СТАРТЕР-ГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к стартерам-генераторам газотурбинных двигателей и может быть использована для запуска и обслуживания газотурбинных двигателей (ГТД), в частности газотурбинного двигателя НК-16СТ.
Для запуска ГТД нужно раскрутить его ротор до определённых оборотов, чтобы компрессор начал подавать достаточное количество воздуха и поджечь подаваемое в камеру сгорания топливо. Со второй задачей справляются свечи зажигания, зачастую установленные на специальных пусковых форсунках, а раскрутка выполняется стартёром той или иной конструкцией.
В зависимости от требуемой мощности и условий применения используются различные стартеры, из которых наибольшее распространение получили два типа: электрический и воздушный.
Помимо электростартеров широкое применение нашли электрические стартер-генераторы, которые на запуске работают как стартеры, а на основных режимах - как генераторы, приводимые от двигателей.
Известен модуль пускового генератора для газотурбинного двигателя включает в себя внутреннюю часть статора с якорем, определяющим ось вращения, и часть внешнего ротора, расположенную вокруг оси вращения. Часть внешнего ротора включает в себя постоянный магнит и зубчатый элемент зубчатой передачи. Постоянный магнит расположен вокруг оси вращения, а зубчатый элемент зубчатой передачи ограничен на внешней части ротора так, что зубчатый элемент зубчатой передачи передает энергию вращения на вспомогательную коробку передач в режиме запуска и получает энергию вращения от вспомогательной коробки передач в режиме генерации (см. патент US2016047319, МПК F02C7/275; F02C7/32, 2016 г.).
Недостатком данного решения является сложность конструкции, большие габариты устройства, а также проблемы, возникающие при подключении к источнику питания и съеме вырабатываемой электроэнергии. Невозможность использования данной конструкции на существующих двигателях.
Известен узел для газотурбинного двигателя, который включает в себя вспомогательную коробку передач, содержащую ведущую шестерню и вторую шестерню, и стартер-генератор, механически прикрепленный к вспомогательной коробке передач. Стартер-генератор, включает в себя корпус и часть вращающегося вала с предохранительным разъединителем, где предохранительный разъединитель расположен внутри корпуса стартера- генератора (см. патент JP2012140942, МПК F02C7/32; F02C7/36, 2012 г.).
Недостатком данного решения сложность конструкции. Кроме того, не ясно, как указанный стартер-генератор соединен с ГТД.
Известно решение системы запуска газотурбинного двигателя, в которой стартер-генератором выполнен на базе вентильного двигателя, управляемого в момент пуска преобразователем частоты. Электрическая машина выполнена с возможностью работы в режиме синхронного электрического генератора после запуска газотурбинного двигателя и с возможностью работы в режиме электрического двигателя во время фазы запуска газотурбинного двигателя, при этом главная электрическая машина содержит статор со статорными обмотками и ротор с постоянными магнитами. Сам вентильный двигатель механически соединен с валом газотурбинного двигателя. Стартер-генератор управляется преобразователем частоты, который в свою очередь управляется микроконтроллером. Информация об угловом положении ротора высчитывается в математической модели по токовым значениям электродвигателя. Значение положения ротора вентильного двигателя определяется по безынерционному датчику положения. В частности, областью применения данного технического решения являются стартеры-генераторы для авиационных тяговых газотурбинных двигателей или для вспомогательных газотурбинных силовых установок или APU («Auxiliary Power Unit»), установленных на летательных аппаратах. (см. https://dspace.susu.ru/handle/0001.74/17680 А.А. Демов «Разработка мехатронной системы стартер-генератора микрогазотурбинной установки» // ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К ВЫПУСКНОЙ КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЕ МАГИСТРА ЮУрГУ // 04.06.2017)
Недостатком данного решения является отсутствие проработки места установки стартер-генератора и соединения его с газотурбинным двигателем.
Поскольку стартер-генераторные установки обычно достаточно массивны, их устанавливают на рамных конструкция рядом с газотурбинным двигателем (ГТД). При работе газотурбинного двигателя все его элементы и окружающее пространство нагреваются до температур, вызывающих термическое расширение, возникает проблема компенсации температурных расширений в элементах привода и кинематической связи валов ГТД со стартер-генератором, расположенным на удаленном расстоянии от ГТД.
Проведенный патентный поиск показал, что наиболее близкого технического решения не выявлено.
