СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ АВАРИЙНОМ (ВНЕЗАПНОМ) ВЫКЛЮЧЕНИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
COOLING METHOD OF GAS TURBINE ENGINES AT EMERGENCY (ABRUPT) SHUTDOWN OF POWER PLANTS

Изобретение относится к области газотурбинных двигателей, используемых в качестве привода энергетических установок газовой и энергетической отраслей, конкретно к способам охлаждения газотурбинных двигателей при аварийном (внезапном) выключении энергетических установок.
В системы автоматического управления энергетическими установками закладывается ряд уставок (предельных величин контролируемых параметров), при достижении (превышении) которых происходит аварийное (внезапное) выключение энергетических установок и соответственно их приводов - газотурбинных двигателей. По сигналу аварийного выключения система автоматического управления энергетической установки выдает команду на закрытие стопорного клапана системы топливопитания газотурбинного двигателя, прекращающего подачу топлива в камеру сгорания независимо от режима работы последнего. Пока происходит выбег ротора (роторов) двигателя, частично снимается тепло с горячих элементов конструкции за счет небольшого течения воздуха по газовоздушному тракту и циркуляции масла, обеспечиваемой одним или более насосами, имеющими привод от ротора газотурбинного двигателя. После выбега ротора (роторов) течение воздуха по газовоздушному тракту двигателя и циркуляция масла в маслосистеме двигателя прекращаются. Статор, имея меньшую относительно ротора массу, остывает быстрее; учитывая малую величину радиальных зазоров между ротором и статором, может произойти заклинивание ротора (роторов). Горячие элементы двигателя передают тепло масляным форсункам, что способствует коксованию масла. Следовательно, необходимо охлаждать теплонапряженные элементы двигателя при его аварийном (внезапном) выключении.
Известна система охлаждения турбины газотурбинного двигателя (патент РФ №2004103042, F02C 7/12, 2005 г.), содержащая связанные между собой воздуховодами место отбора сжатого воздуха от компрессора, нагнетатель, теплообменник и каналы охлаждаемых деталей турбины, и снабженная обратным клапаном - сигнализатором, соединенным своим входом с местом отбора сжатого воздуха от компрессора, а выходом - с нагнетателем, клапаном аварийного сброса, соединенным своим входом с выходом из каналов охлаждаемых деталей турбины, а выходом - с проточной частью двигателя, и датчиком температуры охлаждаемых деталей турбины, связанным на выходе с клапаном аварийного сброса, причем нагнетатель снабжен узлом регулирования его производительности, также связанным с выходом датчика температуры охлаждаемых деталей турбины, а теплообменник установлен между нагнетателем и охлаждаемыми соединен с входом в нагнетатель.
Недостатком данной системы является то, что она может применяться для охлаждения газотурбинного двигателя только на рабочих режимах этого двигателя и не обеспечивает его охлаждения при аварийном (внезапном) выключении в связи с прекращением течения воздуха в проточной части двигателя.
В варианте данной системы, оснащенной баком с запасом дополнительного охладителя, недостатком является необходимость пополнения бака охладителем при расходе последнего. Еще одним недостатком такого варианта системы является увеличение массы двигателя, его габаритов и необходимость размещения бака с охладителем на двигателе или в укрытии двигателя.
В варианте данной системы, когда нагнетатель механически связан с внешним источником энергии, недостатком является то, что система оснащается дополнительным потребителем энергии и требует его размещения на двигателе или в укрытии двигателя, габариты которого ограничены.
Известна система охлаждения турбины газотурбинного двигателя (патент РФ №2006108713, F02C 7/18, 2007 г.), включающая воздуховод для прохода охлаждающего воздуха от компрессора к турбине, образованный валом, соединяющим компрессор с турбиной, и внутренней стенкой двигателя, размещенной вокруг вала, отличающаяся тем, что воздуховод снабжен дополнительным осевым компрессором, содержащим одну или более ступеней, при этом рабочие лопатки дополнительного осевого компрессора установлены на валу, соединяющем компрессор с турбиной, а направляющие аппараты - на внутренней стенке двигателя, размещенной вокруг вала.
Недостатком данной системы является то, что она может применяться для охлаждения газотурбинного двигателя только на рабочих режимах этого двигателя и не обеспечивает его охлаждения при аварийном (внезапном) выключении в связи с прекращением течения воздуха в проточной части двигателя.
Известен способ предотвращения коксования масла в опоре турбины газотурбинного двигателя, работающего в составе газоперекачивающего агрегата или энергоустановки в случае аварийных (внезапных) выключений газотурбинного двигателя (патент РФ №94025938, F02C 7/12, F01P 7/02, 1996 г.), согласно которому повышение надежности работы опор турбин газотурбинного двигателя в составе газоперекачивающего агрегата или энергоустановки достигается тем, что в случае аварийного выключения газотурбинного двигателя через трубы сброса воздуха, наддувающего уплотнения масляной полости опоры турбины в предмасляную наддувающую полость либо через трубы суфлирования - в масляную полость, от внешнего энергоисточника подается охлаждающий воздух с температурой ≈100°С в течение времени τ, по истечении которого температура деталей опоры снижается до величины, исключающей коксование масла.
