СПОСОБ ЗАПУСКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD OF GAS TURBINE ENGINE START-UP

Область техники
Изобретение относится к газотурбинному двигателю, и более конкретно, к способу запуска вспомогательной силовой установки, включающему цикл прогрева камеры сгорания.
Уровень техники
Последовательность действий при запуске газотурбинного двигателя, например используемого во вспомогательной силовой установке (ВСУ), обеспечивает согласование скорости двигателя, момента зажигания и начала подачи топлива, чтобы обеспечить надежный запуск. К газотурбинному двигателю присоединен двигатель-стартер, который приводит газотурбинный двигатель во вращение. По мере раскрутки основного двигателя двигателем-стартером топливный насос начинает подавать топливо в основной двигатель. Затем активируется устройство зажигания, чтобы произвести зажигание в камере сгорания. После успешного проведения зажигания и достижения двигателем самоподдерживающейся скорости двигатель-стартер отсоединяется или работает в качестве генератора.
В некоторых условиях, например на больших высотах или при низких температурах, или при сочетании этих условий возможен срыв пламени в газотурбинном двигателе. Вероятность неудачного запуска возрастает в случае предельных высот и температур входного потока воздуха.
Раскрытие изобретения
Способ запуска газотурбинного двигателя согласно одному из аспектов изобретения включает: управление скоростью двигателя-стартера при выполнении операций запуска с целью придания газотурбинному двигателю заданной минимальной скорости; поддерживание заданной минимальной скорости газотурбинного двигателя после осуществления зажигания, пока не будет определено достижение требуемого уровня прогрева камеры сгорания, и повышение скорости двигателя-стартера по достижении требуемого уровня прогрева камеры сгорания, чтобы разогнать газотурбинный двигатель.
Способ запуска газотурбинного двигателя согласно другому аспекту изобретения включает: управление скоростью двигателя-стартера при выполнении операций запуска с целью придания газотурбинному двигателю заданной минимальной скорости; поддерживание заданной минимальной скорости газотурбинного двигателя после осуществления зажигания, пока не будет достигнута заданная температура выхлопных газов (ТВГ), и повышение скорости двигателя-стартера по достижении заданной ТВГ, чтобы разогнать газотурбинный двигатель.
Краткое описание чертежей
Различные свойства изобретения станут ясны специалистам при рассмотрении нижеследующего подробного описания неограничивающего варианта изобретения совместно с прилагаемыми чертежами.
На фиг.1 представлена блок-схема стартера-генератора газотурбинного двигателя согласно изобретению.
На фиг.2 приведена блок-схема, иллюстрирующая последовательность действий при запуске с использованием модуля прогрева согласно изобретению.
На фиг.3 представлен график успешного запуска с использованием последовательности действий по фиг.2 в течение временного цикла, близкого к 3 мин.
На фиг.4 приведена последовательность действий, известная из уровня техники.
На фиг.5 представлен график неудачного запуска с использованием последовательности действий по фиг.4 в течение временного цикла менее 1 мин.
Осуществление изобретения
На фиг.1 представлена схема вспомогательной силовой установки (ВСУ) 10. ВСУ 10 содержит газотурбинный двигатель 12, систему 14 стартера-генератора и топливную систему 16. Газотурбинный двигатель 12 содержит компрессорную секцию 12С, турбинную секцию 12Т и секцию (камеру) 12М сгорания. Компрессорная секция 12С обеспечивает нагнетание воздуха в камеру 12М сгорания для сжигания топлива в этой камере в условиях высокого давления. Горение топлива в камере 12М сгорания обеспечивает нагрев воздуха до его поступления в турбинную секцию 12Т. Продукты горения, расширяющиеся внутри турбинной секции 12Т до объема, превышающего поток топлива, в режиме холостого хода генерируют более высокую мощность, чем требуемая для функционирования компрессорной секции 12С. Поэтому часть воздуха (именуемая "стравливаемым воздухом") может быть отведена и использована в качестве пневматического источника для питания других устройств. Альтернативно эта мощность может быть использована для приведения в действие дополнительного компрессора, который обеспечивает сжатие воздуха на отдельной ступени, приводит в действие другие системы или выполняет обе названные функции.
Система 14 стартера-генератора и топливная система 16 могут содержать независимые контроллеры 18, 20, которые обеспечивают управление данными системами и могут быть реализованы в виде соответственно запрограммированных микропроцессоров или любых иных процессорных устройств, снабженных устройством интерфейса и датчиками. Хотя на схеме контроллеры 18, 20 представлены в виде отдельных блоков, они могут быть объединены в единый контроллер ВСУ. Дополнительно или альтернативно контроллеры 18, 20 могут быть связаны друг с другом через центральный контроллер более высокого уровня, например соответствующий электронно-цифровой системе управления двигателем (full authority digital electronic control, FADEC) 22. Контроллеры 18, 20, 22 связываются друг с другом через коммуникационную шину 23 или аналогичный канал связи. Контроллеры 18, 20, 22 могут быть снабжены системами обратной связи, содержащими средства линейного управления, реализующими пропорционально-интегрально-дифференциальное (ПИД) регулирование для обеспечения требуемого отклика и компенсации нежелательных дестабилизирующих сил. Должно быть понятно, что изобретение допускает применение различных комбинаций контроллеров и датчиков.
