Электропривод для запуска газотурбинной установки
ELECTRIC DRIVE FOR GAS TURBINE PLANT START-UP

Изобретение относится к области двигателестроения и, в частности, к электростартерам для запуска газотурбинных установок, используемых в газоперекачивающих агрегатах и электрических станциях.
Известно, что для запуска газотурбинного двигателя используют стартер, который передает вращающий момент к валу  газотурбинного двигателя (ГТД). Вращающий момент подразумевает преодоление  сопротивления вращению,  которое обусловлено  аэродинамическим сопротивлением вращающихся частей, механическим трением контактирующих деталей и потерь, связанных с жидкостным трением между контактирующими деталями, погруженными в жидкую среду, по меньшей мере, одного гидравлического контура смазки и/или регулирования температуры, связанного с упомянутым газотурбинным двигателем. Стартер постепенно с ускорением раскручивает газотурбинный двигатель, и, когда достигается заданная скорость вращения, инициируется впрыскивание и зажигание топлива в камере сгорания газотурбинного двигателя. Затем при другой заданной скорости вращения действие стартера прекращается, и газотурбинный двигатель продолжает ускоряться до скорости холостого вращения за счет мощности, появляющейся при сгорании топлива.
В настоящее время известны системы запуска ГТД, в которых в качестве пускового устройства используются электростартер (Э/С) или стартер генератор (СТГ).
В известном техническом решении применяется система запуска ГТД с помощью Э/С или СТГ, соединенного с ротором двигателя, включающая источник электроэнергии постоянного напряжения, соединенный с Э/С или СТГ через регулировочное устройство. Регулировочное устройство в известном техническом решении содержит: датчик тока, который замеряет величину тока, потребляемого Э/С или СТГ, электронный ключ для обеспечения переменной скважности в силовой цепи Э/С или СТГ и датчик рассогласования фактической и заданной величины потребляемого тока. При достижении предельно допустимой скважности электронного ключа подключается дополнительный источник электроэнергии. (см.патент на полезную модель №55879, МПК F02C 7/26 (2006.01), 2006 г.)
Недостатком существующего технического решения является то, что по мере увеличения оборотов Э/С или СТГ возрастает противоЭДС, что вызывает необходимость при достижении предельно допустимой скважности электронного ключа подключать дополнительный источник электроэнергии.
Известна  конструкция газотурбинного двигателя ТРДД-50, разработанного АО “Омское моторостроительное конструкторское бюро” (“Двигатели 1944-2000: авиационные, ракетные, морские, наземные”. - М.: ООО “АКС - Конверсалт”, 2000).
В этой конструкции ГТД для запуска и выработки на рабочем режиме электроэнергии применена электрическая машина обратимого действия, совмещающая функции пускового устройства и генератора электрического тока (стартер-генератор). Электрическая машина размещена непосредственно в масляной полости опоры ротора ГТД. При этом постоянные магниты, входящие в состав электрической машины, расположены на поверхности вала ротора, а статор с обмотками, охватывающий систему постоянных магнитов, закреплен на внутренней поверхности корпуса подшипниковой опоры ротора ГТД.
В приведенной конструкции отсутствует необходимость в механическом зубчатом приводе от ротора ГТД к электрической машине, что существенно упрощает конструкцию двигателя и уменьшает его массу.
Недостатком конструкции является малая мощность электрической машины, что связано с ограничением ее размеров габаритами компактной конструкции масляной полости опоры ротора ГТД, в которой она установлена. Кроме того, мощность машины ограничивает способ крепления системы постоянных магнитов на наружной поверхности вала ротора. Материал магнитов, представляющий собой магнитотвердый спеченный материал, кроме приклеивания не допускает иного более прочного способа неразъемного соединения (сварки, пайки и др.). Значительные центробежные нагрузки, действующие на указанные магниты, требуют использования бандажа (как правило, из композитного материала) для дополнительного закрепления этих элементов.
2
Известны электростартеры для запуска газотурбинных установок, используемых в газоперекачивающих агрегатах и электрических станциях. Так как. газотурбинные двигатели имеют большой момент инерции ротора турбины (до 30 кг·м), поэтому время раскрутки их при запуске достигает 100 с и более. При включении известные электростартеры развивают быстро нарастающий пусковой момент, который по величине может превышать момент, необходимый для раскрутки газотурбинной установки, что приводит к ударам в сцепной кулачковой муфте одностороннего действия стартера в начале движения при зацеплении и в процессе раскрутки газотурбинного двигателя и влечет за собой поломку трансмиссии. При этом развиваемый электростартером момент становится избыточным в конце раскрутки, когда газотурбинная установка начинает выходить на режим работы, что приводит к перегрузке трансмиссии и перегреву стартера и редуктора.
