УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЗАПУСКА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ, СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ И СООТВЕТСТВУЮЩИЕ ГАЗОВАЯ ТУРБИНА И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
GAS TURBINE START-UP DEVICE AND METHOD, GAS TURBINE ROTATION SPEED CONTROL METHOD AND CORRESPONDING GAS TURBINE AND GAS TURBINE ENGINE

1. Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к устройству запуска газовой турбины, к способу запуска газовой турбины и к способу регулирования скорости вращения газовой турбины. В частности, изобретение относится к устройству запуска, к способу запуска и к способу регулирования скорости вращения газовой турбины газотурбинного двигателя летательного аппарата.
2. Уровень техники
На летательных аппаратах мощность, необходимую для запуска газовой турбины (TAG), получают либо от батарей, либо от внешней вспомогательной установки (наземный передвижной генератор или сеть аэропорта), либо за счет генерирования электрической энергии другой газовой турбиной летательного аппарата (как правило, вспомогательной силовой установкой).
В фазе запуска ускорение газовой турбины зависит одновременно от крутящего момента, прикладываемого устройством запуска газовой турбины, и от противодействующих моментов, порождаемых, например, коробкой приводов агрегатов, роторами, устройствами, вращаемыми через коробку приводов агрегатов, или при отборах механической мощности на роторе или роторах.
Эти противодействующие моменты претерпевают значительные колебания в зависимости от окружающей среды, в которой находится газовая турбина, в частности, от температуры и от высоты полета летательного аппарата. В этих условиях сложно получить воспроизводимый и надежный профиль запуска, поскольку, как правило, информация о противодействующем моменте, производимом газовой турбиной, является недоступной.
Кроме того, крутящий момент, прикладываемый устройством запуска, иногда не поддается измерению либо по причине конструкции устройства или турбины, либо поскольку измерение этого крутящего момента могло бы создать помехи для вращения турбины, что привело бы к снижению надежности. Кроме того, такое измерение крутящего момента требует наличия измерительных средств, как правило, характеризующихся большими дополнительными габаритами и массой в газовой турбине.
3. Задачи изобретения
Задачей изобретения является устранение по меньшей мере некоторых из недостатков известных устройств и способов запуска газовой турбины.
В частности, по меньшей мере в одном варианте реализации изобретение призвано предложить устройство и способ запуска, которые позволяют контролировать запуск газовой турбины без необходимости прямого измерения крутящего момента турбины.
Изобретение призвано, по меньшей мере в одном варианте реализации, предложить также устройство запуска, которое обеспечивает надежный запуск газовой турбины.
Изобретение призвано, по меньшей мере в одном варианте реализации, предложить также устройство запуска, которое позволяет применять для турбины один профиль запуска в нескольких фазах.
Изобретение призвано, по меньшей мере в одном варианте реализации, предложить также устройство запуска, которое обеспечивает хорошее управление переходными фазами запуска.
Изобретение призвано, по меньшей мере в одном варианте реализации, предложить также устройство запуска, которое позволяет получить выигрыш в эффективности.
Изобретение призвано, по меньшей мере в одном варианте реализации, предложить также устройство запуска, позволяющее сократить время запуска.
Изобретение призвано, по меньшей мере в одном варианте реализации, предложить также способ регулирования скорости вращения газовой турбины.
4. Сущность изобретения
В связи с этим объектом изобретения является устройство запуска газовой турбины, содержащее систему запуска, выполненную с возможностью приведения во вращение по команде упомянутой газовой турбины, отличающееся тем, что содержит:
- средства получения информации, характеризующей скорость вращения газовой турбины,
- средства вычисления заданного значения крутящего момента в зависимости от упомянутой информации, характеризующей скорость вращения газовой турбины,
- средства передачи упомянутого заданного значения крутящего момента в систему запуска,
и тем, что средства вычисления заданного значения крутящего момента выполнены с возможностью осуществления сравнения информации, характеризующей скорость вращения газовой турбины, с заранее определенным профилем скорости и вычисления крутящего момента на основании упомянутого сравнения.
Таким образом, заявленное устройство запуска обеспечивает запуск турбины в зависимости от информации, характеризующей скорость вращения газовой турбины, применяя заданное значение крутящего момента запуска через посредство системы запуска. В отличие от крутящего момента турбины и, в частности, от противодействующих моментов турбины, скорость вращения газовой турбины можно измерить, например, при помощи датчика скорости, который передает информацию, характеризующую скорость вращения, в средства получения этой информации, например, в виде цифровой данной, переносимой электрическим сигналом. Заданное значение крутящего момента позволяет очень точно регулировать вращение турбины в соответствии с заранее определенными профилем скорости вращения газовой турбины во время запуска и в течение всего времени этого запуска, то есть обеспечивает более надежный запуск.