Техническая проблема, решаемая полезной моделью - устранение недостатков, связанных с размещением стартер-генераторной установки на существующих эксплуатируемых двигателях при обеспечении выполнения установкой своих основных функций - запуска, холодной прокрутки и промывки газовоздушного тракта ГТД, в частности, газотурбинного двигателя НК-16СТ, и для обеспечения электрической энергией потребителей собственных нужд газотурбинного двигателя при изменении скорости вращения ротора высокого давления двигателя в диапазоне 70…105%.
Поставленная техническая проблема решается тем, что разработана стартер-генераторная установка для газотурбинного двигателя, содержащая стартер-генератор, своим выходным валом через рессору и редуктор постоянно кинематически соединенный с валом ротора высокого давления газотурбинного двигателя, причем корпус стартер- генератора и редуктор соединены со штатными элементами двигателя.
Технический результат от использования всех существенных признаков полезной модели заключается в упрощении оборудования эксплуатируемого газотурбинного двигателя стартер-генераторными установками, без внесения изменений в конструкцию существующего двигателя, при обеспечении исполнения в одном устройстве функции электрического запуска газотурбинного двигателя, длительной холодной прокрутки -промывки газовоздушного тракта двигателя и функции получения электрической энергии промышленной частоты в широком диапазоне изменения скорости вращения ротора высокого давления (ВД) двигателя.
Выполнение стартер-генераторной установки для газотурбинного двигателя, содержащей стартер-генератор, своим выходным валом через рессору и редуктор постоянно кинематически соединенный с ротором высокого давления газотурбинного двигателя, в которой корпус стартер- генератора и редуктор соединены со штатными элементами двигателя, позволяет оборудовать эксплуатируемый двигатель без внесения изменений в конструкцию существующего двигателя и обеспечить одним устройством функции электрического запуска газотурбинного двигателя, длительной холодной прокрутки -промывки газовоздушного тракта двигателя и функции получения электрической энергии промышленной частоты в широком диапазоне изменения скорости вращения ротора высокого давления (ВД) газотурбинного двигателя.
Фиг. 1 - общий вид стартер-генераторной установки, соединенной с газотурбинным двигателем;
Фиг. 2 - кинематическая схема устройства.
Стартер-генераторная установка 1 для газотурбинного двигателя 2 (ГТД) содержит стартер-генератор 3. (см..фиг.1) Стартер-генераторная установка снабжена редуктором 4, который через рессору 5 постоянно соединен с выходным валом 6 стартер-генератора 3 и является его неотъемлемой частью (см. фиг. 2). Стартер-генератор 3 (СГ) устанавливают на штатное место электростартера, которым обычно снабжен ГТД. Редуктор 4 закреплен передним фланцем 7 через хомут к штатному фланцу коробки приводов 8 ГТД 2. Корпус стартер-генератора 3 через тяги 9 прикреплен к корпусу ГТД 2 (см. фиг. 1). Стартер-генератор 3 представляет собой электрическую машину обратимого действия с ротором 10 на постоянных магнитах. Стартер-генератор своим выходным валом 6 через рессору 5 и редуктор 4 постоянно кинематически соединен с валом 11 ротора высокого давления (ВД) газотурбинного двигателя 2. Редуктор 4 выбран с необходимым передаточным отношением, что позволяет оптимизировать размеры электрической машины. Стартер-генераторная установка 1 содержит блок управления 12 стартер-генератором 3 (см. фиг. 1), включающий преобразователь частоты 13 и преобразователь напряжения 14, состоящий из активного выпрямителя А1 и инвертора А2.
Данная разработка создана предпочтительно для установки на газотурбинный двигатель НК-16СТ.
Для газотурбинного двигателя НК-16СТ номинальная частота вращения вала 11 ротора ВД является 6970 об/мин, а частота до которой требуется разогнать ротор двигателя при его запуске составляет 2600 об/мин. Кроме этого в процессе работы двигателя в зависимости от режима работ нагнетателя изменяется скорость вращения свободной турбины, а следовательно скорость вращения вала ВД, которая для НК-16СТ составляет диапазон от 4800 до 7300 об/мин.
С целью соблюдения баланса между мощностью, необходимой стартер-генератору 3 для запуска ГТД 2, и напряжением 380В, 50Гц, которое необходимо для работы потребителей собственных нужд при минимальной скорости вращения вала 11 ротора ВД в генераторном режиме, стартер-генераторная установка снабжена согласующим редуктором 4. Смазка его подшипников и зубчатых передач обеспечена от системы смазки ГТД через вводной штуцер, а слив масла из редуктора 4 через штуцер в коробку приводов 9 газотурбинного двигателя.
