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

Настоящее изобретение относится к области газотурбинных двигателей, в частности к области турбовальных двигателей для летательного аппарата.
Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу запуска газотурбинного двигателя, при этом указанный газотурбинный двигатель содержит:
камеру сгорания, имеющую воспламеняющее устройство и, по меньшей мере, одну основную форсунку, при этом указанная камера имеет выход;
вал, соединенный с рабочим колесом компрессора, расположенным выше по потоку относительно камеры сгорания для ее снабжения сжатым воздухом;
стартер, соединенный с указанным валом;
при этом указанный способ содержит:
первый этап запуска, во время которого стартер активируется для приведения вала во вращение; и
первый этап воспламенения, во время которого топливо впрыскивается в камеру сгорания, при этом воспламеняющее устройство активируется. Во время этого этапа в основные форсунки предпочтительно подается топливо.
Как правило, в конце первого этапа запуска устойчивое горение устанавливается в камере сгорания после инициирования посредством воспламеняющего устройства, которое обычно представляет собой свечу зажигания, тем самым приводя к запуску газотурбинного двигателя.
Как только газотурбинный двигатель запустился, т.е. как только турбина высокого давления работает под действием вращательного привода от потока отработавшего газа, выходящего из камеры сгорания, и обеспечивает приведение вала во вращение автономным образом, воспламеняющее устройство и стартер выключаются.
Тем не менее попытка запуска газотурбинного двигателя может оказаться неудачной, например, если крутящий момент от стартера является слишком высоким или, в действительности, если давление впрыска топлива устанавливается, когда также вал уже приводится в движение посредством стартера с частотой вращения, которая является слишком большой. Это может происходить, например, в результате наличия воздуха в контуре подачи топлива, или, в действительности, это может происходить, когда наружная температура является очень низкой.
Целью настоящего изобретения является обеспечение способа запуска газотурбинного двигателя, который является более надежным, при этом также делая возможным увеличить диапазон, на протяжении которого запуск может выполняться в условиях, которые являются сложными, такие как, например, запуск на большой высоте или при очень низкой температуре.
Изобретение достигает этой цели посредством того факта, что способ дополнительно включает в себя этап повторного запуска, который выполняют, если горение не устанавливается надлежащим образом, когда вал достиг первого заданного значения частоты, при этом указанный этап повторного запуска содержит:
этап останова, во время которого стартер и воспламеняющее устройство останавливаются;
второй этап воспламенения, во время которого топливо впрыскивается в камеру сгорания, при этом воспламеняющее устройство активируется, при этом указанный второй этап воспламенения выполняется, когда частота вращения вала достигает второго заданного значения частоты; и
второй этап запуска, во время которого стартер еще раз активируется для приведения вала во вращение.
Этап повторного запуска, таким образом, выполняют, если воспламенение газотурбинного двигателя не произошло.
Во время этапов воспламенения и запуска топливо впрыскивается через основную форсунку, или, если имеется, через пусковую форсунку, а также основную форсунку. Пусковая форсунка может быть отдельной от основной форсунки, или она может быть включена в нее (двухконтурная основная форсунка).
Отсутствие воспламенения в газотурбинном двигателе определено здесь, как отсутствие горения, создающего достаточно тепла, когда вал достиг первого заданного значения частоты. При таких обстоятельствах частота вала находится за пределами окна частоты, известного как окно "запуска", заданного между очень низким значением частоты и некоторым другим значением частоты, находящимся между первым и вторым заданными значениями частоты.
Более того, второй этап воспламенения и второй этап запуска выполняются после этапа замедления.
Таким образом, можно понять, что, когда первая попытка воспламенения в газотурбинном двигателе не удалась, этап повторного запуска представляет собой новую попытку запуска газотурбинного двигателя. Этот этап предпочтительно выполняется, когда частота вращения вала уменьшилась в результате остановки стартера, и достаточно уменьшилась для того, чтобы снова находиться в окне воспламенения.
Более того, посредством изобретения частота вращения вала остается в пределах окна воспламенения в течение большего времени, тем самым увеличивая до максимума шансы запуска.
В изобретении частота вращения вала, таким образом, приводится обратно в окно воспламенения посредством остановки стартера до выполнения второго этапа воспламенения. Другими словами, вал замедляется во время этапа останова.
Предпочтительно, но не исключительно, впрыск топлива останавливается во время этапа останова.
