Способ снижения расхода топлива газотурбинного двигателя (ГТД), снабженного стартером
METHOD FOR REDUCING FUEL CONSUMPTION OF A GAS TURBINE ENGINE (GTE) EQUIPPED WITH A STARTER

Изобретение относится к энергетике, а именно к газотурбинным двигателям, более конкретно к газотурбинным двигателям для железнодорожного магистрального локомотива.
Известен способ снижения расхода топлива газотурбинных двигателей  (ГТД) на малом газе (холостом ходу – термин для локомотива) за счёт снижения частоты вращения его роторов. Однако, величина снижения режима и, соответственно, расхода топлива при глубоком снижении режима ограничивается ростом температуры газов до предельных значений из-за сильного снижения коэффициентов полезного действия турбины и компрессора, а в некоторый момент мощность турбины становится меньше потребной мощности компрессора. Автономная работа двигателя становится невозможной, и двигатель останавливается (см. А.Л. Клячкин. Теория воздушно-реактивных двигателей, М, «Машиностроение», 1969, стр.449).
В процессе запуска такой неблагоприятный режим исключается раскруткой ротора (или ротора высокого давления (ВД) двух- или трёхвальных ГТД) двигателя стартёром (см. А.Л. Клячкин. Теория воздушно-реактивных двигателей, М, «Машиностроение», 1969, стр. 452; Теория воздушно-реакивных двигателей. Под ред. Д-ра техн. наук С.М. Шляхтенко, М, «Машиностроение», 1975, стр. 457). Во время запуска, когда мощность турбины уже значительно превышает мощность сопротивления компрессора, стартёр отключается (см. А.Л. Клячкин. Теория воздушно-реактивных двигателей, М, «Машиностроение», 1969, стр.452; Теория воздушно-реакивных двигателей. Под ред. Д-ра техн. наук С.М. Шляхтенко, М, «Машиностроение», 1975, стр. 457, 458). Увеличение мощности стартера на запуске благоприятно сказывается на уменьшении продолжительности запуска и снижении температуры газов.
Для газотурбинных двигателей авиационного и большинства двигателей наземного применения расход топлива на малом газе не имеет существенного значения, так как он используется ограниченное время по сравнению с основными режимами.
Для авиационных двигателей величина малого газа зависит от величины необходимой тяги для возможности выруливания самолёта на аэродроме и от минимальной тяги, позволяющей выполнить безопасную посадку и торможение самолёта (см.А.Л. Клячкин. Теория воздушно-реактивных двигателей, М, «Машиностроение», 1969, стр.219).
Для двигателей наземного применения (например, НК-36СТ мощностью 25 мВт, эксплуатируемого на газоперекачивающих агрегатах) малый газ на запуске является проходным режимом при выходе двигателя на режим прогрева. Малый газ используется только для охлаждения двигателя в течение 5 минут перед остановкой (см. Руководство по эксплуатации НК-36СТ 36.000.000 – 2РЭ, раздел 3, стр. 13). Для двигателей, эксплуатируемых на электростанциях (например, НК-37, мощностью 25 мВт), малый газ используется при синхронизации частоты генератора с сетью и охлаждении двигателя перед остановкой.
Известен способ повышения ресурса и снижения расхода топлива двигателя с газотурбинным наддувом, заключающийся в том, что работу двигателя задают на меньших оборотах в сравнении с эксплуатационными при одновременном снижении частоты вращения и температуры выпускных газов двигателя (см. патент РФ № 2342550, МПК F02D 23/00, F02D 29/02, B63H 23/06 (2006.01), 2007 г.).
Однако, данное решение относится к дизельным двигателям с газотурбинным наддувом. Описанное в данном патенте решение невозможно реализовать для газотурбинных двигателей.
http://www.rzd-expo.ru/innovation/stock/locomotives_for_alternative_types_of_fuels/
В качестве примера рассмотрим газотурбинный двигатель НК - 361, работающий на  сжиженном природном газе (СПГ), который спроектирован и изготовлен для магистрального газотурбовоза ГТ1h разработки ОАО «ВНИКТИ». г. Коломна. ().
Режим холостого хода на газотурбовозе имеет существенное влияние на общий расход топлива в связи с принципиальными особенностями распределения режимов по времени. На газотурбовозе время работы ГТД на холостом ходу (ХХ) составляет не меньше 50% общего времени его работы, а суммарный расход топлива на ХХ - не меньше 25% общего расхода, поэтому снижение расхода на холостом ходу будет сильно влиять на общий расход топлива.