Сравнение, осуществляемое средствами вычисления заданного значения крутящего момента, представляет собой определение разности между информацией, характеризующей скорость вращения турбины (называемую реальной скоростью), с требуемой скоростью, определенной заранее определенным профилем скорости.
Предпочтительно, согласно изобретению, устройство содержит:
- устройство дозировки топлива, выполненное с возможностью впрыска топлива в камеру сгорания упомянутой газовой турбины,
- средства вычисления заданного значения дозировки топлива в зависимости от упомянутой информации, характеризующей скорость, и
- средства передачи заданного значения дозировки топлива в упомянутое устройство дозировки топлива,
при этом средства вычисления заданного значения дозировки топлива выполнены с возможностью осуществления сравнения информации, характеризующей скорость вращения газовой турбины, с заранее определенным профилем скорости и вычисления заданного значения дозировки топлива на основании упомянутого сравнения.
Согласно этому аспекту изобретения, устройство позволяет управлять впрыском топлива в камеру сгорания газовой турбины во время запуска газовой турбины для подачи на турбину дополнительного крутящего момента, который добавляется к крутящему моменту, производимому системой запуска. Таким образом, в зависимости от информации, характеризующей скорость, устройство управляет приведением во вращение газовой турбины системой запуска и устройством дозировки топлива, чтобы наилучшим образом контролировать различные фазы запуска. В частности, переходы между фазами, когда приведение во вращение связано либо только с системой запуска, либо только с впрыском топлива, либо с их комбинацией, являются более надежными.
Сравнение, осуществляемое средствами вычисления заданного значения дозировки топлива, представляет собой определение разности между информацией, характеризующей скорость вращения турбины (называемую реальной скоростью), с требуемой скоростью, определенной заранее определенным профилем скорости.
Предпочтительно, согласно изобретению, средства получения информации, характеризующей скорость вращения газовой турбины, средства вычисления заданного значения крутящего момента, средства вычисления заданного значения дозировки топлива, средства передачи заданного значения крутящего момента и средства передачи заданного значения дозировки топлива установлены в блоке управления, управляющем упомянутой газовой турбиной.
Engine Control Unit
Full Authority Digital Engine Control
Используемым блоком управления является, например, блок управления двигателем (или ECU от  на английском языке), обеспечивающий управление множеством элементов газовой турбины через множество приводов, или устройство FADEC (от  на английском языке).
Согласно этому аспекту изобретения, блок управления позволяет объединить средства вычисления и передачи заданного значения крутящего момента и заданного значения дозировки топлива в одном устройстве. Блок управления может также управлять другими функциями газовой турбины.
Предпочтительно, согласно изобретению, система запуска выполнена с возможностью приведения во вращение газовой турбины через автономную коробку приводов агрегатов.
Согласно этому аспекту изобретения, автономная коробка приводов агрегатов обеспечивает передачу крутящего момента от системы запуска на газовую турбину, в случае необходимости, модулируемого при помощи коэффициента понижения.
Предпочтительно, согласно изобретению, система запуска содержит электрическую машину, выполненную с возможностью приведения во вращение упомянутой газовой турбины, и систему управления электрической машиной, выполненную с возможностью получения упомянутого заданного значения крутящего момента и управления питанием упомянутой электрической машины в соответствии с заданным значением крутящего момента.
Согласно этому аспекту изобретения, система управления электрической машиной принимает заданное значение крутящего момента, например, при помощи своей электроники контроля, и переводит его в команду для электрической машины, которая подает крутящий момент на газовую турбину.
Объектом изобретения является также способ регулирования скорости вращения газовой турбины, выполненной с возможностью своего приведения во вращение системой запуска, отличающийся тем, что содержит:
- этап получения информации, характеризующей скорость вращения газовой турбины,
- этап сравнения информации, характеризующей скорость вращения газовой турбины, с заранее определенным профилем скорости,
- этап вычисления заданного значения крутящего момента на основании результата упомянутого сравнения,
- этап передачи упомянутого заданного значения крутящего момента в систему запуска.
Заявленный способ регулирования позволяет, таким образом, создать контур регулирования скорости вращения турбины с целью обеспечивать эффективный контроль упомянутой скорости таким образом, чтобы следовать заранее определенному профилю скорости.