Разработанную стартер-генераторную установку 1 присоединяют непосредственно к элементам ГТД 2, как описано выше, что позволяет компенсировать возникающие в процессе работы двигателя из-за его нагрева температурные деформации и исключить перекосы и поломку элементов редуктора 4. Кроме того, такая система крепления установки к ГТД позволяет оборудовать эксплуатируемый газотурбинный двигатель без внесения изменений в его конструкцию.
Управление стартер-генератором 3 в режиме запуска и холодной прокрутки двигателя осуществляется от преобразователя частоты 13, а в генераторном режиме, выработанная нестабилизированная электрическая энергия ЭМ в диапазоне от 70 до 105% изменения скорости вращения вала 11 ротора ВД газотурбинного двигателя 2 преобразуется в стабилизированное напряжение 380В, 50Гц с помощью преобразователя напряжения 14, состоящего из активного выпрямителя А1 и инвертора А2.
Установка работает следующим образом.
1. На режиме «холодной прокрутки», когда вал 11 ротор ВД двигателя не имеет скорости вращения, система автоматического управления САУ (условно не показана) выдает управляющий сигнал, который подает сигнал на преобразователь частоты 13, соединенный через коммутационные аппараты с обмоткой статора 15 ЭМ. Преобразователь частоты 13 подает напряжение на обмотку статора 15 и ротор 10 стартер-генератора 3 начинает вращаться. Вал 6 ротора 10 передает вращение через рессору 5, редуктор 4 на коробку приводов 8 и, соответственно, на вал 11 ротора ВД ГТД. После достижения необходимой скорости вращения вала 11 ротора высокого давления, система автоматического управления подает управляющий сигнал на прекращения подачи напряжения от преобразователя частоты 13, который с помощью контактора отключается от сети. Ротор 10 стартера-генератора 3 совместно с валом 11 ротора ВД газотурбинного двигателя по инерции продолжают вращаться. При этом стартер-генератор 3 переходит в генераторный режим, когда на зажимах статора 15 стартер-генератора 3 имеется напряжение при отсутствующем токе, т.е. режим холостого хода. После окончания выбега вал 11 ротора ВД, а следовательно и вал 6 ротора 10 стартер-генератора 3 останавливаются.
2. На режиме «запуск», когда вал 11 ротора ВД двигателя не имеет скорости вращения, САУ выдает управляющий сигнал на блок управления СГУ 1, который подает сигнал на преобразователь частоты 13, соединенный через коммутационные аппараты с обмоткой статора 15 ЭМ. Преобразователь частоты 3 подает напряжение на обмотку статора 15 и ротор 10 начинает вращаться. Вал 6 ротора 10 передает вращение через рессору 5, редуктор 4 на коробку приводов 8 и, соответственно, на вал 11 ротора ВД ГТД. После достижения необходимой скорости вращения вала 11 ротора высокого давления и подачи топлива в камеру сгорания, газотурбинный двигатель запускается и начинает работать самостоятельно. Система автоматического управления подает управляющий сигнал на прекращение подачи напряжения от преобразователя частоты 13, который с помощью контактора отключается от сети. Ротор 10 стартера-генератора 3 совместно с валом 11 ротора ВД газотурбинного двигателя вращаются. При этом стартер-генератор 3 переходит в генераторный режим, когда на зажимах статора 15 стартер-генератора 3 имеется напряжение при отсутствии тока, т.е. режим холостого хода.
3. На режиме «генерация» когда вал 11 ротора ВД газотурбинного двигателя достиг номинальной скорости вращения, САУ выдает управляющий сигнал на блок управления, который осуществляет синхронизацию работы инвертора А2 с сетью при помощи датчика напряжения (условно не показан). После включения контактора САУ подает напряжение через активный выпрямитель А1 и инвертор А2 для потребителей собственных нужд. В случае прекращения подачи напряжения потребителям, контактор отключается и стартер-генератор 3 переходит в режим холостого хода, когда на зажимах статора имеется напряжение при отсутствии тока. При восстановлении электроснабжения, перед включением контактора САУ автоматически производит синхронизацию с сетью по частоте, фазе и напряжению.
Полезная модель может быть изготовлена из известных материалов, с применением существующих технологий.
Полезная модель может быть использована для установки на существующие эксплуатируемые газотурбинные двигатели для осуществления запуска и обслуживания газотурбинных двигателей (ГТД), в частности газотурбинного двигателя НК-16СТ.