RU2044133C1

RU2044133C1 - Method of starting gas-turbine engine

Info

Publication number: RU2044133C1
Application number: RU93012691A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Михайлович Рахмаилов; Серафима Николаевна Халецкая
Original assignee: Анатолий Михайлович Рахмаилов; Серафима Николаевна Халецкая
Priority date: 1993-03-09
Filing date: 1993-03-09
Publication date: 1995-09-20

Abstract

FIELD: power engineering. SUBSTANCE: during start of the engine, compressed air is fed to flow section of turbine located after first section of expansion of working medium. Compressed air is bled from compressor stage steadily operating at start. EFFECT: enhanced reliability. 2 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике и касается газотурбинных двигателей. The invention relates to energy and relates to gas turbine engines.

Изобретение может найти применение в авиационной и автомобильной промышленности и в энергетике, а также в других отраслях промышленности, где находят применение газотурбинные двигатели. The invention can find application in the aviation and automotive industries and in the energy sector, as well as in other industries where gas turbine engines are used.

Известно, что при запуске газотурбинного двигателя необходимо медленно увеличивать подачу топлива соответственно медленному (постепенному) росту давления рабочего тела в камере сгорания, так как при низких пусковых оборотах ротора турбокомпрессора создаваемого компрессором давления явно недостаточно для создания необходимого перепада давления на турбине. Рабочее давление в камере сгорания создается компрессором только тогда, когда ротор турбокомпрессора достигнет номинальных оборотов. В связи с этим время запуска газотурбинного двигателя составляет от 1,5 до 3 мин и более (до 5-7 мин в мощных двигателях). Такой длительный запуск приводит к перегреву деталей камеры сгорания и турбины из-за отсутствия необходимых условий охлаждения, имеющих место при установившемся режиме работы. Для сокращения времени запуска устанавливают мощные пусковые двигатели (стартеры) или многокаскадные компрессоры с индивидуальными приводами. Однако эти способы неэкономичны и в значительной мере ухудшают массогабаритные показатели и увеличивают стоимость установки. It is known that when starting a gas turbine engine, it is necessary to slowly increase the fuel supply corresponding to a slow (gradual) increase in the pressure of the working fluid in the combustion chamber, since at low starting rotations of the turbocompressor rotor the pressure created by the compressor is clearly not enough to create the necessary pressure drop across the turbine. The working pressure in the combustion chamber is created by the compressor only when the turbocompressor rotor reaches its nominal speed. In this regard, the start time of a gas turbine engine is from 1.5 to 3 minutes or more (up to 5-7 minutes in powerful engines). Such a long start-up leads to overheating of the parts of the combustion chamber and turbine due to the lack of the necessary cooling conditions that occur during steady-state operation. To reduce startup time, powerful starting engines (starters) or multi-stage compressors with individual drives are installed. However, these methods are uneconomical and significantly worsen overall dimensions and increase the cost of installation.

Известен способ охлаждения жаровой трубы камеры сгорания, при котором создают вдоль внутренней стенки жаровой трубы кольцевой пристеночный поток водяного пара [1] При таком способе обеспечивается охлаждение стенок жаровой трубы и элементов камеры сгорания, в том числе и во время запуска. В результате можно увеличить ресурс камеры сгорания, но время запуска не сокращается. Это объясняется тем, что в этом случае при запуске двигателя от компрессора отводят в атмосферу избыточное количество воздуха, равное объему вводимой дополнительной текучей среды для ускорения набора необходимых оборотов и исключения помпажа и вращающего срыва. Таким образом, подвод дополнительной текучей среды (например, пара) не обеспечивает сокращения времени запуска. Кроме того, при этом затрачивается большое количество дополнительной энергии, необходимой для подачи пара. A known method of cooling the flame tube of the combustion chamber, in which create along the inner wall of the flame tube an annular wall flow of water vapor [1] This method provides cooling of the walls of the flame tube and elements of the combustion chamber, including during start-up. As a result, you can increase the life of the combustion chamber, but the start-up time is not reduced. This is because in this case, when starting the engine, an excess amount of air is discharged from the compressor into the atmosphere, equal to the volume of additional fluid introduced to accelerate the set of necessary revolutions and eliminate surging and rotational stall. Thus, the supply of additional fluid (for example, steam) does not provide a reduction in startup time. In addition, a large amount of additional energy is required to supply steam.