Недостатком такого способа является то, что воздух к опоре турбины должен подводиться с определенными параметрами, откуда следует необходимость в системе подготовки охлаждающего воздуха. Кроме того, чем больше время т подачи воздуха на охлаждение, тем большие запасы последнего нужно размещать рядом с энергетической установкой. Учитывая то, что энергетические установки зачастую находятся в отдалении от населенных пунктов (например, газоперекачивающие агрегаты), возникает вопрос о снижении затрат на их строительство, которые будут тем меньше, чем меньшее количество различных модулей или систем входит в состав энергетических установок. Следовательно, к недостаткам такого способа относится необходимость создания системы обеспечения охлаждающим воздухом опоры турбины газотурбинного двигателя при его аварийном (внезапном) выключении.
Технический результат, полученный при осуществлении или использовании способа, воплощающего настоящее изобретение, выражается в более эффективном охлаждении газотурбинного двигателя при его аварийном (внезапном) выключении, в результате чего исключается риск заклинивания ротора (роторов) двигателя и не возникает условий для коксования масла. Также расширяются функциональные характеристики системы запуска, и сокращается количество дополнительных систем жизнеобеспечения энергетических установок.
Это достигается тем, что в способе охлаждения газотурбинных двигателей при аварийном (внезапном) выключении энергетических установок, заключающемся в том, что измеряется частота вращения ротора (роторов) двигателя, температура масла на выходе из газотурбинного двигателя или на выходе любой из его опор, и формируется управляющее воздействие на исполнительный орган - стартер системы запуска газотурбинного двигателя (команда на его включение, выключение или переход на другой режим по частоте вращения). Во время выбега ротора (роторов) газотурбинного двигателя при его аварийном (внезапном) выключении система автоматического управления энергетической установкой выдает команду на включение стартера, который приводит во вращение ротор (ротора) двигателя и соответственно связанные с ним масляные насосы с частотой вращения n, в течение времени τ или до достижения температуры масла на выходе из газотурбинного двигателя или на выходе любой из его опор величины, исключающей коксование масла, при этом топливо в камеру сгорания двигателя не подается.
Из практики разработки и эксплуатации энергетических установок с авиационным газотурбинным приводом известно, что замкнутая масляная система газотурбинного двигателя остается замкнутой, но конструктивно поделена на две части - систему маслообеспечения газотурбинного двигателя (масляный бак, рассчитанный на непрерывную работу газотурбинного двигателя в течение не менее 700 ч, и комплекс фильтров и средств измерения параметров маслосистемы газотурбинного двигателя), расположенную в отдельном укрытии, для возможности проведения технического обслуживания и дозаправки маслобака газотурбинного двигателя различными способами (из передвижной маслозаправочной установки, из резервуаров склада и т.д.) без остановки последнего; и неотъемлемую от конструкции газотурбинного двигателя часть маслосистемы (откачивающие и нагнетающие масляные насосы, центрифуга и другие составные части маслосистемы, приводимые в движение от ротора (роторов) последнего). Поэтому месторасположения входа и выхода масла из газотурбинного двигателя или из его опор находится на конструктивной границе помещений, в которых расположены вышеуказанные части маслосистемы газотурбинного двигателя.
Частота вращения n выбирается из условия обеспечения необходимой производительности масляных насосов, приводимых во вращение ротором двигателя, ограничивается максимально возможной частотой вращения, которую может развить выходной вал стартера и, как правило, принимается равной частоте вращения холодной прокрутки ротора газотурбинного двигателя. Время τ подбирается для конкретного газотурбинного двигателя экспериментально таким образом, чтобы при выключения стартера (по завершению процесса охлаждения) не наблюдалась тенденция к росту температуры масла.
В еще оной реализации настоящего изобретения регулируется частота вращения ротора газотурбинного двигателя n в зависимости от изменения температуры масла на выходе из газотурбинного двигателя или на выходе любой из его опор, что позволит снизить потребление электроэнергии.
Частота вращения n, время прокручивания ротора (роторов) двигателя τ и величина температуры масла на выходе из газотурбинного двигателя или на выходе любой из его опор, исключающая коксование масла, устанавливается индивидуально для конкретного типа газотурбинного двигателя, учитывая особенности его эксплуатации.
Изобретенный способ распространяется на все виды аварий, за исключением случаев состояния энергетической установки по достижении опасного (но еще не аварийного) уровня вибрации в опоре ротора (опорах роторов) газотурбинного двигателя. В последнем случае защита будет осуществляться по алгоритму не аварийного, а алгоритму нормального останова, по методике диагностики состояния газотурбинного двигателя.
Техническим результатом применения настоящего изобретения во всех альтернативных случаях является стабилизация температуры масла на выходе из газотурбинного двигателя или на выходе любой из его опор (отсутствие тенденции к росту).
Осуществление или использование способа, воплощающего изобретение, позволит добиться более эффективного охлаждения газотурбинного двигателя при его аварийном (внезапном) выключении, в результате чего исключается риск заклинивания ротора (роторов) двигателя и не возникает условий для коксования масла, что продляет ресурс масла и подшипников. Также расширяются функциональные характеристики системы запуска и сокращается количество дополнительных систем жизнеобеспечения энергетических установок, сокращается стоимость энергетических установок и затраты на их строительство.