Возможность снижения расхода топлива на холостом ходу ограничена ростом температуры газов.
Ниже приведены экспериментальные данные, полученные во время испытаний, по изменению удельного расхода топлива на крайних режимах загрузки двигателя и по  снижению расхода топлива на холостом ходу обычными средствами – путем снижения режима двигателя.
Т
Т
ВД
Расходно-мощностные параметры газотурбовоза: максимальная мощность газотурбовоза составляет:  N = 7500 кВт при расходе топлива G = 2300 кг/час, минимальная N - 300 кВт при расходе топлива G = 700 кг/час и частоте вращения ротора высокого давления двигателя n≈ 6050 об/мин.
СТ
ВД
Удельные расходы топлива составляют: на максимальной мощности - 0,307 кг/кВт, а на минимальной мощности – 2,3 кг/кВт. Эти удельные расходы отличаются в 7,5 раз, что свидетельствует об очень низких КПД компрессора и турбины на минимальной мощности. Расход топлива на холостом ходу (ХХ) при частоте вращения свободной турбины двигателя n= 3000 об/мин и частоте вращения ротора высокого давления двигателя n ≈ 4800 об/мин составляет около 400 кг/час.
Для запуска двигателя использовался электрический стартёр мощностью 65 кВт с питанием от вспомогательного дизель-генератора или от аккумуляторов. На фиг. 1 приведены параметры двигателя во время типового протекания запуска. Как видно, после отключения стартёра происходит небольшой заброс температуры. Для снижения этого заброса в районе отключения стартера темп роста расхода топлива уменьшается.
Время работы на ХХ и относительный расход топлива на ХХ зависят от: профиля пути, веса состава, используемых мощностей и времени стоянок.
Так при поездке ГТ1h-002 26.05.2016 г. протяжённостью 302 км, общее время работы на холостом ходу составило 6 часов 42 мин (60%), а суммарный расход топлива на ХХ составил 2680 кг (27,5%). Из этих данных видно, что уменьшение расхода топлива на холостом ходу должно оказывать существенную экономию топлива.
На фиг. 2 представлены экспериментальные данные по влиянию снижения режима двигателя на уменьшение расхода топлива и изменение температуры газов. Как видно из графиков, одновременно со снижением расхода топлива происходит рост температуры газов. Уменьшение расхода топлива ниже 300 кг/час недопустимо из-за резкого роста температуры газов. Повышению температуры газов до опасных величин будут способствовать повышение температуры воздуха на входе в двигатель и ухудшение параметров двигателя при продолжительной эксплуатации.
Выявлено, что при работе газотурбовозов на холостом ходу и малом газе имеется большой расход топливного газа - в среднем 400 кг/час.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является снижение расхода топлива на холостом ходу и на низких режимах.
Поставленная проблема решается за счет того, что разработан способ снижения расхода топлива газотурбинного двигателя (ГТД), снабженного электростартером,  заключающийся в том, что при его  работе на низких режимах и холостом ходу обеспечивают принудительное вращение ротора высокого давления ГТД.
Принудительное вращение ротора высокого давления обеспечивают электростартером.
Технический результат от использования всех существенных признаков изобретения заключается в снижении расхода топлива и температуры газов при работе ГТД на холостом ходу и низких режимах.
Обеспечение принудительного вращения ротора высокого давления ГТД при его  работе на низких режимах и холостом ходу  позволяет  снизить мощность, передаваемую компрессору от турбины за счет  снижения подачи топливного газа в камеру сгорания, что обеспечивает снижение  расхода топлива и снижение температуры газов при работе ГТД на холостом ходу и низких режимах.
Использование электростартера, для принудительного вращения ротора высокого давления ГТД при его  работе на низких режимах и холостом ходу позволяет снизить мощность, вырабатываемую турбиной и передаваемую компрессору от турбины, и таким образом снизить расход топлива и температуру газов на холостом ходу и низких режимах.
Использование изобретения позволит:
1. Снизить общий расход топливного газа до 20%.
2. Снизить расход топливного газа до 400% на холостом ходу.
4. Уменьшить время переходного процесса при наборе мощности на низких режимах газотурбинного двигателя.