В варианте второй этап воспламенения и второй этап запуска могут быть одновременными.
Предпочтительным и неисключительным образом для турбовального двигателя для летательного аппарата типа вертолета первое заданное значение частоты находится в диапазоне от 15% до 20% от максимальной частоты двигателя, тогда как второе заданное значение частоты находится в диапазоне от 10% до 15% от максимальной частоты двигателя.
Предпочтительно этап останова выполняется, если температура у выхода из камеры сгорания, как измеренная, когда вал достиг первого заданного значения частоты, ниже, чем первое заданное значение температуры.
Температура, измеренная у выхода из камеры сгорания, представляет собой указатель, который является предпочтительным с точки зрения определения того, установлено ли надлежащим образом горение (т.е. воспламенена(ы) ли основная(ые) форсунка(и) надлежащим образом, или нет, и/или воспламенена(ы) ли пусковая(ые) форсунка(и) надлежащим образом, или нет).
Первое заданное значение температуры, таким образом, выбирается так, что, если измеряемая температура у выхода из камеры сгорания больше, чем оно, в таком случае камера сгорания, очень вероятно, воспламенилась надлежащим образом.
Наоборот, если измеряемая температура ниже, чем первое заданное значение температуры, в таком случае является очень вероятным, что камера сгорания не была воспламенена.
Предпочтительным, но неисключительным образом, первое заданное значение температуры находится в диапазоне от 150°C до 250°C.
В варианте первое заданное значение температуры определяется из температуры газотурбинного двигателя в начале первого этапа воспламенения. Например, первое заданное значение температуры может соответствовать температуре на около 100°C выше чем температура газотурбинного двигателя в начале первой попытки запуска.
Таким образом, если воспламенение камеры во время первого этапа воспламенения не удалось, эта неудача обнаруживается посредством измерения температуры у выхода из камеры сгорания, стартер и воспламеняющее устройство останавливаются до тех пор, пока частота вала не станет меньше, чем второе заданное значение скорости, после чего выполняется второй этап воспламенения.
Предпочтительно второй этап запуска выполняется после истечения определенного времени с момента второго этапа воспламенения.
Преимущество заключается в том, чтобы обеспечить то, что основная форсунка (или пусковая форсунка, если имеется) надлежащим образом воспламеняется до повторного увеличения частоты вращения вала, тем самым ограничивая какой-либо риск повторного выхода за окно воспламенения без воспламенения камеры.
Предпочтительно второй этап запуска выполняется, когда температура у выхода из камеры сгорания достигла второго заданного значения температуры.
Этот тест делает возможным обеспечить то, что основная форсунка и/или пусковая форсунка надлежащим образом воспламенились.
Это второе заданное значение температуры ниже, чем первое заданное значение температуры. Второе заданное значение температуры предпочтительно находится в диапазоне от 50°С до 150°С.
В варианте второе заданное значение температуры определяется из температуры газотурбинного двигателя в начале второго этапа воспламенения. Например, второе заданное значение температуры может соответствовать температуре на около 25°C выше чем температура газотурбинного двигателя в начале второго этапа воспламенения.
Предпочтительно второй этап запуска выполняется одновременно со вторым этапом воспламенения.
После второго этапа запуска частота вала увеличивается еще раз, и в изобретении вышеупомянутый этап повторного запуска повторяется, если горение по-прежнему не было установлено надлежащим образом в камере сгорания, когда вал снова достигает первого заданного значения частоты.
Предпочтительно стартер и воспламеняющее устройство останавливаются после того, как вал достиг третьего заданного значения частоты.
Третье заданное значение частоты, большее чем второе заданное значение частоты, выбирается таким образом, что, когда частота вала достигла этого значения, является фактом, что газотурбинный двигатель работает автономно.
В этот момент топливо распыляется только посредством основных форсунок.
Предпочтительно третье заданное значение вращения находится в диапазоне от 30% до 65% от максимальной частоты двигателя.
В этом варианте этап повторного запуска может повторяться несколько раз в случае последовательных отказов. Тем не менее, может быть предпочтительным ограничить количество попыток, которые предпочтительно должны выполняться автоматически, с помощью подходящего средства управления. В качестве неограничивающего примера с двигателем вертолета является предпочтительным выполнять только две попытки запуска (первый этап запуска и этап повторного запуска).
