Устройство пуска газотурбинного двигателя с высокими моментами инерции

Полезная модель относится к области двигателестроения, в частности к электростартерам для запуска газотурбинных двигателей, используемых в газоперекачивающих агрегатах и электрических станциях, в частности, для газотурбинных двигателей Ладога 32.
Для запуска двигателей с большими моментами инерции или при сокращенном времени вывода на режим малого газа требуется увеличенная мощность стартера. Для электрических стартеров увеличение мощности связано с увеличением их размера, а, следовательно, массы и размеров электростартера для двигателей с большими инерционными массами.
Известно, что для запуска газотурбинного двигателя используют стартер, который передает вращающий момент к валу газотурбинного двигателя (ГТД). Вращающий момент подразумевает преодоление сопротивления вращению, которое обусловлено аэродинамическим сопротивлением вращающихся частей, механическим трением контактирующих деталей и потерь, связанных с жидкостным трением между контактирующими деталями, погруженными в жидкую среду, по меньшей мере, одного гидравлического контура смазки и/или регулирования температуры, связанного с упомянутым газотурбинным двигателем. Стартер постепенно с ускорением раскручивает газотурбинный двигатель, и, когда достигается заданная скорость вращения, инициируется впрыскивание и зажигание топлива в камере сгорания газотурбинного двигателя. Затем при другой заданной скорости вращения действие стартера прекращается и газотурбинный двигатель продолжает ускоряться до скорости холостого вращения за счет мощности, появляющейся при сгорании топлива.
Известен электростартер для запуска газотурбинных установок, используемых в газоперекачивающих агрегатах, который содержит сцепную муфту, редуктор, асинхронный электродвигатель, подключенный к сети питания через преобразователь частоты, снабженный измерителем частоты вращения электростартера, устройство включения электростартера, устройство управления крутящим моментом электростартера в соответствии с режимом раскрутки газотурбинной установки (см. Патент RU 2362031, МПК F02C 7/26 (2006.01), 2009 г.).
Недостатком конструкции высокооборотного электростартера на базе частотно управляемого асинхронного электродвигателя является возможность перегрева обмотки статора электростартера в процессе запуска при обеспечении электростартером моментно-мощностных характеристик и режимов работы газотурбинных установок. С ростом мощности процесс отвода тепла замедляется, что может приводить к снижению надежности электростартера, повреждению изоляции обмоточных проводов статора, сокращению количества запусков двигателя и введению технологических перерывов на охлаждение электростартера.
Кроме того, недостаточен диапазон регулирования частоты вращения, что актуально в режиме запуска ГТД, когда частота вращения изменяется в процессе пуска в широких пределах.
Известен электростартер для запуска газотурбинных установок, используемых в газоперекачивающих агрегатах, содержащий редуктор, асинхронный электродвигатель, выполненный в виде коаксиально смонтированных ротора и статора, соединенный с сетью питания посредством преобразователя частоты с возможностью обеспечения получения плавно изменяющегося момента вращения электростартера в соответствии с потребным режимом раскрутки ротора газотурбинной установки. Электростартер оборудован системой охлаждения статора маслом, выполненной в виде стакана, внутри которого расположена статорная обмотка, а на внешней относительно оси устройства стороне стакана выполнен в виде винтовой спирали канал, соединенный с нагнетающей частью системы подачи масла на смазку и охлаждение опор газотурбинного двигателя (ГТД) посредством входного штуцера и трубопровода. Последний относительно входа масла виток спирального канала соединен посредством выходного штуцера и трубопровода с магистралью слива масла в маслосистему ГТД, причем на внешней стороне стакана, на свободных от спирального канала поверхностях, выполнены канавки под уплотнительные кольца, по две с каждой стороны (см. патент РФ №2484273, F02C 7/26 (2006.01), 2013 г.).
Недостатком конструкции высокооборотного электростартера на базе частотно управляемого асинхронного электродвигателя является возможность перегрева обмотки статора электростартера в процессе запуска при обеспечении электростартером моментно-мощностных характеристик и режимов работы газотурбинных установок.
Кроме того, недостаточен диапазон регулирования частоты вращения, что актуально в режиме запуска ГТД, когда частота вращения изменяется в процессе пуска в широких пределах.
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 (аналог - см. патент JP2012140942, МПК F02C7/32; F02C7/36, 2012 г.).
Недостатком данного решения является сложность конструкции. Кроме того, не ясно, как указанный стартер-генератор соединен с ГТД.