Сравнение, осуществляемое во время этапа сравнения, представляет собой определение разности между информацией, характеризующей скорость вращения турбины (называемую реальной скоростью), с требуемой скоростью, определенной заранее определенным профилем скорости. Результат сравнения является определенной разностью, которую используют для вычисления заданного значения крутящего момента.
Предпочтительно, согласно изобретению, способ содержит:
- этап вычисления заданного значения дозировки топлива на основании результата упомянутого сравнения,
- этап передачи заданного значения дозировки топлива в устройство дозировки топлива, выполненное с возможностью впрыска топлива в камеру сгорания газовой турбины в зависимости от упомянутого заданного значения дозировки топлива.
Предпочтительно заявленный способ регулирования осуществляет заявленное устройство запуска.
Предпочтительно заявленное устройство запуска осуществляет заявленный способ регулирования.
Объектом изобретения является также способ запуска газовой турбины, отличающийся тем, что скорость вращения газовой турбины регулируют при помощи заявленного способа регулирования, и тем, что содержит последовательно и в нижеследующем порядке:
- этап запуска газовой турбины системой запуска, во время которого вычисляют заданное значение крутящего момента таким образом, чтобы скорость вращения газовой турбины изменялась от нулевой скорости до скорости, называемой скоростью зажигания,
- этап зажигания газовой турбины,
- этап приведения в действие газовой турбины, во время которого заданное значение крутящего момента и заданное значение дозировки топлива вычисляют таким образом, чтобы повысить скорость вращения газовой турбины до скорости, называемой переходной скоростью,
- этап перехода, во время которого заданное значение крутящего момента является фиксированным, и заданное значение дозировки топлива вычисляют таким образом, чтобы повысить скорость вращения газовой турбины,
- этап нормального режима, во время которого заданное значение крутящего момента является нулевым, и заданное значение дозировки топлива вычисляют таким образом, чтобы изменять скорость вращения газовой турбины.
Таким образом, заявленный способ запуска обеспечивает надежный и эффективный запуск газовой турбины за счет регулирования скорости при помощи способа регулирования. Скорость регулируют в соответствии с несколькими фазами запуска, чтобы обеспечивать быстрый и эффективный запуск. Переходы между фазами запуска улучшаются за счет вычисления заданных значений крутящего момента системы запуска и заданного значения дозировки топлива в соответствии с информацией, характеризующей скорость вращения газовой турбины. Кроме того, заявленный способ запуска является воспроизводимым при многократных запусках газовой турбины, так как зависит от скорости вращения газовой турбины и не реагирует на изменения внешних условий.
Предпочтительно на этапе зажигания газовой турбины заданное значение крутящего момента вычисляют таким образом, чтобы поддерживать скорость вращения газовой турбины в значении скорости зажигания до воспламенения топлива, впрыскиваемого устройством дозировки топлива в соответствии с заданным значением дозировки топлива.
Стабилизация скорости на скорости зажигания во время этапа зажигания обеспечивает оптимизированное зажигание газовой турбины и сокращает число неудачных запусков, связанных со слишком низкой или слишком высокой скоростью зажигания.
Предпочтительно заявленный способ запуска осуществляет заявленное устройство запуска.
Предпочтительно заявленное устройство запуска осуществляет заявленный способ запуска.
Объектом изобретения является также газовая турбина, содержащая заявленное устройство.
Объектом изобретения является также газотурбинный двигатель, содержащий заявленную газовую турбину.
Объектами изобретения являются также устройство запуска, способ запуска, способ регулирования, газовая турбина и газотурбинный двигатель, характеризующиеся в комбинации всеми или частью вышеупомянутых или приведенных ниже признаков.
5. Список фигур
Другие задачи, отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:
Фиг. 1 - схема устройства запуска согласно варианту реализации изобретения.
Фиг. 2 - схема способа запуска согласно варианту реализации изобретения.
Фиг. 3 - заранее определенный профиль скорости газовой турбины, запускаемой при помощи способа запуска согласно варианту реализации изобретения.
6. Подробное описание варианта реализации изобретения
Нижеследующие варианты реализации являются всего лишь примерами. Хотя описание ссылается на один или несколько вариантов реализации, это не обязательно значит, что каждая ссылка относится к одному и тому же варианту реализации или что признаки применяются только к одному варианту реализации. Отдельные признаки различных вариантов реализации можно также комбинировать для получения других вариантов.