Известен электростартер постоянного тока для запуска авиационных газотурбинных установок, содержащий сцепную кулачковую муфту одностороннего действия, редуктор, двигательное устройство, выполненное на коллекторном электродвигателе, и устройство включения стартера (см. Стартер-генератор СТГ-12ТМВ // Техническое описание, инструкция по технической эксплуатации. - Киров, - ОАО «Электропривод», - 1964.).
Данное устройство  не обеспечивает безударное включение и раскрутку ротора газотурбинной установки, имеет низкую надежность и малую мощность, не обеспечивающую запуск газотурбинных установок большой мощности
Известен электростартер, содержащий сцепную кулачковую муфту одностороннего действия, редуктор, двигательное устройство, выполненное на асинхронном электродвигателе, подключенном к питающей сети через частотный преобразователь, снабженный измерителем частоты вращения электростартера, и устройство включения электростартера (см. Волокитина Е.В., Никитин В.В., Носков Н.В., Шалагинов В.Ф. Электростартер для запуска газотурбинных установок // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2005. - №5. - с.39-42.)
Недостатком устройства также являются удары в сцепной кулачковой муфте одностороннего действия при сцеплении и в процессе раскрутки газотурбинной установки.
Известен частотно-управляемый электростартер для электрической системы запуска ГПА (см. Комогаров, Егорова. Электрозапуск газоперекачивающих агрегатов, Нефтегазовый комплекс №2, 2008 г.).
Недостатком конструкции является отсутствие отвода тепла от статора электростартера, что может способствовать чрезмерному нагреву обмотки статора электростартера и снижению эксплуатационной надежности электростартера.
Наиболее близким к заявляемой конструкции техническим решением является конструкция электростартера для запуска газотурбинных установок, используемых в газоперекачивающих агрегатах, которая содержит сцепную муфту, редуктор,  асинхронный электродвигатель, подключенный к сети питания через преобразователь частоты, снабженный измерителем частоты вращения электростартера, устройство включения электростартера, устройство управления крутящим моментом электростартера в соответствии с режимом раскрутки газотурбинной установки (см см. Патент RU 2362031, МПК F02C 7/26 (2006.01), 2009 г.). Данное решение принято за прототип.
Недостатком конструкции высокооборотного электростартера на базе частотно управляемого асинхронного электродвигателя является возможность перегрева обмотки статора электростартера в процессе запуска при обеспечении электростартером моментно-мощностных характеристик и режимов работы газотурбинных установок. С ростом мощности процесс отвода тепла замедляется, что может приводить к снижению надежности электростартера, повреждению изоляции обмоточных проводов статора, сокращению количества запусков двигателя и введению технологических перерывов на охлаждение электростартера. Кроме того, применяемые в известных электростартерах  сцепная кулачковая муфта одностороннего действия, редуктор, асинхронный электродвигатель имеют возможность осуществлять раскрутку турбины двигателя с нулевой  скорости вала турбины и не позволяют осуществлять его прокрутку при скоростях отличных от нуля.
Техническая проблема, решаемая  изобретением,  заключается в том, чтобы обеспечить в одном устройстве режим холодной прокрутки и горячего запуска двигателя и режим принудительного привода турбины при аварийном и плановом останове двигателя с целью исключения перегрева опоры турбины
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, состоит в получении электропривода газотурбинного двигателя, который бы позволял производить запуск двигателя и осуществлять прокрутку ротора двигателя при аварийном и плановом останове ГТУ.
Поставленная задача решается тем, что в известном электроприводе  для запуска газотурбинной установки, содержащем сцепную муфту; редуктор; электродвигатель, подключенный к сети питания через преобразователь частоты, соединенный с блоком управления, в соответствии с  изобретением, электропривод  снабжен устройством управления,  соединенным через блок управления с датчиком оборотов ГТУ, муфта выполнена в виде управляемой блоком управления электромуфты, а электродвигатель выполнен  в виде синхронной  электрической машины на постоянных магнитах, управляемой от блока управления  в соответствии с режимом раскрутки газотурбинной установки.
Редуктор выполнен планетарным,
Технический результат от использования всех существенных признаков  изобретения заключается в получении электропривода для запуска газотурбинных установок, который позволяет не только производить запуск газотурбинных установок, но  и осуществлять прокрутку ротора газотурбинных установок при аварийном и плановом останове ГТУ.