Система 14 стартера-генератора содержит двигатель-стартер 24, который получает электропитание через преобразователь 25 от электрического источника 26 питания, такого как батарея, источник переменного тока, источник постоянной мощности или комбинированный источник. Двигатель-стартер 24, который может представлять собой бесщеточный двигатель постоянной мощности, двигатель переменного тока, вентильно-индукторный двигатель (Switched Reluctance Motor, SRM) или их комбинацию, связан с ротором 34 газотурбинного двигателя 12 через редуктор 30, чтобы передавать крутящий момент двигателю 12 или получать крутящий момент от этого двигателя. Должно быть понятно, что, в качестве альтернативы, двигатель-стартер 24 может вращать ротор 34 непосредственно, без применения промежуточного редуктора, муфты и т.д. После того как газотурбинный двигатель 12 достигнет своей рабочей скорости, двигатель-стартер 24 может функционировать как электрогенератор, питающий различные нагрузки и системы.
s
t
Двигатель-стартер 24 реагирует на сигналы, поступающие от контроллера 18 системы стартера-генератора и FADEC 22. FADEC 22 связана с комплектом датчиков, включающим датчик S скорости, который отслеживает скорость ротора 34, и датчик S температуры, который отслеживает температуру выхлопных газов (ТВГ) газотурбинного двигателя 12. Должно быть понятно, что в комплект датчиков можно дополнительно или альтернативно включать и другие датчики. Контроллер 18 реагирует также на командный сигнал, который может быть выдан замыканием ключа 32, инициирующим или завершающим последовательность действий при запуске.
Топливная система 16 обычно содержит приводной двигатель 36 насоса, который связан с контроллером 20 топливной системы и обеспечивает работу на различных скоростях топливного насоса Р, снабжающего топливом камеру 12М сгорания газотурбинного двигателя 12. Топливная система 16 работает в соответствии с сигналами, поступающими от контроллера 20 топливной системы и от FADEC 22.
Как показано на фиг.2, запуск инициируется пусковой командой (командой "запуск"), подаваемой, например, замыканием стартового ключа 32 (шаг 100). Контроллер 18 стартера выдает команду двигателю-стартеру 24 придать управляемый момент вращения ротору 34 газотурбинного двигателя 12. Газотурбинный двигатель 12 разгоняется до заданной минимальной скорости для осуществления зажигания. Диапазон скоростей двигателя, в котором с наибольшей вероятностью произойдет зажигание, именуется "окном зажигания" ("light-off window") и в типичном случае составляет 5-20% от номинальной скорости двигателя. В неограничивающем варианте изобретения двигатель-стартер 24 к моменту зажигания (примерно за 62 с) раскручивает газотурбинный двигатель до скорости, составляющей от 12% до 8% его номинальной скорости (фиг.3). После включения зажигания ТВГ начинает повышаться.
Вместо практически немедленно следующего за этим, в типичной ситуации, ускорения газотурбинного двигателя с риском срыва пламени (flame out) (см. фиг.4 и 5, иллюстрирующие уровень техники), двигатель-стартер 24 работает в зависимости от состояния модуля 40 прогрева (см. фиг.2).
Модуль 40 прогрева осуществляет цикл прогрева, который будет описан в терминах функциональных блок-схем. Из приводимого описания специалистам будет понятно, что данные функции могут быть реализованы с помощью специализированных контуров или электронного управления на базе микропроцессора, в котором запрограммировано выполнение соответствующих действий, или с применением соответствующей машиночитаемой среды. В одном неограничивающем варианте модуль 40 может являться либо частью любого из контроллеров 18, 20, 22 или любой их комбинации, либо каких-либо других систем.
В процессе функционирования, после инициирования запуска (на шаге 100), контроллер 18 стартера выдает команду двигателю-стартеру 24 придать газотурбинному двигателю 12 момент вращения, соответствующий заданной "минимальной" скорости (шаг 102). Сначала двигатель-стартер 24 раскручивает газотурбинный двигатель 12 до заданной скорости (заданного числа оборотов) (шаг 104). На фиг.3 представлен пример запуска, включающего цикл прогрева камеры сгорания, для газотурбинного двигателя 12 на большой высоте (9,144 км). Период, соответствующий раскрутке до заданной минимальной скорости, начинается примерно через 52 с. По мере возрастания скорости контроллер 18 стартера модулирует вращающий момент двигателя-стартера 24, чтобы обеспечить приближение к скорости, соответствующей окну зажигания (шаг 106). По достижении этой скорости активируется источник зажигания. Скорость газотурбинного двигателя непрерывно отслеживается до достижения скорости, соответствующей началу подачи топлива, после чего в камеру 12М сгорания начинает поступать топливо (шаги 108 и 110). По мере первоначального возрастания скорости газотурбинного двигателя контроллер 18 стартера модулирует вращающий момент, создаваемый двигателем 24 стартера, чтобы удерживать скорость газотурбинного двигателя в пределах указанного окна зажигания (шаги 112 и 114).