На фиг. 1 схематично представлено устройство 10 запуска газовой турбины 12 согласно варианту реализации изобретения. Устройство 10 запуска предназначено для обеспечения запуска турбины 12, когда она не вращается. В отсутствие вращения газы в турбины 12 не могут сгорать для приведения во вращение турбины 12. Таким образом, для обеспечения запуска турбины 12 с турбиной соединена система 14 запуска, чтобы можно было начать ее вращение. Согласно варианту реализации, показанному на фиг. 1, система 14 запуска включает в себя электрическую машину 18, например, генератор переменного тока, и систему 16 управления электрической машиной, например, инвертор. Система 16 управления электрической машиной подает электрическую энергию на электрическую машину 18, чтобы она могла привести во вращение газовую турбину 12 через автономную коробку 20 приводов агрегатов.
Для управления системой 14 запуска устройство 10 запуска содержит средства, позволяющие применять заранее определенный профиль скорости для турбины 12. Пример такого заранее определенного профиля скорости представлен ниже со ссылками на фиг. 3. В частности, эти средства включают в себя:
- средства 22 получения информации, характеризующей скорость вращения газовой турбины 12. Эту информацию передает, например, датчик 24 скорости вращения турбины 12.
- средства 26 вычисления заданного значения крутящего момента в зависимости от упомянутой информации, характеризующей скорость вращения газовой турбины 12, в частности, на основании сравнения между этой информацией, характеризующей скорость вращения, и заранее определенным профилем скорости. Эти средства 26 вычисления позволяют определить заданное значение крутящего момента, которое необходимо применить к газовой турбине 12 при помощи системы 14 запуска.
- средства 28 передачи упомянутого заданного значения крутящего момента в систему 14 запуска и, в частности, в систему 16 управления электрической машиной. Система 16 управления электрической машиной управляет затем электрическим питанием электрической машины 18 таким образом, чтобы подать на газовую турбину 12 крутящий момент, соответствующий переданному заданному значению крутящего момента.
Fuel Metering Unit
В этом варианте реализации устройство 10 запуска дополнительно содержит устройство 30 дозировки топлива, которое обеспечивает впрыск топлива в камеру 32 сгорания газовой турбины 12. Например, устройство 30 дозировки топлива представляет собой блок FMU от  на английском языке. Устройство 30 дозировки топлива впрыскивает топливо в камеру 32 сгорания газовой турбины для его сгорания, причем это сгорание обеспечивает вращение газовой турбины 12, в частности, в нормальном рабочем режиме после запуска.
Для обеспечения соответствующей дозировки топлива устройство 10 запуска содержит средства 34 вычисления заданного значения дозировки топлива в зависимости от информации, характеризующей скорость вращения газовой турбины 12, и средства 36 передачи заданного значения дозировки топлива в устройство дозировки топлива. Заданное значение дозировки топлива вычисляют в зависимости от скорости вращения турбины, в частности, на основании сравнения этой скорости вращения турбины с заранее определенным профилем скорости, и впрыск топлива обеспечивает его сгорание в турбине для получения дополнительного крутящего момента для газовой турбины, который добавляется к крутящему моменту, производимому системой 14 запуска.
Engine Control Unit
Full Authority Digital Engine Control
В этом варианте реализации средства 22 получения информации, характеризующей скорость, средства 26 вычисления заданного значения крутящего момента, средства 34 вычисления заданного значения дозировки топлива, средства 28 передачи заданного значения крутящего момента и средства 36 передачи заданного значения дозировки топлива установлены в одном устройстве, называемом блоком 38 управления. Этот блок 38 управления позволяет управлять одновременно системой 14 запуска и устройством 30 дозировки топлива для обеспечения более надежного запуска. Кроме того, этот блок 38 управления может иметь и другие функции, связанные с газовой турбиной 12, описание которых опускается. Устройство, которое может выполнять функцию блока 38 управления, может быть, например, блоком ECU от  на английском языке, в частности, устройством FADEC от  на английском языке, которое является устройством, обычно применяемым в области авиации при использовании газовой турбины 12 в качестве турбины газотурбинного двигателя.
Кроме того, в этом варианте реализации средства 26 вычисления заданного значения крутящего момента и средства 34 вычисления заданного значения дозировки топлива объединены в одном вычислительном устройстве 40. Это обеспечивает согласование между обоими заданными значениями для получения необходимого крутящего момента газовой турбины 12 за счет комбинирования действия системы 14 запуска и устройства 30 дозировки топлива.
