СПОСОБ ЗАПУСКА ОДНОВАЛЬНОГО ОДНОРЕЖИМНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD FOR STARTING A SINGLE-SHAFT SINGLE-MODE GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к способам запуска одновальных однорежимных газотурбинных двигателей.
Известен выбранный в качестве прототипа способ запуска газотурбинного двигателя при котором подачу сжатого пускового газа осуществляют от стороннего источника в газовоздушный тракт двигателя на лопатки турбины (А.И. Калиниченко «Воздушная система запуска малоразмерного газотурбинного двигателя», Вестник Концерна ВКО «Алмаз-Антей» / №3, 2016 г.).
Недостатком известного решения применительно к однорежимному двигателю является то, что одновременная подача пускового газа в тракт двигателя и топлива в камеру сгорания требует очень точной дозировки топлива, поскольку превышение расхода топлива с большой вероятностью приводит к неустойчивой работе компрессора (помпажу), а на однорежимных двигателях топливная система очень проста и, как правило, не может решать задачу вывода двигателя на расчетный режим.
Задачей изобретения является создание способа запуска для одновального однорежимного газотурбинного двигателя. Ожидаемый технический результат заключается в: снижении требований к топливной аппаратуре в части, касающейся дозирования топлива при выводе двигателя на расчетный режим (упрощение либо полное исключение из состава топливной автоматики функций, связанных с дозированием топлива на запуске/приемистости); обеспечении надежного запуска двигателя с однорежимной системой топливного питания за счет исключения возможности развития помпажных явлений при включении подачи топлива и его розжиге из-за несоответствия расхода топлива и частоты вращения ротора; повышении надежности запуска за счет исключения одновременной подачи пускового газа в проточную часть и топлива в камеру сгорания, и снижении тем самым риска развития помпажных явлений из-за недостаточной пропускной способности турбины, которая должна пропускать через себя и пусковой газ, и продукты сгорания топлива в воздухе, нагнетаемом компрессором.
Указанный технический результат достигается тем, что до расчетной частоты вращения ротор раскручивается исключительно с помощью пускового газа, таким образом, исключается одновременная подача пускового газа и топлива в камеру сгорания. В предлагаемом способе запуска одновального однорежимного газотурбинного двигателя, включающего подачу сжатого пускового газа от стороннего источника в газовоздушный тракт двигателя на лопатки турбины, согласно заявляемому решению подачу пускового газа осуществляют до достижения ротором двигателя частоты вращения, превышающей на 5-10% частоту вращения ротора двигателя на расчетном режиме работы, далее по достижении требуемой частоты вращения ротора прекращают подачу пускового газа и выдерживают временной интервал, достаточный для продувки газовоздушного тракта двигателя воздухом, поступающим на его вход, до освобождения газовоздушного тракта двигателя от пускового газа, после чего производят подачу топлива в камеру сгорания и его розжиг, причем время продувки экспериментально определяют до начала эксплуатации двигателя.
Запас по частоте вращения ротора 5-10% сверх расчетного значения предназначен для того, чтобы от момента прекращения подачи пускового газа и до момента розжига топлива в камере сгорания ротор в состоянии свободного выбега не допустил провала частоты вращения ниже расчетного значения. Это позволяет подавать топливо в камеру сгорания сразу с расчетным расходом, избегая необходимости использовать сложные дозаторы.
Выдерживание временного интервала после прекращении подачи пускового газа по достижении требуемой частоты вращения ротора, достаточного для продувки газовоздушного тракта двигателя воздухом, поступающим на его вход, до момента последующей подачи топлива в камеру сгорания и его розжига, позволит полностью освободить проточную часть от остатков пускового газа и сбалансировать давление по тракту двигателя, тем самым подготовив элементы двигателя (компрессор и турбину) к работе с подачей топлива в камеру сгорания. После подачи топлива с расчетным расходом и его розжига при расчетной частоте вращения ротора совместная работа элементов двигателя практически мгновенно перестраивается на расчетный режим, при котором запасы газодинамической устойчивости достаточны для устойчивой работы двигателя.
Экспериментальное определение потребного времени продувки до начала эксплуатации двигателя позволит обеспечить минимально достаточное время свободного выбега ротора, тем самым определив величину запаса по частоте вращения, которую необходимо обеспечить при раскрутке ротора от пускового газа, при этом ранее обозначенная граница запаса по частоте вращения 5-10% была также экспериментально определена для одновальных двигателей исходя из их конструктивных особенностей.
На чертеже приведено схематичное изображение одного из вариантов одновального однорежимного газотурбинного двигателя.
В одном из вариантов одновальный однорежимный газотурбинный двигатель содержит ротор включающий компрессор 1, вал 2 и одноступенчатую турбину 3 с лопатками 4 рабочего колеса. Также двигатель содержит камеру сгорания 5, сторонний источник 6 пускового газа, например, в виде баллона со сжатым пусковым газом.
На примере описанного двигателя способ запуска реализуют следующим образом. Сжатый пусковой газ от стороннего источника 6 подают на лопатки 4 турбины 3, причем в случае если турбина реализована многоступенчатой, то предпочтительно подавать сжатый пусковой газ на лопатки рабочего колеса ближайшего к выходу из камеры сгорания, чтобы расширяющийся пусковой газ совершал работу на всех лопаточных венцах и использовался максимально эффективно. Под действием пускового газа ротор двигателя начинает раскручиваться и по достижении ротором частоты вращения превышающей на 7% частоту вращения ротора двигателя на расчетном режиме работы прекращают подачу пускового газа. Под действием вращающегося компрессора воздух, поступающий на вход двигателя, выдувает весь пусковой газ из проточной части двигателя. По завершении продувки начинают подачу с расходом, равным расчетному, топлива в камеру сгорания 5, и осуществляют его розжиг. При этом ранее выбранное превышение частоты вращения ротора на 7% обусловлено временем продувки для данного двигателя, так как ротор после прекращения подачи пускового газа начинает замедлятся и продувка должна завершиться до того, как частота вращения снижается до расчетной, а именно такой, при которой возможен розжиг топлива поступающего в камеру сгорания.
Таким образом, реализация предложенного способа позволит реализовать надежный запуск для одновального однорежимного газотурбинного двигателя с использованием пускового газа.