывом семь минут между третьим и четвертым включениями. После четырех включений - полное охлаждение электростартера.
Номинальная мощность при частоте вращения выходного вала 2520 об/мин равняется 60-65 кВт. Диапазон частоты трехфазного переменного тока, подаваемого на электростартер от блока управления БУС-18СТ равен 0,1-400 Гц. Ток, потребляемый электростартером при номинальном моменте, не более 240 А. Номинальный момент, развиваемый электростартером равен 245 Н⋅м.
Электростартер состоит из следующих сборочных единиц, выполненных в одном корпусе: асинхронного электродвигателя, редуктора, муфты сцепления и выходного вала.
Асинхронный электродвигатель предназначен для привода электростартера и состоит из корпуса со статором, ротора и подшипникового щита. В корпус запрессован пакет статора с обмоткой. Соединение фаз обмотки - звезда, число пар полюсов обмотки p=2.
На корпусе расположена панель с выводами для подключения асинхронного электродвигателя к блоку управления БУС-18СТ. Ротор асинхронного электродвигателя короткозамкнутый, вращается на двух подшипниках. Один из подшипников установлен в корпусе электростартера, а другой в щите, который крепится к корпусу. На выходном конце вала ротора имеются шлицы для установки зубчатого колеса редуктора.
Редуктор предназначен для уменьшения частоты вращения и увеличения момента, передаваемых от асинхронного электродвигателя к выходному валу электростартера.
Редуктор одноступенчатый, четырехпоточный, выполнен в виде планетарной ступени с остановленным водилом. Центральное зубчатое колесо ступени закреплено на валу асинхронного электродвигателя, четыре паразитных зубчатых колеса установлены на неподвижном водиле, закрепленном в корпусе.
Подвижное корончатое зубчатое колесо связано с ведущим элементом муфты сцепления посредством эвольвентного шлицевого соединителя. Передаточное число редуктора i=4,45.
Муфта сцепления предназначена для сцепления электростартера, с помощью выходного вала со шлицами, с ротором газотурбинной установки во время запуска и расцепления после прекращения запуска.
Муфта состоит из ведущей и ведомой полумуфт. Сцепление полумуфт осуществляется торцевыми зубьями, обеспечивающими передачу крутящего момента в одном направлении вращения.
Выходной вал предназначен для передачи крутящего момента от электростартера к ротору газотурбинной установки.
В соответствии с предложенным соотношением имеем
i⋅η=4,
где η=0,9 расчетное К.П.Д. редуктора, тогда передаточное число редуктора равно
Момент на валу асинхронного электродвигателя равен
отсюда:
Уменьшив момент на валу асинхронного электродвигателя, соответственно увеличиваем постоянную времени нагрева Т, следовательно увеличивается и интервал времени, за которое достигается практически установившееся превышение температуры электродвигателя над температурой окружающей среды t. Соотношение  не изменится.
Таким образом, в данном электростартере СТЭ-18СТ выполнены предложенные соотношения.
По техническим условиям на электростартер СТЭ-18СТ нагрев обмоток составляет не более 105°С, что подтверждает правильность предложенного технического решения для исполнения электростартера.
На фиг. 1 представлены момент вращения, развиваемый электростартером М и частота вращения выходного вала электростартера n.
Электростартер работает следующим образом. Напряжение переменного тока с изменяющейся частотой и амплитудой, обеспечивающих поддержание заданного момента, (фиг.1) создаваемого асинхронным электродвигателем, от блока управления БУС-18СТ питает асинхронный электродвигатель электростартера.
При включении, преобразователь блока управления БУС-18СТ начинает медленно повышать частоту и величину напряжения, подаваемого на асинхронный электродвигатель, вращающий момент М (фиг. 1) начинает плавно увеличиваться, так же плавно начинает увеличиваться частота вращения n (фиг. 1).
Вращение от зубчатого колеса, закрепленного на валу асинхронного электродвигателя, через паразитные зубчатые колеса, передается на корончатое колесо, от которого через муфту сцепления вращение передается на выходной вал электростартера и далее на ротор газотурбинной установки.
Ведущая полумуфта муфты сцепления с корончатым зубчатым колесом соединена с помощью внутренней трехзаходной прямоугольной резьбы, обеспечивающей осевое перемещение ведущей полумуфты до сцепления с ведомой полумуфтой и наружных эвольвентных шлицев, обеспечивающих передачу крутящего момента от корончатого колеса к муфте сцепления.
Муфта выбирает свободный ход, происходит сцепление ее кулачков и электростартер начинает раскручивать ротор газотурбинной установки.
Примерно к пятой секунде значение вращающего момента становиться максимально заданным и сохраняет постоянную величину, соответственно асинхронный электродвигатель электростартера раскручивает ротор газотурбинной установки с постоянным вращающимся моментом.
Примерно на семидесятой секунде раскрутки ротора газотурбинной установки, по сигналу блока управления БУС-18СТ, развиваемый электростартером момент М будет уменьшаться с увеличением частоты (фиг. 1). Электростартер будет работать с постоянной мощностью на выходном звене, что исключает перегрузку трансмиссии.
При достижении ротором газотурбинной установки заданной частоты вращения блок управления БУС-18СТ выдает команду на отключение электростартера. Ротор газотурбинной установки обгоняет электростартер, и муфта сцепления отключает электростартер от газотурбинной установки.
Масса предложенного электростартера не более 65 кг.
Таким образом, решена поставленная задача и достигнут технический результат, получен малогабаритный, мощный, с увеличенными перегрузочными способностями, надежный электростартер во взрывозащищенном исполнении.
Предложенное техническое решение может применяться в различных отраслях промышленности, таких как автомобильная, судостроение, авиационная и т.д.
Ссылки на источники известности:
[1] Волокитина Е.Н., Никитин В.В., Носков Н.В., Шалагинов В.Ф. Электростартер для запуска газотурбинных установок // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2005. - №5. с. 39-42;
[2] Стартер - генератор СТГ-12ТМВ // Техническое описание, инструкция по технической эксплуатации. - Киров, - ОАО "Электропривод", - 1964.;
[3] Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины. В 2-х ч. Ч. 2. - Машины переменного тока. Учебник для студентов высш. техн. учеб. заведений. Изд. 3-е, перераб. Л., «Энергия», 1973. - 684 с. с ил.;
[4] Гуревич Э.И. Тепловые испытания и исследования электрических машин. Л., «Энергия», 1977. - 296 с. с ил.;
[5] Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. - 3-е изд., перераб. - Л.: Энергия, 1978. - 832 с., ил.;
[6] Гольдберг О.Д., Турин Я.С, Свириденко И.С. Проектирование электрических машин: Учебник для втузов / Под ред. О.Д. Гольдберга. - М.: Высш. шк., 1984. - 431 с., ил.