На фиг. 2 представлена схема способа 42 запуска согласно варианту реализации изобретения. Предпочтительно способ 42 осуществляют при помощи устройства 10, описанного со ссылками на фиг. 1. Способ 42 содержит этап 44 получения информации, характеризующей скорость вращения газовой турбины 12. Во время этапа 48 сравнения эту информацию сравнивают с заранее определенным профилем 46 скорости, описанным, например, со ссылками на фиг. 3. Этот этап 48 сравнения позволяет определить разность между реальной скоростью вращения и требуемой скоростью вращения, определенной заранее определенным профилем 46 скорости, и затем во время этапа 50 вычисления заданного значения крутящего момента и этапа 52 вычисления заданного значения дозировки топлива упомянутая разность позволяет определить заданное значение крутящего момента и заданное значение дозировки топлива в зависимости от реальной скорости вращения и от требуемой скорости вращения турбины 12 и, возможно, в зависимости от фазы запуска, в которой находится турбина 12. В этом варианте реализации оба этапа 50, 52 вычисления объединены в один этап 54, чтобы обеспечивать более надежное регулирование, применяя одновременно систему 14 запуска и впрыск топлива устройством 30 дозировки топлива для получения крутящего момента, необходимого для регулирования скорости.
Заданное значение крутящего момента передают в систему управления электрической машиной во время этапа 56 передачи заданного значения крутящего момента. Система 16 управления электрической машиной управляет электрической машиной в соответствии с этим заданным значением, которая подает крутящий момент на турбину 12 во время этапа 58 применения крутящего момента системы запуска. Получаемый в результате крутящий момент показан стрелкой 60.
Кроме того, во время этапа 62 передачи заданного значения дозировки топлива в устройство дозировки топлива передают заданное значение дозировки топлива для обеспечения впрыска топлива в камеру сгорания газовой турбины. Сгорание топлива позволяет прикладывать крутящий момент к турбине 12 во время этапа 64 применения крутящего момента устройства дозировки топлива. Получаемый в результате крутящий момент показан стрелкой 66.
Таким образом, общий крутящий момент, подаваемый на турбину и показанный стрелкой 68, является результатом сложения двух крутящих моментов, обеспечиваемых системой 14 запуска и устройством 30 дозировки топлива. Этот общий крутящий момент позволяет проводить во вращение турбину 12 с определенной скоростью, что показано на этапе 69, соответствующую информацию о которой получают на этапе 44 получения информации, характеризующей скорость: таким образом, способ регулирования представляет собой замкнутый цикл регулирования.
На фиг. 3 показан заранее определенный профиль скорости газовой турбины, запускаемой при помощи способа запуска согласно варианту реализации изобретения. Заранее определенный профиль скорости представляет собой скорость V вращения в зависимости от времени t в соответствии с двумя кривыми, то есть кривой 72 заданного значения скорости, показывающей скорость вращения, которую должна теоретически развивать турбина, и кривой 74 измеренной скорости, показывающей действительно измеренную скорость вращения турбины 12.
Заранее определенный профиль 70 скорости позволяет различать различные этапы способа запуска газовой турбины 12.
На этапе А запуска система 14 запуска самостоятельно приводит во вращение газовую турбину 12, поскольку сгорание газов в турбине 12 еще не началось.
Этап В зажигания позволяет воспламенить газ, впрыскиваемый в камеру 32 сгорания газовой турбины 12 устройством 30 дозировки топлива, чтобы начать сжигание газа и приводить во вращение газовую турбину 12. Для обеспечения зажигания в нормальных условиях скорость вращения газовой турбины 12 поддерживают в значении так называемой скорости Va зажигания.
На этапе С приведения в действие газовой турбины 12 скорость вращения турбины 12 постепенно повышается в основном за счет действия системы 14 запуска и частично благодаря сгоранию впрыскиваемого топлива. Заданное значение крутящего момента и заданное значение дозировки топлива вычисляют таким образом, чтобы действие системы 14 запуска и сгорание впрыскиваемого топлива вместе с воздухом, засасываемым газовой турбиной, обеспечивали крутящий момент, необходимый для газовой турбины 12.
После достижения так называемой переходной скорости Vt способ запуска переходит на этап D перехода, во время которого заданное значение крутящего момента является фиксированным, и заданное значение дозировки топлива вычисляют таким образом, чтобы повысить скорость вращения турбины 12. Таким образом, регулирование скорости турбины 12 происходит при помощи топлива, чтобы она следовала заранее определенному профилю скорости, при этом система 14 запуска прикладывает только фиксированный крутящий момент.
Наконец, на этапе Е нормального режима запуск завершен, и турбина 12 входит в нормальный режим. Систему 14 запуска отключают, и турбина 12 вращается только за счет сгорания топлива, впрыскиваемого устройством 30 дозировки топлива.