Известен способ, при котором на вход турбины подают распыленную воду [2] При этом обеспечивается охлаждение лопаток турбины, что также может способствовать повышению ресурса двигателя, защищаемого от перегрева при длительном запуске. Известен способ запуска, заключающийся в подаче сжатого воздуха в проточную часть турбины, расположенную за первым участком расширения рабочего тела, подаче топлива и воздуха для образования топливовоздушной смеси и получения из нее рабочего тела [3] В остальном этот способ имеет те же недостатки, что и описанные выше. There is a method in which sprayed water is supplied to the turbine inlet [2] This provides cooling of the turbine blades, which can also increase the life of the engine, which is protected from overheating during prolonged start-up. There is a method of starting, which consists in supplying compressed air to the flow part of the turbine located behind the first section of the expansion of the working fluid, supplying fuel and air to form a fuel-air mixture and to obtain a working fluid from it [3] Otherwise, this method has the same disadvantages as described above.

Цель изобретения изменить организацию потоков текучих сред в проточной части газотурбинного двигателя для оптимизации процесса сгорания топлива и режима работы турбины на начальной стадии пуска. The purpose of the invention is to change the organization of fluid flows in the flow part of a gas turbine engine to optimize the combustion process and the operation mode of the turbine at the initial stage of start-up.

Это достигается тем, что при способе запуска газотурбинного двигателя, при котором вращают ротор турбокомпрессора, подают в камеру сгорания топливо и воздух, отбираемый от компрессора, для образования топливовоздушной смеси, подают в поток рабочего тела дополнительную текучую среду и воспламеняют топливовоздушную смесь для образования рабочего тела, направляемого в проточную часть турбины, в качестве дополнительной текучей среды используют воздух, отбираемый от участка компрессора с максимальным расходом, а отбираемый воздух подают в проточную часть турбины в зоне, расположенной за первым участком расширения рабочего тела. This is achieved by the fact that in the method for starting a gas turbine engine, in which the rotor of the turbocharger is rotated, fuel and air taken from the compressor are fed into the combustion chamber to form a fuel-air mixture, additional fluid is supplied to the working fluid stream and the fuel-air mixture is ignited to form a working fluid directed to the flow part of the turbine, air taken from the compressor section with the maximum flow rate is used as additional fluid, and the taken air is supplied flow part of the turbine in a region extending over the first portion of expansion of the working body.

