СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ЗАПУСКА И ОХЛАЖДЕНИЯ МИКРО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПУСКОВЫМ КОМПРЕССОРОМ С ВОЗДУШНЫМ КЛАПАНОМ
METHOD AND DEVICE FOR MICRO GAS TURBINE STARTING AND COOLING BY STARTING COMPRESSOR WITH AIR VALVE

Изобретение относится к области энергетики, в частности к способам пуска и газоснабжения газоперекачивающих агрегатов, и может быть использовано при пуске любых газотурбинных установок.
Известен способ пуска газотурбинных установок (ГТУ) путем раскрутки ротора ГТУ с помощью внешних двигателей (стартеров) - электрических, газотурбинных, ДВС, воздушных и паровых турбин. (Стационарные газотурбинные установки: Справочник. / Под ред. Л.В. Арсеньева и В.Г. Тырышкина. - Л.: Машиностроение, 1989, стр.376-377).
Недостатками известного способа пуска и газоснабжения ГТУ с применением внешних двигателей для раскрутки ротора ГТУ и привода дожимных компрессоров топливного газа являются недостаточные надежность, экономичность и безопасность, определяемые наличием дополнительных систем электро-, топливо - и воздухоснабжения пусковых двигателей и дожимных компрессоров, протяженными газопроводами высокого давления между дожимными компрессорами и ГТУ.
Известен способ запуска (патент РФ RU 2380560 12.11.2007). Способ пуска энергетической газотурбинной установки включает три этапа. На первом и втором этапах осуществляют раскрутку жестко связанных роторов турбокомпрессора внешним пусковым устройством, например детандером, жестко соединенным через автоматическую сцепную муфту с валом турбокомпрессора. Турбокомпрессор содержит компрессор, турбину и камеру сгорания, снабженную топливно-регулирующим клапаном, закрытым на первом этапе пуска и приоткрытом на втором. Последующее отсоединение от пускового устройства жестко связанных роторов компрессора и турбины при достижении ими расчетных оборотов и вывод их на рабочие обороты на третьем этапе за счет увеличения расхода и давления топливного газа. На выходе осевого компрессора устанавливают сбросный клапан, соединенный с входом камеры сгорания. Пуск газотурбинной установки на первом и втором этапах осуществляют при открытом сбросном клапане, а перед отсоединением пускового устройства закрывают сбросный клапан. Изобретение направлено на уменьшение дисбаланса мощности, вызванного провалом частоты вращения ротора турбины и скачком температуры перед ней, в момент отключения пускового устройства при пуске газотурбинной установки.
Недостаток данного способа для турбин малой мощности - большое количество механизмов редуктора. На больших оборотах микротурбинных установок происходит большой износ деталей сцепной муфты.
Наиболее близким прототипом является способ воздушного запуска газотурбинного двигателя (RU 2315882C1). Способ воздушного запуска газотурбинного двигателя, содержащего установленные последовательно по потоку многоступенчатый осевой компрессор, камеру сгорания и турбину высокого давления, осуществляют путем подачи сжатого пускового воздуха со стороны наружного корпуса в компрессор. Сжатый пусковой воздух подают в основной воздушный поток непосредственно на спинки лопаток рабочего колеса предпочтительно последней ступени компрессора. Изобретение позволяет увеличить скорость раскрутки ротора, обеспечивающую уменьшение времени запуска двигателя и упрощение конструкции компрессора.
Недостатком данного способа для микротурбинных установок является необходимость использования баллонов сжатого воздуха с постоянной их подзарядкой или заменой.
Задачей предлагаемого изобретения является создание безредукторной системы пуска турбокомпрессора с использованием пускового компрессора и возможностью охлаждения микрогазотурбинного двигателя.
