СПОСОБ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЙ РАСКРУТКИ РОТОРА ОДНОВАЛЬНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ОТ СТОРОННЕГО ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ
METHOD FOR ENERGY EFFICIENT SPINNING OF THE ROTOR OF SINGLE SHAFT GAS TURBINE ENGINE FROM THIRD PARTY ENERGY SOURCE

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к способам раскрутки роторов одновальных газотурбинных двигателей от стороннего источника для их запуска или проведения испытаний.
Известен способ запуска газотурбинного двигателя, при котором подачу сжатого пускового газа осуществляют от стороннего источника в газовоздушный тракт двигателя (А.И. Калиниченко «Воздушная система запуска малоразмерного газотурбинного двигателя», Вестник Концерна ВКО «Алмаз - Антей», №3, 2016 г.).
Недостатком известного решения является то, что по мере раскрутки ротора компрессор начинает прокачивать воздух из атмосферы и сжимать его, в результате существенно возрастает мощность, потребляемая компрессором, этот фактор затрудняет увеличение частоты вращения ротора и при определенных ограничениях на количество и параметры пускового газа может привести к невозможности увеличения частоты вращения ротора сверх некоторого предельного значения, либо для повышения частоты раскрутки от пускового газа потребует существенного увеличения расходных / температурных / временных показателей источника пускового газа, что сделает затруднительным его применение на малогабаритных двигателях.
Этого существенного недостатка лишен известный и выбранный в качестве прототипа способ запуска газотурбинного двигателя, при котором подачу сжатого пускового газа осуществляют от стороннего источника в газовоздушный тракт двигателя, закрытый с передней части обратным клапаном, при этом пусковой газ настолько сильно наддувает газовоздушный тракт, что компрессор не может качать воздух из атмосферы, он «передавлен» сзади пусковым газом, и обратный клапан на его входе препятствует выходу пускового газа в атмосферу через вход в компрессор (Прототип: патент RU2374472, опубл. 27.11.2009 г., МПК F02C 7/26 (2006.01), F01D 19/00 (2006.01)).
Недостатком известного решения является то, что обратный клапан, устанавливаемый на входе в проточную часть компрессора, сильно усложняет конструкцию входного устройства и неизбежно приводит к возникновению очагов неравномерности и потерь полного давления на входе в компрессор, что, в целом, может сильно ухудшать эффективность работы двигателя после его запуска.
Задачей изобретения является создание энергоэффективного способа раскрутки ротора одновального газотурбинного двигателя до требуемой частоты вращения с целью ускоренного его запуска или проведения испытаний.
Ожидаемый технический результат заключается в минимизации потерь на компрессорной части при раскрутке ротора газотурбинного двигателя, а также в уменьшении требований к энергетике пускового газа (расходу, давлению, температуре и продолжительности подачи).
Указанный технический результат достигается тем, что в способе энергоэффективной раскрутки ротора одновального газотурбинного двигателя от стороннего источника энергии, включающем подачу сжатого пускового газа от стороннего источника в газовоздушный тракт двигателя, согласно заявляемому решению поток пускового газа от стороннего источника подают в, по меньшей мере, одну область газовоздушного тракта двигателя между выходом из камеры сгорания и минимальным проходным сечением межлопаточного канала соплового аппарата турбины, расположенного непосредственно за камерой сгорания, тангенциально в направлении вращения рабочего колеса, расположенного следом за упомянутым сопловым аппаратом, причем осевую координату точки подачи пускового газа экспериментально определяют до начала эксплуатации двигателя исходя из условия обеспечения минимального наддува газовоздушного тракта двигателя пусковым газом до давления, которое превышает давление, создаваемое компрессором в ходе его раскрутки в процессе подачи пускового газа.
Подача потока пускового газа от стороннего источника в, по меньшей мере, одну область газовоздушного тракта двигателя между выходом из камеры сгорания и минимальным проходным сечением межлопаточного канала соплового аппарата турбины, расположенного непосредственно за камерой сгорания, тангенциально в направлении вращения рабочего колеса, расположенного следом за упомянутым сопловым аппаратом, позволит одновременно с передачей энергии на рабочее колесо турбины обеспечить наддув закомпрессорных полостей двигателя до такого давления, которое заведомо превысит давление, создаваемое компрессором, при этом наддув закомпрессорных полостей реализуется за счет отражения части пускового газа от соплового аппарата. В результате наличия такого противодавления компрессор, вращающийся с возрастающей частотой вращения, не будет прокачивать через себя воздух, поступающий из атмосферы на вход компрессора, и сжимать его, а наоборот, будет выпускать часть пускового газа в атмосферу через свой вход, при этом оказывая минимальное энергетическое воздействие на проходящий через него газ. В результате мощность, потребляемая компрессором при раскрутке ротора от пускового газа, будет минимальной, на несколько порядков меньшей, чем мощность, потребляемая им в штатном компрессорном режиме, тем самым ротор быстрее достигнет требуемой частоты вращения. При указанном характере течения пускового газа через компрессор неизбежны срывные явления на его лопаточных венцах, которые не представляют никакой опасности и не могут привести к развитию автоколебательных явлений (помпажа) вследствие отсутствия тракта для аккумулирования энергии и положительной обратной связи между ним и компрессором при таком режиме течения.
Осевая координата точки (точек) подачи потока пускового газа от стороннего источника в межлопаточный канал соплового аппарата должна экспериментально определяться до начала эксплуатации двигателя исходя из минимально достаточного наддува газовоздушного тракта при обеспечении условий недопущения выхода компрессора на расчетный режим течения во всем диапазоне частоты вращения ротора, при котором осуществляется подвод пускового газа с целью раскрутки ротора, что позволит подобрать пусковой газ с минимальными требованиями к его энергетике.
На чертеже приведено схематичное изображение одного из вариантов одновального газотурбинного двигателя.
В одном из вариантов одновальный газотурбинный двигатель содержит ротор, включающий компрессор 1, вал 2 и одноступенчатую турбину 3 с рабочим колесом 4. Также двигатель содержит камеру сгорания 5 и идущий непосредственно за ней сопловой аппарат 6, и сторонний источник 7 пускового газа, например в виде баллона со сжатым пусковым газом.
На примере описанного двигателя способ энергоэффективной раскрутки ротора, в частности с целью запуска одновального газотурбинного двигателя, реализуют следующим образом. Сжатый пусковой газ от стороннего источника 7 подают, в частном случае реализации, в две точки в межлопаточном канале соплового аппарата 6 одноступенчатой турбины 3 тангенциально в направлении вращения рабочего колеса 4. Под действием пускового газа ротор двигателя начинает раскручиваться и по достижении им требуемой частоты вращения прекращают подачу пускового газа, после чего подают топливо в камеру сгорания 5 и осуществляют его розжиг.
Таким образом, реализация предложенного способа позволит осуществить раскрутку ротора одновального газотурбинного двигателя до требуемой частоты с уменьшенными требованиями к энергетике пускового газа.