При таком способе, вместо отвода воздуха от компрессора в атмосферу, как это делают при запуске газотурбинных двигателей, воздух направляют в проточную часть турбины, благодаря чему, с одной стороны, увеличивается количество воздуха, проходящего через турбину, а с другой стороны, количество воздуха, поступающего в камеру сгорания соответственно уменьшается, что позволяет оптимизировать процесс горения топлива. При этом возрастает пусковая мощность турбины, в результате чего ускоряется набор оборотов ротора турбокомпрессора, что приводит к более быстрому росту производительности компрессора и ускорению выхода двигателя на рабочий режим. Таким образом, результатом является ускорение запуска газотурбинного двигателя. Вместе с тем, подача воздуха от компрессора в проточную часть турбины во время запуска обеспечивает необходимый режим охлаждения, требуемый в пусковом режиме, что позволяет увеличить ресурс двигателя. Кроме того, при таком способе запуска значительно уменьшается расход энергии на запуск, так как, во-первых, нет необходимости в увеличении мощности пускового двигателя и применении энергоемких текучих сред, во-вторых, воздух от компрессора во время запуска не выбрасывается в атмосферу, а используется для полезной работы. Кроме того, уменьшение времени запуска сокращает расход топлива, который при запуске довольно высок. Оптимизация режима горения во время запуска приводит к снижению токсичности выхлопа и уменьшению уровня шума. With this method, instead of venting air from the compressor to the atmosphere, as is done when starting gas turbine engines, the air is sent to the flow part of the turbine, due to which, on the one hand, the amount of air passing through the turbine increases, and on the other hand, the amount of air entering the combustion chamber is accordingly reduced, which allows to optimize the combustion process of the fuel. At the same time, the starting power of the turbine increases, as a result of which the set of revolutions of the rotor of the turbocompressor is accelerated, which leads to a more rapid increase in compressor productivity and accelerated engine output. Thus, the result is an accelerated start of the gas turbine engine. At the same time, the air supply from the compressor to the flow part of the turbine during start-up provides the necessary cooling mode required in the start-up mode, which allows to increase the engine resource. In addition, with this method of starting, the energy consumption for starting is significantly reduced, since, firstly, there is no need to increase the power of the starting engine and the use of energy-intensive fluids, and secondly, air from the compressor is not released into the atmosphere during startup, and used for useful work. In addition, a reduction in starting time reduces fuel consumption, which is quite high at startup. Optimization of the combustion mode during start-up leads to a reduction in the toxicity of the exhaust and a decrease in the noise level.

На фиг.1 схематически изображен газотурбинный двигатель для осуществления предлагаемого способа запуска газотурбинного двигателя с многоступенчатым компрессором; на фиг.2 вариант газотурбинного двигателя для осуществления предлагаемого способа запуска газотурбинного двигателя с центробежным компрессором. Figure 1 schematically shows a gas turbine engine for implementing the proposed method of starting a gas turbine engine with a multi-stage compressor; figure 2 is a variant of a gas turbine engine for implementing the proposed method of starting a gas turbine engine with a centrifugal compressor.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. При запуске вращают ротор 1 турбокомпрессора пусковым двигателем, например, электрическим стартером для вращения роторов 2, 3 компрессора 4. После набора ротором турбокомпрессора определенного числа оборотов (обычно 15-18% от номинальной частоты вращения) подают в камеру сгорания 5 через горелочное устройство 6 топливо и поджигают образующуюся в камере сгорания топливно-воздушную смесь. The proposed method is as follows. When starting, rotate the turbocharger rotor 1 with a starting engine, for example, an electric starter to rotate the rotors 2, 3 of the compressor 4. After the turbocompressor rotors a certain number of revolutions (usually 15-18% of the nominal speed), fuel is fed into the combustion chamber 5 through the burner 6 and set fire to the fuel-air mixture formed in the combustion chamber.

При начале вращения ротора турбокомпрессора открывают клапан 7 на линии 8, ведущей к проточной части 9 турбины 10. Клапан 7 соединен с участком максимального расхода компрессора 4. Как правило, такой участок максимального расхода многоступенчатого компрессора находится в переделах нескольких начальных ступеней компрессора устойчиво работающих при запуске. Точное расположение этого участка может быть без труда определено для любого вида компрессора. At the beginning of rotation of the turbocompressor rotor, open valve 7 on line 8 leading to the flow part 9 of turbine 10. Valve 7 is connected to the section of maximum flow of compressor 4. Typically, such a section of maximum flow of a multi-stage compressor is within the range of several initial stages of the compressor that are stable at startup . The exact location of this section can be easily determined for any type of compressor.

При этом большая часть подаваемого компрессором воздуха поступает непосредственно в проточную часть турбины для образования рабочего тела. В то же время компрессор подает в камеру сгорания только воздух, необходимый для горения и охлаждения деталей камеры сгорания. При существующих способах во время запуска компрессор подает в камеру сгорания этот воздух плюс воздух, необходимый для образования рабочего тела. При этом параметры такого объема воздуха были недостаточны для оптимального сгорания топлива (из-за низкой частоты вращения ротора компрессора). In this case, most of the air supplied by the compressor enters directly into the flow part of the turbine to form a working fluid. At the same time, the compressor supplies only the air necessary for combustion and cooling of the parts of the combustion chamber to the combustion chamber. With existing methods, during start-up, the compressor delivers this air plus the air necessary for the formation of a working fluid to the combustion chamber. At the same time, the parameters of such an air volume were insufficient for optimal combustion of fuel (due to the low rotor speed of the compressor rotor).