В результате использования предлагаемого изобретения во время запуска микрогазотурбинного двигателя обеспечивается мягкая передача вращающего момента на ротор двигателя, после окончания работы пусковым компрессором производится принудительная подача холодного воздуха на ротор двигателя, заставляя его вращаться, производится охлаждение камеры сгорания, турбины и подшипников ротора, тем самым избегая образования нагара на подшипниках и увеличевая общий ресурс микрогазотурбинного двигателя.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе запуска и охлаждения микрогазотурбинного двигателя пусковым компрессором с воздушным клапаном, включающем запуск газотурбинного двигателя путем подачи сжатого пускового воздуха со стороны двойного воздухозаборника в компрессор, запуск производят воздухом от пускового компрессора, а после прекращения работы микрогазотурбинного двигателя повторно включают пусковой компрессор без подачи топлива и охлаждают камеру сгорания, турбину и подшипники ротора.
Пусковой компрессор используется при запуске и остановке ГТУ для обеспечения пусковой скорости вращения турбокомпрессора и охлаждения его после окончания работы турбокомпрессора, которое происходит воздушным потоком, поступающим от пускового компрессора, воздушный клапан автоматически закрывается и открывается за счет создаваемой турбокомпрессором тяги, в этот момент отключается пусковой компрессор, и подвод воздуха в камеру сгорания происходит от раскрученного компрессора установки.
Технический результат достигается также тем, что в предлагаемое устройство запуска и охлаждения микрогазотурбинного двигателя пусковым компрессором с воздушным клапаном, содержащее камеру сгорания, компрессор, турбину, холодный воздуховод, горячий воздуховод, вал ротора, содержит пусковой компрессор с воздушным клапаном, соединенный с компрессором микрогазотурбинного двигателя переходной муфтой, при этом пусковой компрессор и воздушный клапан находятся в двойном воздухозаборнике.
Поставленные задачи для камеры сгорания ГТД решаются в предлагаемой конструкции схемы запуска тем, что воздухозаборник снабжен двумя патрубками. На одном находится пусковой турбокомпрессор, на другом - воздушный клапан. Пусковой турбокомпрессор используется при запуске и остановке ГТУ для обеспечения пусковой скорости вращения ротора микрогазотурбинного двигателя и охлаждения его после окончания работы. Раскрутка турбокомпрессора происходит воздушным потоком, поступающим от пускового компрессора на лопатки компрессора микрогазотурбинного двигателя. Воздушный клапан позволяет добиться точного дозирования воздуха для пуска двигателя, автоматически закрывается при запуске и остановке микрогазотурбинного двигателя и открывается во время работы за счет создаваемой компрессором тяги. В момент выхода ротора двигателя на рабочий режим воздушный клапан открывается и отключается пусковой компрессор, подвод воздуха производится раскрученным компрессором двигателя.
Предлагаемое устройство поясняется чертежом, на котором представлена общая схема устройства для реализации способа.
Устройство запуска и охлаждения микрогазотурбинного двигателя пусковым компрессором с воздушным клапаном состоит из камеры сгорания 1, компрессора 2, турбины 3, переходной муфты 4, двойного воздухозаборника 5, пускового компрессора 6, воздушного клапана 7, холодного воздуховода 8, горячего воздуховода 9, вала ротора 10.
Работает предлагаемое устройство следующим образом.
Раскрутку ротора микрогазотурбинного двигателя, состоящего из компрессора 2, вала ротора 10 и турбины 3, осуществляют за счет давления воздушной массы, создаваемого пусковым компрессором 6, на компрессор двигателя 2, через двойной воздухозаборник 5 и переходную муфту 4, при закрытом воздушном клапане 7. Охлаждение микрогазотурбинного двигателя осуществляют за счет подачи воздушной массы через компрессор двигателя 2, холодный воздуховод 8, камеру сгорания 1, турбину 3, горячий воздуховод 9, через двойной воздухозаборник 5 и переходную муфту 4, создаваемой пусковым компрессором 6, обеспечивающим вращение ротора при отсутствии подачи топлива, до его охлаждения. Отсутствие жесткой связи и вращающихся с высокой частотой передающих крутящий момент механизмов обеспечивают применением пускового компрессора 6. Принудительное охлаждение микрогазотурбинного двигателя осуществляют без сгорания топлива, за счет включения пускового компрессора 6 с плавным снижением его частоты вращения и отключения его после достижения температуры двигателя 60-80°C.