Из уровня техники известно (патент РФ №2419954), что синхронные электродвигатели с постоянными магнитами обладают более высоким КПД, чем асинхронные электродвигатели по следующим причинам:
- синхронные электродвигатели с постоянными магнитами не нуждаются в токах возбуждения из-за того, что магнитный поток устанавливается постоянным магнитом;
- в синхронных электродвигателях с постоянными магнитами не возникают вторичные потери в меди, так как в роторе не протекает электрический ток;
- синхронные электродвигатели с постоянными магнитами способны эффективно получать крутящий момент, в дополнение к крутящему моменту, сформированному магнитным потоком, установленным постоянным магнитом, используя реактивный момент, который использует разницу между магнитными сопротивлениями в роторе.
Применение высокоскоростного синхронного электродвигателя на постоянных магнитах позволяет:
-получить большой стартовый момент, необходимый для раскрутки ГТУ, при этом применен способ управления частотным преобразователем с поддержанием постоянного момента;
-реализовать функции стартер-генератора;
-реализовать функции длительной прокрутки ГТУ и генераторного режима в охлаждении стартера жидкостью (масло, керосин) от систем ГТУ или введении крыльчатки-турбины на роторе электродвигателя для воздушного охлаждения статора.
При этом дополнительно использование высокоскоростного синхронного электродвигателя на постоянных магнитах позволяет:
- исключить нагрев ротора, а следовательно уменьшить нагрев электростартера;
- обеспечить работоспособность электропривода при экстремально высоких температурах окружающей среды (от -50 до +120 град.С);
-минимизировать габаритные размеры и вес электропривода.
Управляемая электромуфта позволяет реализовать режим синхронизации скорости вращения турбины и вала электропривода  после прекращения подачи топлива на ГТУ обеспечить режим принудительного вращения вала турбины при скорости турбины отличной от «нуля».   При этом, после того как происходит синхронизация скоростей, включается муфта и электропривод начинает  вращать ротор турбины, которая плавно остывает и останавливает вращение после того как температура турбины достигнет требуемой температуры.
Применение планетарного редуктора  для увеличения передаваемого от электродвигателя момента позволяет реализовать большие удельные мощности при обеспечении высокой нагрузочной способности и минимальных габаритах, высокий КПД, минимум затрат на обслуживание и монтаж.
Использование в электроприводе устройства управления,  соединенного через блок управления с датчиком оборотов ГТУ,  муфты,  выполненнной в виде управляемой блоком управления электромуфты, и электродвигателя,  выполненного  в виде синхронной  электрической машины на постоянных магнитах, управляемой от блока управления  в соответствии с режимом раскрутки газотурбинной установки, позволяет получить в одном устройстве функцию электропривода, который предназначен не только для запуска и холодной прокрутки газотурбинного двигателя с нулевой скорости вала турбины, но и для  дополнительного привода (прокрутки)  вала турбины при скорости ее вращения отличной от нулевой.
Наличие синхронного электродвигателя на постоянных магнитах, который позволяет передавать высокий крутящий момент на начальной скорости вращения и вращается с синхронной скоростью питающего напряжения, что обеспечивает реальную скорость вращения, и управляемой муфты, которая предназначена для синхронизации скоростей вращения вала турбины и вала электропривода, позволяет не только производить запуск газотурбинных установок, но  и осуществлять прокрутку ротора газотурбинных установок при аварийном и плановом останове ГТУ.
На прилагаемой фигуре показана  функциональная блок-схема электропривода в сборе с ГТУ.
Где  1 - турбина ГТУ, 2 - редуктор ГТУ, 3 - коробка приводов ГТУ, 4 - датчик оборотов турбины, 5 - электропривод, 6 - управляемая электромуфта, 7- планетарный редуктор электропривода,      8 - электродвигатель, выполненный  в виде синхронной  электрической машины на постоянных магнитах, 9 - датчик оборотов электропривода, 10 - преобразователь частоты, 11 - блок управления электропривода, 12 - устройство управления электроприводом ГТУ.
Электропривод 5 для запуска и прокрутки газотурбинной установки  содержит электродвигатель 8,  выполненный  в виде синхронной  электрической машины на постоянных магнитах, соединенный с  планетарным редуктором 7. служащим для повышения момента электродвигателя. Выходной вал  планетарного редуктора 7 соединен с управляемой электромуфтой 6.  Электропривод 5 дополнительно снабжен устройством управления 12,  соединенным через блок управления 11 с датчиком  4 оборотов турбины. Выходной вал управляемой электромуфты 6 соединен с  коробкой приводов 3 ГТУ с возможностью отключения,  таким образом, электромуфта 6 обеспечивает соединение и отключение коробки приводов 3ГТУ с   электроприводом 5 по командам через блок управления 11 от устройства управления 12 электроприводом ГТУ. В качестве устройства управления 12 электроприводом ГТУ может быть использован компьютер с разработанной программой автоматического  управления ГТУ. Электропривод 5 снабжен датчиком оборотов 9, который предназначен для определения фактической скорости выходного вала электропривода.  Редуктор 2 ГТУ передает вращение на турбину 1.