Подаваемый в камеру сгорания в таком количестве воздух улучшает смесеобразование, что позволяет обеспечить максимальную эффективность сгорания топлива. Это связано тем, что наибольшая скорость сгорания топлива имеет место при коэффициенте избытка воздуха α 0,7-0,8, что обеспечивается при подаче указанного небольшого количества воздуха. Повышение эффективности сгорания топлива с увеличением количества рабочего тела, расширяемого в турбине, повышает приводную мощность на валу ротора компрессора, что позволяет значительно быстрее наращивать его производительность и сократить время запуска. В конце запуска, когда компрессор выходит на режим номинальной частоты вращения, клапан 7 закрывается, и весь воздух направляется в камеру сгорания для поддержания нормального рабочего режима газотурбинного двигателя. The amount of air supplied to the combustion chamber in such an amount improves mixture formation, which allows for maximum fuel combustion efficiency. This is due to the fact that the highest rate of fuel combustion occurs when the coefficient of excess air α 0.7-0.8, which is provided when the specified small amount of air. Increasing the efficiency of fuel combustion with an increase in the number of working fluid expandable in the turbine increases the drive power on the compressor rotor shaft, which makes it possible to increase its productivity much faster and reduce start-up time. At the end of the start, when the compressor enters the nominal speed mode, valve 7 closes and all air is directed to the combustion chamber to maintain the normal operating mode of the gas turbine engine.

В варианте, представленном на фиг.2, использован одноступенчатый центробежный компрессор, у которого зона максимального расхода воздуха расположена на промежуточном участке рабочего колеса (ближе к впуску). Такой газотурбинный двигатель запускается так же, как и двигатель, показанный на фиг. 1. In the embodiment shown in FIG. 2, a single-stage centrifugal compressor is used, in which the zone of maximum air flow is located on the intermediate section of the impeller (closer to the inlet). Such a gas turbine engine starts in the same way as the engine shown in FIG. 1.

Применение описанного способа запуска газотурбинного двигателя на прототипе двигателя мощностью 3500 л. с. (номинальная частота вращения 12000 об/мин) с 10-ступенчатым осевым компрессором позволило при отборе воздуха на запуске от 3-й ступени компрессора и его подаче в проточную часть турбины за сопловым аппаратом первой ступени турбины осуществить запуск двигателя в течение 75 с по сравнению с 2,5 мин для аналогичного серийного двигателя. При этом температура перед турбиной во время запуска снижена на 10% и составила 900^оС. При запуске практически отсутствовало дымление выхлопа, обычно имеющее место во время запуска газотурбинных двигателей.The application of the described method for starting a gas turbine engine on a prototype engine with a capacity of 3500 liters. from. (nominal speed of 12,000 rpm) with a 10-stage axial compressor, it was possible to start the engine during 75 s when taking air at the start from the 3rd stage of the compressor and supplying it to the flow part of the turbine behind the nozzle apparatus of the first stage of the turbine 2.5 min for a similar serial engine. The temperature before the turbine during start-up has been reduced by 10% to 900 ^C. When running practically absent exhaust smoke is normally taking place during start gas turbine engines.

Claims

METHOD OF STARTING A GAS TURBINE ENGINE, which consists in supplying compressed air to the turbine flowing part located behind the first expansion section of the working fluid, rotating the turbine generator rotor, supplying fuel and compressed air to the combustion chamber to form a fuel-air mixture to obtain a working fluid sent to the turbine flowing part, characterized in that the compressed air supplied to the flow part of the turbine is taken from the compressor stages, which are stably operating at startup.