Проведенный патентный поиск не позволил выявить наиболее близкого аналога.
Для запуска газотурбинных двигателей с высокими моментами инерции требуется создание большого момента страгивания ротора из состояния покоя, который в несколько раз больше момента, необходимого для последующей раскрутки ротора двигателя. Для создания пускового момента требуется подать на обмотку электродвигателя электростартера большие токи, что ведет к применению мощных преобразователей частоты. Для электрических стартеров увеличение мощности связано с увеличением их размера, а следовательно массы и размеров электростартера. При этом по мере раскрутки ротора двигателя момент падает, а, следовательно, падает и потребляемый ток.
Техническая проблема, решаемая полезной моделью – разработка пускового устройства для запуска газотурбинных двигателей с высокими моментами инерции при снижении потребляемого пускового тока.
Технический результат от использования всех существенных признаков заявленной полезной модели заключается в снижении пусковых токов при запуске газотурбинных двигателей с высокими моментами инерции и за счет этого в снижении пусковой мощности преобразователя частоты стартового электродвигателя.
Поставленный технический результат обеспечивается за счет того, что разработано устройство пуска газотурбинного двигателя с высокими моментами инерции, содержащее установленные в корпусе, расположенные соосно стартовый электродвигатель с установленной на его выходном валу обгонной муфтой, соединенный через вспомогательную обгонную муфту и редуктор с вспомогательным электродвигателем, причем стартовый электродвигатель и вспомогательный электродвигатель посредством кабелей подключены к собственным преобразователям частоты, устройство снабжено системой автоматического управления, обеспечивающей синхронизацию преобразователей частоты между собой.
Выполнение устройства пуска газотурбинного двигателя с высокими моментами инерции, содержащего установленные в корпусе, расположенные соосно стартовый электродвигатель с установленной на его выходном валу обгонной муфтой, соединенный через вспомогательную обгонную муфту и редуктор с вспомогательным электродвигателем, в котором стартовый электродвигатель и вспомогательный электродвигатель посредством кабелей подключены к собственным преобразователям частоты, а устройство снабжено системой автоматического управления, обеспечивающей синхронизацию преобразователей частоты между собой, позволяет снизить пусковые токи при запуске газотурбинных двигателей с высокими моментами инерции и за счет этого снизить пусковую мощность преобразователя частоты стартового электродвигателя.
Наличие двух электродвигателей, стартового и вспомогательного, расположенных соосно и посредством кабелей подключенных к собственным преобразователям частоты, которые синхронизированы между собой системой автоматического управления, позволяет снизить пусковые токи при запуске газотурбинного двигателя с высокими моментами инерции и за счет этого снизить пусковую мощность преобразователя частоты стартового электродвигателя. Соединение валов электродвигателей между собой через вспомогательную обгонную муфту и редуктор обеспечивает совместную работу электродвигателей при запуске газотурбинного двигателя с высокими моментами инерции, что позволяет снизить пусковые токи при запуске газотурбинного двигателя с высокими моментами инерции и за счет этого снизить пусковую мощность преобразователя частоты стартового электродвигателя.
Фиг.1 – схема устройства пуска.
Устройство пуска газотурбинного двигателя (ГТД) с высокими моментами инерции, содержит установленные в едином корпусе 1 электростартера стартовый электродвигатель 2, на выходном валу 3 которого установлена обгонная муфта 4. Входной вал 5 стартового электродвигателя 2 через вспомогательную обгонную муфту 6 и редуктор 7 соединен с выходным валом 8 вспомогательного электродвигателя 9. В качестве стартовой (пусковой) обгонной муфты 4 применяется муфта сцепления торцевого типа.
Стартовый электродвигатель 2 через кабель 10 подключен к собственному преобразователю частоты 11. Вспомогательный электродвигатель 9 через кабель 12 подключен к собственному преобразователю частоты 13. Устройство снабжено системой автоматического управления 14. Преобразователи частоты 11, 13 при работе на единую нагрузку (при запуске ГТД) синхронизируются указанной системой автоматического управления 14. На режиме старта раскрутка ротора ГТД происходит от вспомогательного электродвигателя 9, а стартовый электродвигатель 2 работает в режиме сопровождения. После набора скорости ротора ГТД стартовый электродвигатель 2 начинает ускорение, при этом прекращается подача напряжения на вспомогательный электродвигатель 9, вспомогательная обгонная муфта 6 которого выходит из зацепления с входным валом 5 стартового электродвигателя 2 и далее процесс запуска происходит с помощью стартового электродвигателя 2.