В предпочтительном варианте осуществления камера также включает в себя пусковую форсунку, причем форсунка предпочтительно является отдельной от основной(ых) форсунки(ок). Во время первого этапа воспламенения пусковая форсунка впрыскивает топливо в камеру сгорания.
Таким образом, можно понять, что в этом варианте осуществления такой газотурбинный двигатель, который, в качестве примера, но необязательно, может представлять собой турбовальный двигатель вертолета, запускается посредством использования одной или более специальных форсунок, которые называются пусковыми форсунками. Для запуска газотурбинного двигателя пламя от этих форсунок затем передается на основную систему впрыска, которая состоит из основной(ых) форсунки(ок).
В этом варианте осуществления пусковая форсунка предпочтительно, но не исключительно, также останавливается во время этапа останова и этапа повторного запуска.
Более того, по-прежнему в этом варианте осуществления пусковая форсунка впрыскивает топливо в камеру сгорания во время второго этапа воспламенения.
Настоящее изобретение также относится к компьютерной программе, включающей в себя инструкции для выполнения этапов способа запуска по изобретению, когда компьютерная программа выполняется на компьютере. Изобретение также относится к машиночитаемому носителю, имеющему вышеупомянутую компьютерную программу, хранящуюся на нем.
В заключение, изобретение обеспечивает компьютер газотурбинного двигателя, включающий в себя носитель по изобретению.
Изобретение может быть лучше понятным, и его преимущества лучше проявляются при прочтении нижеследующего описания варианта осуществления, данного в качестве неограничивающего примера. Описание ссылается на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 представляет собой график, показывающий изменение в зависимости от времени, при осуществлении способа запуска по изобретению, температуры у выхода из камеры сгорания, частоты вращения вала и давления впрыскивания топлива;
Фиг. 2 представляет собой схему последовательности способа запуска по изобретению; и
На фиг. 3 показан турбовальный двигатель вертолета, включающий в себя компьютер для осуществления способа запуска по изобретению.
Пример турбовального двигателя 10 вертолета показан на Фиг. 3. Традиционно, турбовальный двигатель 10 имеет вал 12, имеющий смонтированные на нем последовательно рабочее колесо 14 компрессора ступени 16 сжатия и рабочее колесо 18 турбины высокого давления. Турбовальный двигатель 10 также имеет воздухозаборное отверстие 20, ведущее к ступени сжатия. Воздух, сжатый посредством ступени 16 сжатия, забирается в камеру 22 сгорания, где он смешивается с топливом. Смесь, получаемая таким образом, сгорает, и продукты сгорания отводятся из камеры 22 сгорания через ее выход 24. Как можно увидеть на Фиг. 3, поток отработавшего газа приводит рабочее колесо 18 турбины высокого давления во вращение и также приводит во вращение свободную турбину 26, расположенную ниже по потоку относительно рабочего колеса 18 турбины высокого давления.
Тем самым и известным образом при нормальной работе вал приводится во вращение посредством потока отработавшего газа, генерируемого камерой сгорания.
Здесь внимание уделяется более конкретно камере 22 сгорания.
Как можно увидеть на Фиг. 3, камера сгорания имеет одну или более пусковых форсунок 28 (показана только одна) и несколько основных форсунок 30 (показана только одна).
Естественно способ запуска по изобретению может использоваться в газотурбинном двигателе, имеющем камеру сгорания без каких-либо пусковых форсунок, или в котором основная форсунка также работает в качестве пусковой форсунки. Вариант осуществления, описанный ниже, таким образом не является ограничивающим.
Функция основных форсунок заключается в распылении топлива в камере 22 сгорания для его смешивания со сжатым воздухом.
Более того, воспламеняющее устройство 32, связанное с пусковыми форсунками 28, обеспечивает им возможность воспламенения. Воспламеняющее устройство 32 служит для воспламенения топлива, распыляемого посредством пусковых форсунок 28. Как пример, воспламеняющее устройство может представлять собой свечу зажигания для создания искры. Правильное воспламенение пусковых форсунок 28 затем вызывает пламя, которое распространяется в камере и воспламеняет топливо, распыляемое посредством основных форсунок 30.
В соответствии с изобретением турбовальный двигатель 10 включает в себя компьютер 40, имеющий носитель 42 типа оперативной памяти (ОЗУ), постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), или жесткого диска, или любого другого типа памяти, причем носитель хранит компьютерную программу, содержащую инструкции для выполнения этапов способа запуска, который описывается ниже.  Время t графически изображено вдоль оси абсцисс.