Управление электроприводом осуществляется от устройства  управления электроприводом ГТУ 12. Устройство  управления электроприводом 12 служит для анализа полученной информации от датчика 4 оборотов ГТУ и датчика  9 оборотов электропривода 5,  определяет команды режимов работы электропривода и передает их на блок управления  11. Блок управления 11 передает команды  на преобразователь частоты 10, который управляет электродвигателем 8 электропривода и на управляемую  электромуфту 6.
Работа электропривода осуществляется следующим образом.
На режиме «холодной прокрутки» и «запуска», когда вал турбины 1 не имеет скорости вращения, работа электропривода происходит следующим образом: устройство  управления электроприводом ГТУ 12 выдает соответствующую команду на блок управления электропривода 11, который подает команду на включение управляемой электромуфты 6.  После получения команды  одна полумуфта соединяется с другой полумуфтой электромуфты 6,  обеспечивая механическую связь между электроприводом 5 и коробкой приводов 3 ГТУ, передающей вращение на вал турбины 1. Одновременно блок управления электроприводом 11  подает команду на частотный преобразователь 10 на подачу требуемого напряжения и частоты на электродвигатель 8. После достижения необходимой скорости вращения вала турбины 1 устройство  управления электроприводом ГТУ 12 подает команду  блоку управления электропривода 11 на отключение управляемой электромуфты 6 и прекращения подачи напряжения от частотного преобразователя 10 на электродвигатель 8. При этом исключается механическая связь между электроприводом 5  и ГТУ, а электродвигатель 8 электропривода  останавливается.
На режиме «прокрутки», когда прекращается подача топлива и вал турбины ГТУ по инерции продолжает вращаться, работа электропривода происходит следующим образом.
Устройство  управления электроприводом  ГТУ 12 выдает соответствующую команду на блок управления электропривода 11, который получает от датчика 4 оборотов  вала турбины данные о скорости вращения вала турбины 1 ГТУ, после чего подается  команда на частотный преобразователь 10 на подачу требуемого напряжения и частоты на электродвигатель 8 для достижения скорости вращения выходного вала электропривода, контролируемой с помощью датчика оборотов электропривода 9,  равной скорости вращения приводного вала коробки приводов ГТУ 3, который связан с валом турбины ГТУ 1. После достижения  равной скорости вращения соединяемых валов,  блок управления электропривода 11  подает команду на включение электромуфты 6, при этом обеспечивается механическая связь между электроприводом и турбиной и электродвигатель по заложенному алгоритму начинает вращать турбину. Прекращение  принудительного вращения турбины происходит по команде от устройства  управления электроприводом  ГТУ 12, которое подает команду  блоку управления электропривода 11 на отключение электромуфты 6 и прекращения подачи напряжения на электродвигатель 8  от частотного преобразователя 10. При этом исключается механическая связь между электроприводом и турбиной, а электродвигатель останавливается.
Практическая реализация данного изобретения была испытана на газотурбинной установке НК-361 газотурбовоза ГТ1.  При аварийном останове  газотурбинного двигателя происходит повышение температуры масла, опоры и других частей турбины, которое приводит либо к поломке, либо длительному охлаждению. Кроме того, при плановом останове газотурбинного двигателя требуется длительная работа на режиме «малого газа», что ведет к перерасходу сжиженного газа.
Предлагаемое решение позволяет осуществлять электрический запуск газотурбинного двигателя и осуществлять его прокрутку при аварийных и плановых остановах, что повышает как надежность самой ГТУ и дает экономический эффект от экономии потребляемого ГТУ топлива, особенно учитывая, что к.п.д. электродвигателя в несколько раз выше к.п.д. газотурбинной установки.
Известно, что запуск  газотурбинного двигателя  характеризуется  длительной процедурой, включающей в себя его холодную прокрутку и последующий запуск, поэтому на газотурбовозе газотурбинный двигатель постоянно работает как в движении, так и на стоянке, потребляя большое количество топлива. Применение электропривода на газотурбовозе при длительной стоянке позволяет отключить подачу топлива и длительно прокручивать вал турбины, тем самым поддерживая ГТУ  в состоянии «горячего пуска» и при этом  обеспечивая оперативный запуск ГТУ при необходимости. Учитывая, что к.п.д. электродвигателя значительно выше к.п.д. газотурбинного двигателя и на газотурбовозе имеется комплект аккумуляторных батарей и автономных источников электроэнергии, использование электропривода позволяет получить дополнительный экономический эффект.
Разработанное устройство может быть изготовлено и собрано с использованием известных деталей и устройств.