Устройство работает следующим образом.
На режиме страгивания вал турбины газотурбинного двигателя (ГТД) (условно не показан) не имеет скорости вращения. Для запуска и прокрутки вала ГТД системой автоматического управления (САУ) 14 подается команда на преобразователи частоты 11 и 13, которые формируют по заданному закону частоты подающего напряжения на статорные обмотки стартового электродвигателя 2 и вспомогательного электродвигателя 9 соответственно. Стартовый электродвигатель 2 работает в ведомом режиме, а основной момент создается вспомогательным электродвигателем 9, который через установленные на его выходном валу 8 собственный редуктор 7 и вспомогательную обгонную муфту 6, соединенную с входным валом 5 ротора стартового электродвигателя 2 и далее через обгонную муфту 4, установленную на выходном валу 3 стартового электродвигателя 2, передает вращение на вал турбины ГТД. Таким образом, при работе на режиме страгивания валы 3, 5 стартового электродвигателя и вал 8 вспомогательного электродвигателя работают как единый вал устройства.
Редуктор 7 выполнен с высоким передаточным отношением (например, i=47), а, следовательно, способен создавать в узком диапазоне скоростей высокий момент при малой мощности вспомогательного электродвигателя 9, что является достаточным для страгивания вала ГТД из состояния покоя. По мере раскрутки вала ГТД момент падает. Так момент страгивания вала ГТД Ладога составляет 4 000 Нм, который по мере раскрутки снижается до 800 Нм.  После снижения момента, необходимого для раскрутки турбины из состояния покоя, САУ 14 подает команду на преобразователь частоты 11 стартового электродвигателя 2, который из ведомого режима переводит его в режим создания необходимого для раскрутки момента и с необходимым ускорением продолжает раскрутку вала турбины. При этом одновременно прекращается подача напряжения преобразователем частоты 13 на обмотки статора вспомогательного электродвигателя 9. За счет разницы скоростей обгонная муфта 6 исключает механическую связь между выходным валом 8 вспомогательного двигателя 9 и входным валом 5 стартового электродвигателя 2. Вспомогательный электродвигатель 9 останавливается.
Стартовый электродвигатель 2 далее производит раскрутку вала турбины до требуемой скорости на режиме холодной прокрутки и запуска двигателя на режиме горячего запуска. После получения от САУ 14 команды на отключение стартового электродвигателя 2 преобразователь частоты 11 прекращает подачу напряжения на обмотку стартового электродвигателя 2. При этом вал турбины ГТД продолжает вращение в режиме холодной прокрутки за счет своей большей инерции, а в режиме горячего запуска - за счет работы самого газотурбинного двигателя, что приводит к отсоединению обгонной зубчатой муфты 4. Одновременно исключается механическая связь между выходным валом 3 стартового электродвигателя 2 и валом турбины ГТД. Стартовый электродвигатель 2 останавливается.
Вспомогательный электродвигатель 9 взрывозащищенный ВА132 S4 У3 (мощность 7,5 кВт, 1457 об/мин), выполненный в исполнении взрывозащиты 1Ех d IIB T4 Gb.
твд
твд
Режим «Холодный пуск/Промывка». Совместная раскрутка ротора турбины ГТД с до 0 об/мин до n=1400 об/мин и поддержание вращения на данной скорости продолжительностью до 2 часов осуществляется стартовым двигателем 2 совместно с вспомогательным электродвигателем 9. При n=30 об/мин вспомогательный электродвигатель 9 отключается и прекращает работу.
Номинальный момент - 800 Нм.
твд
твд
Режим «Горячий Запуск» Начало - по циклограмме холодного пуска. Дальнейшая раскрутка ротора турбины ГТД с n=1400 об/мин до n=5200 об/мин продолжительностью 200 с осуществляется стартовым электродвигателем 2, без участия вспомогательного электродвигателя 9.
Устройство может быть изготовлено с применением существующих электродвигателей, обгонных муфт, преобразователей частоты. Редуктор может быть изготовлен на существующем технологическом оборудовании с использованием известных материалов.
Заявленная полезная модель может быть использована для запуска газотурбинных установок, используемых в газоперекачивающим агрегатах и электрических станциях, в частности, для газотурбинных двигателей Ладога 32.