Более конкретно, на Фиг. 1 показан способ запуска по изобретению, который предпочтительно включает в себя этап Е2 повторного запуска, который выполняется после неудачной первой попытки при запуске Е1.
Во время первой попытки при запуске выполняется первый этап S100 запуска, во время которого стартер 44 активируется для приведения вала 12 во вращение. Этот этап начинается сразу после момента времени t1.
В момент времени t1 выполняется первый этап S110 воспламенения, во время которого пусковая(ые) форсунка(и) впрыскивает(ют) топливо в камеру 22 сгорания, при этом само воспламеняющее устройство активируется для воспламенения топлива, распыляемого посредством пусковой форсунки. Другими словами, начиная с момента времени t1, требуется воспламенить пусковую форсунку и затем основные форсунки.
Между моментами времени t1 и t2 частота вала 12, приводимого в движение посредством стартера 44, увеличивается, при этом пусковая форсунка распыляет топливо, при этом тем не менее не являясь способной создать пламя, которое является достаточно стабильным для воспламенения камеры сгорания. В результате, температура Т увеличивается очень ненамного.
В соответствии с изобретением температура Т измеряется в момент времени t2, который соответствует моменту времени, в который частота вращения вала 12 превышает первое заданное значение частоты NG1, конкретно 20% от максимальной частоты двигателя NGmax, частота которого составляет порядка нескольких тысяч оборотов в минуту (об/мин).
На этом этапе выполняется тест Т120: если измеренная температура выше чем или равна первому заданному значению температуры Т1, конкретно 250°C, в таком случае тест является положительным, что означает, что горение было надлежащим образом инициировано, и что газотурбинный двигатель запускается надлежащим образом.
В противном случае, если измеренная температура Т меньше чем Т1, как в показанном примере, в таком случае тест является отрицательным, что означает, что основные форсунки 30 не были воспламенены, другими словами, что горение не установлено надлежащим образом, и что, следовательно, газотурбинный двигатель не запустился.
При таких обстоятельствах и в соответствии с изобретением выполняется этап S200 повторного запуска, пытающийся выполнить попытку еще раз запустить турбовальный двигатель 10.
Этот этап S200 повторного запуска содержит следующие этапы последовательно.
Сначала, во время этапа S210 останова, стартер 44 останавливается, как и пусковая форсунка 28, а также воспламеняющее устройство 32. После этого частота NG вала 12 уменьшается, поскольку он больше не приводится в движение посредством стартера.
Затем во время теста Т220 определяется, достигла ли частота NG вала 12 второго заданного значения частоты NG2, конкретно 10% от вышеупомянутой максимальной частоты двигателя. Если тест Т220 является отрицательным, в таком случае тест повторяется. Наоборот, если тест Т220 является положительным, это означает, что частота вала 12 вернулась в диапазон воспламенения. Затем в изобретении выполняется второй этап S230 воспламенения для воспламенения пусковых форсунок, причем во время этого этапа пусковая форсунка 28 впрыскивает топливо в камеру 22 сгорания, при этом воспламеняющее устройство 32 в таком случае активируется. На графике Фигуры 1 второй этап S230 воспламенения начинается в момент времени t3.
Затем выполняется второй этап S250 запуска, во время которого стартер еще раз активируется для приведения вала 12 во вращение. Этот второй этап запуска выполняется, если обнаружено во время теста Т240, что температура Т, как измеренная у выхода из камеры сгорания, достигла второго заданного значения температуры Т2, конкретно 50°C. В показанном примере второй этап S250 запуска выполняется в момент времени t4. Что касается этого момента времени, частота вращения NG вала 12 снова увеличивается.
Затем еще раз выполняется тест Т120, т.е. температура измеряется у выхода из камеры 22 сгорания в момент времени, когда вал 12 достигает значения NG1 еще раз. На графике можно увидеть, что в этот момент времени температура Т выше, чем первое заданное значение температуры Т1, указывая на то, что основные форсунки 30 воспламенились и, таким образом, на то, что турбовальный двигатель 10, очень вероятно, запустился надлежащим образом.
В момент времени t5, когда вал достиг третьего заданного значения частоты NG3, конкретно 50% от максимальной величины, стартер останавливается, как и пусковая форсунка и воспламеняющее устройство, так как турбовальный двигатель теперь работает автономным образом.