Фиг. 1 – параметры двигателя во время типового протекания запуска двигателя НК-361 на газотурбовозе ГТ1h;
Фиг. 2 – экспериментальные данные по влиянию снижения режима двигателя на уменьшение расхода топлива и изменение температуры газов;
Фиг. 3 – Запуск НК-361 на ГТ1h-001 с пониженным расходом топлива на холостом ходу 200 кг/час;
Фиг. 4 – режимы работы стартёра при обеспечении принудительного вращения ротора высокого давления ГТД при его  работе на низких режимах, холостом ходу и при наборе минимальной мощности 300 кВт;
Фиг. 5 – блок-схема  ГТД  с электроприводом;
Известно, что запуск газотурбинного двигателя – это длительная процедура, для чего 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. Электростартер 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 электростартера прекращается и газотурбинный двигатель продолжает ускоряться до скорости холостого вращения за счет мощности, появляющейся при сгорании топлива.
Как известно, в газотурбинном двигателе часть производимой мощности используется на вращение компрессора. Принудительное вращение стартером на холостом ходу ротора высокого давления, соединяющего турбину и компрессор, позволяет уменьшить мощность турбины, требуемую для привода компрессора, и таким образом, снизить необходимое количество топлива, подаваемого в камеру сгорания, обеспечивая только его горение.
Положительный эффект от принудительного вращения ротора высокого давления будет достигаться, если количество топлива, которое необходимо  для выработки электроэнергии для электростартера будет меньше величины, на которую уменьшается количество топлива от принудительного вращения ротора высокого давления -  эффекта подкрутки.
Реализация заявленного способа снижения расхода топлива газотурбинного двигателя, снабженного электростартером при работе на ХХ и низких режимах заключается в  подключении стартера для принудительного вращения ротора высокого давления ГТД при его  работе на низких режимах, холостом ходу и наборе минимальной мощности 300 кВт. При этом, на холостом ходу появляется возможность сокращения подачи топливного газа в камеру сгорания ГТД.  Подачу топлива  поддерживают только для обеспечения горения, т.е. ГТД не выключается, что позволяет обеспечить оперативный переход на другие режимы работы.
ВД
На графике (см. фиг. 4) представлены в наглядной форме расчётные параметры режимов работы электростартера на холодной прокрутке, запуске и при принудительном вращении ротора высокого давления ГТД на холостом  ходу, а также  при наборе минимальной мощности Nг=300 кВт (1-й позиции) в координатах: крутящий момент электростартера (Мкр ст) – частота вращения ротора ВД (n).
ВД
ВД
ВД
ВД
ВД
Как видно из графика, с уменьшением расхода топлива, уменьшается и частота вращения ротора ВД  (n). Так, на режиме ХХ без принудительного вращения ротора высокого давления ГТД и расходе топлива Gт=400 кг/час частота вращения ротора ВД n равна 4800 об/мин, при принудительном вращении ротора высокого давления ГТД электростартером и расходе топлива Gт=200 кг/час частота вращения ротора n снижается до 3300 об/мин, а при расходе топлива Gт=100 кг/час частота вращения ротора n, равная 2700 об/мин, приближается к частоте вращения ротора ВД при холодной прокрутке n = 2200 об/мин, т.е. поддерживается минимальный режим, обеспечивающий практически только горение топлива в камере сгорания.
На этом же графике представлена траектория набора мощности газотурбинного двигателя с 0 кВт до 300 кВт при начальном расходе топлива 100 кг/час с форсированием мощности электростартера до 100 кВт.
Ниже приведено описание электростартера, используемого для реализации способа.
На фигуре 5 показана функциональная блок-схема  ГТД, снабженного электростартером.
ГТД включает камеру сгорания 1, компрессор 2, турбину 3, силовую турбину 4, генератор 5 и привод от вала турбины через зубчатые передачи 6 и коробку приводов 7 на электростартер 8 (см. фиг.5). Электростартер 8 выполнен в виде электрической машины на постоянных магнитах, ротор которой постоянно соединен через кинематическую связь с ротором высокого давления ГТД. Управление электростартером осуществляется от системы автоматического управления по командам оператора и информации от датчика оборотов турбины 9, который кинематически связан с валом высокого давления и дает информацию о скорости ее вращения. Управление электрической машиной (электростартером 8)  в двигательном режиме (при запуске ГТД) осуществляется с помощью блока преобразования частоты 10.