Как показано на фиг.3, после того как двигатель-стартер 24 начинает раскручивать газотурбинный двигатель 12, скорость этого двигателя возрастает. Поскольку двигательная сила создается двигателем 24 стартера, до достижения окна зажигания температура выхлопных газов (ТВГ) газотурбинного двигателя 12 остается примерно постоянной и близкой к температуре окружающего воздуха. После осуществления зажигания ТВГ начинает возрастать.
Модуль 40 прогрева управляет двигателем 24 стартера таким образом, чтобы заданная минимальная скорость газотурбинного двигателя 12 поддерживалась до достижения заданного прогрева камеры сгорания (шаги 116, 118). В одном неограничивающем варианте заданный уровень такого прогрева определяется достижением ТВГ уровня, составляющего, например, 278°С и соответствующего завершению цикла прогрева камеры 12М сгорания. Альтернативно или дополнительно для определения степени прогрева можно использовать и другие параметры, например временную задержку после достижения окна зажигания или показания измерителя объемного расхода топлива.
Таким образом, модуль 40 прогрева обеспечивает выполнение цикла прогрева камеры 12М сгорания, что позволяет этой камере достичь нужной температуры и избежать риска срыва пламени, который в известном режиме запуска (см. фиг.4) может иметь место примерно через 23 с (см. фиг.5). Как показано на фиг.5, срыв пламени происходит примерно в то время, когда двигатель-стартер начинает разгонять двигатель после достижения окна зажигания (что является типичным для стандартного режима запуска).
Модуль 40 прогрева может использоваться только в конкретных вариантах режима запуска, например на больших высотах (более 9 км), чтобы учесть низкую плотность воздуха и низкие температуры. Альтернативно, даже при наземном запуске крайне холодные температуры могут инициировать запуск модуля 40 прогрева. Если на шаге 116 установлено, что разность "текущей ТВГ" и "начальной ТВГ" превышает заданное значение, модуль 40 прогрева может обеспечить соответствующий прогрев. После осуществления необходимого прогрева посредством двигателя 24 стартера создается дополнительный вращающий момент, который обеспечивает раскрутку газотурбинного двигателя 12, но с обеспечением непрерывной работы камеры 12М сгорания (шаг 118). Хотя скорость двигателя, при приложении со стороны двигателя 24 стартера минимального вращающего момента, поддерживается примерно постоянной, она постепенно возрастает по мере постепенного повышения стабильности работы газотурбинного двигателя 12 в связи с нагревом камеры 12М сгорания. Таким образом, даже при приложении минимального вращающего момента двигателем 24 стартера, выходная мощность газотурбинного двигателя 12 увеличивается.
Должно быть понятно, что хотя модуль 40 прогрева обеспечивает надежный запуск даже в неблагоприятных условиях, его использование приводит к небольшому увеличению длительности запуска. Поэтому может оказаться желательным использовать модуль 40 прогрева только в определенных, сложных условиях запуска двигателя, например на уже упомянутых больших высотах, при низких температурах или при наличии обоих этих условий.
После выхода из области низких скоростей двигателя в начале запуска двигатель-стартер 24 получает команду приложить максимальный вращающий момент, чтобы быстро разогнать газотурбинный двигатель 12 до самоподдерживающейся (установившейся) рабочей скорости (шаг 120). Когда газотурбинный двигатель достигнет данной скорости, в типичном случае составляющей примерно 50% максимальной управляемой скорости ротора, двигатель-стартер 24 может быть остановлен. После этого газотурбинный двигатель 12 будет продолжать ускоряться до достижения нормальной ("стопроцентной") рабочей скорости, на которой может начаться функционирование генератора. После этого газотурбинный двигатель может быть переведен в режим постоянной скорости.
Следует отметить, что идентичные или схожие компоненты имеют одно и то же обозначение на различных чертежах. Следует также отметить, что, хотя был описан и проиллюстрирован конкретный вариант изобретения, возможны и другие варианты его осуществления.
Хотя в описании на чертежах и в прилагаемой формуле изобретения раскрыта определенная последовательность шагов, должно быть понятно, что без выхода за пределы изобретения указанные шаги могут выполняться в любом приемлемом порядке, по отдельности или непрерывно, если порядок их выполнения специально не оговорен.
Приведенное описание имеет иллюстративный, а не ограничивающий характер. В описании раскрыты различные неограничивающие варианты изобретения; однако специалисту будет понятно, что они допускают модификации, не выходящие за пределы формулы изобретения. Поэтому допустимы различные отклонения от конкретных данных, приведенных в описании, без выхода за границы изобретения, определяемые прилагаемой формулой.