На режиме холостого хода и низких режимах обеспечивают принудительное вращение ротора высокого давления ГТД (подкрутку)  электростартером 8 следующим образом: снижают подачу газа в камеру сгорания 1, снижается скорость вращения турбины,  электростартер 8 переходит из генераторного режима в двигательный и начинает вращать ротор высокого давления с необходимым усилием, обеспечивая требуемое количество оборотов вала компрессора при сниженной мощности, передаваемой ему от турбины. Таким образом, происходит снижение расхода топлива и одновременно не т критического повышения температуры газов.
На фиг. 3 представлена предварительная проверка режима принудительного вращения ротора высокого давления ГТД (подкрутки) НК-361 на ХХ штатным электростартером мощностью 60...65 кВт с выходом на пониженный расход топлива 200 кг/час. Температура газов при этом запуске достигла всего 223°С, т.е. меньше на 200°С заброса температуры при обычном штатном запуске.
Принудительное вращение ротора высокого давления ГТД при работе газотурбинного двигателя на низких режимах и холостом ходу стартёром позволит снизить расход топлива на ХХ с 400 кг/час до величин 200…100 кг/час, что приведёт к уменьшению суммарного расхода топлива от 12 до 20%, обеспечит на таком супернизком режиме низкую температуру газов перед свободной турбиной, а также будет способствовать поддержанию частоты вращения роторов ГТД и генератора на приемлемом уровне.
Загрузка минимальной мощности Nг = 300 кВт  с режима ХХ весьма медленный процесс, поэтому использование принудительного вращения ротора высокого давления ГТД (подкрутки) на время переходного процесса также будет снижать расход топлива.
На фиг. 4 представлены режимы работы электростартёра на холодной прокрутке, запуске, на холостом ходу с принудительным вращением ротора ВД ГТД, а также  при наборе минимальной мощности Nг=300 кВт (1-й позиции).
Использование изобретения позволяет:
-снизить общий расход топливного газа  до 25%,
-снизить расход топливного газа до 400% на холостом ходу.
Практическая реализация данного изобретения была испытана на газотурбинной установке НК-361 газотурбовоза ГТ1.  Проведенные натурные испытания показали эффективность предлагаемого решения на режиме работы двигателя на х.х. Предлагаемое решение позволяет осуществлять как стандартные операции по электрическому запуску газотурбинного двигателя, его холодной прокрутке, так и принудительное вращение ротора высокого давления ГТД при его  работе на низких режимах и холостом ходу, что позволяет значительно снизить расход  потребляемого ГТД топлива.
В случае, если электростартер приводится от энергии аккумуляторов, то зарядка аккумуляторов на высоких режимах газотурбинного двигателя, где КПД значительно выше, чем на режиме минимальной мощности будет давать положительный эффект. На газотурбовозе установлены аккумуляторные батареи, заряжаемые от основного генератора. На максимальной мощности 7500 кВт удельный расход топлива составляет 0,307 кг/кВт, а, на минимальной мощности 300 кВт – 2,3 кг/кВт, т.е. КПД отличаются в 7,5 раза. Поэтому зарядка аккумуляторов на высоких режимах и отдача накопленной электроэнергии для подкрутки ротора будет давать значительный эффект.
В случае установки на газотурбовоз вспомогательного газового двигателя с генератором собственных нужд (газопоршневого мотогенератора), которые имеют достаточно высокие КПД, дополнительный расход топлива такого мотогенератора для привода электростартера также составит незначительную часть величины снижаемого расхода топлива.
При удельном расходе топлива мотогенератора 0,21...0,26 кг/кВтч (такой удельный расход топлива имеет газопоршневая электростанция KG-200S мощностью 200 кВт на базе газового двигателя КАМАЗ  820.20-200) дополнительный расход топлива при мощности электростартёра 65 кВт составит всего 14...17 кг/час, а расход топлива для выработки такой же электроэнергии на минимальной мощности газотурбовоза 300 кВт составит 150 кг/час. Что примерно в 10 раз больше.
Применение электростартера для принудительного вращения ротора высокого давления ГТД при снижении мощности, передаваемой компрессору от турбины, на газотурбовозе при длительной стоянке позволяет минимизировать подачу топлива и длительно прокручивать вал турбины, тем самым поддерживая газотурбинную установку в работоспособном состоянии и при этом обеспечивая оперативное нагружение ГТУ при необходимости.
Способ может быть применен на газотурбинных двигателях для железнодорожного магистрального локомотива.