RU2694107C1 - Electric drive for gas turbine plant start-up - Google Patents
Electric drive for gas turbine plant start-up Download PDFInfo
- Publication number
- RU2694107C1 RU2694107C1 RU2018139515A RU2018139515A RU2694107C1 RU 2694107 C1 RU2694107 C1 RU 2694107C1 RU 2018139515 A RU2018139515 A RU 2018139515A RU 2018139515 A RU2018139515 A RU 2018139515A RU 2694107 C1 RU2694107 C1 RU 2694107C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electric
- electric drive
- control unit
- gas turbine
- drive
- Prior art date
Links
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 19
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 19
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 19
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims abstract description 14
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 16
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 claims description 4
- 239000007858 starting material Substances 0.000 abstract description 34
- 238000005086 pumping Methods 0.000 abstract description 5
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 5
- 230000009471 action Effects 0.000 description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 4
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 4
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 3
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 2
- 230000003137 locomotive effect Effects 0.000 description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 239000003350 kerosene Substances 0.000 description 1
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
- F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
- F02C7/26—Starting; Ignition
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Control Of Eletrric Generators (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области двигателестроения и, в частности, к электростартерам для запуска газотурбинных установок, используемых в газоперекачивающих агрегатах и электрических станциях.The invention relates to the field of engine construction and, in particular, to electric starters for starting gas turbines used in gas pumping units and power plants.
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.It is known that a starter is used to start a gas turbine engine, which transmits torque to the shaft of a gas turbine engine (GTE). Torque means overcoming the resistance to rotation, which is due to the aerodynamic resistance of rotating parts, mechanical friction of the contacting parts and losses due to fluid friction between the contacting parts immersed in a liquid medium, at least one hydraulic lubrication circuit and / or temperature control associated with mentioned gas turbine engine. The starter gradually, with acceleration, spins the gas turbine engine, and when the specified rotational speed is reached, the injection and ignition of fuel in the combustion chamber of the gas turbine engine is initiated. Then, at another given rotational speed, the starter's action ceases, and the gas turbine engine continues to accelerate to idling speed due to the power that appears during the combustion of the fuel.
В настоящее время известны системы запуска ГТД, в которых в качестве пускового устройства используются электростартер (Э/С) или стартер генератор (СТГ).Currently, GTE launch systems are known in which electric starter (E / C) or starter generator (STG) are used as a starting device.
В известном техническом решении применяется система запуска ГТД с помощью Э/С или СТГ, соединенного с ротором двигателя, включающая источник электроэнергии постоянного напряжения, соединенный с Э/С или СТГ через регулировочное устройство. Регулировочное устройство в известном техническом решении содержит: датчик тока, который замеряет величину тока, потребляемого Э/С или СТГ, электронный ключ для обеспечения переменной скважности в силовой цепи Э/С или СТГ и датчик рассогласования фактической и заданной величины потребляемого тока. При достижении предельно допустимой скважности электронного ключа подключается дополнительный источник электроэнергии. (см.патент на полезную модель №55879, МПК F02C 7/26 (2006.01), 2006 г.)In the known technical solution, a GTE start-up system is used by means of an E / S or STG connected to an engine rotor, including a source of DC electrical power connected to an E / C or STG via an adjusting device. The adjusting device in the known technical solution contains: a current sensor that measures the amount of current consumed by the E / C or STG, an electronic switch to provide a variable duty cycle in the E / C or STG power circuit, and a sensor for the mismatch of the actual and set value of the current consumed. When the maximum permissible ratio of the electronic key is reached, an additional source of electricity is connected. (see Utility Model Patent No. 55879, IPC
Недостатком существующего технического решения является то, что по мере увеличения оборотов Э/С или СТГ возрастает противоЭДС, что вызывает необходимость при достижении предельно допустимой скважности электронного ключа подключать дополнительный источник электроэнергии.The disadvantage of the existing technical solution is that as the E / S or STG speed increases, the back emf increases, which makes it necessary to connect an additional source of electricity when the maximum permissible duty cycle of the electronic key is reached.
Известна конструкция газотурбинного двигателя ТРДД-50, разработанного АО “Омское моторостроительное конструкторское бюро” (“Двигатели 1944-2000: авиационные, ракетные, морские, наземные”. - М.: ООО “АКС - Конверсалт”, 2000).A known design of the gas turbine engine TRDD-50, developed by JSC “Omsk Motor-Building Design Bureau” (“Engines 1944-2000: aviation, rocket, sea, ground.” - M .: LLC “AKS - Conversalt”, 2000).
В этой конструкции ГТД для запуска и выработки на рабочем режиме электроэнергии применена электрическая машина обратимого действия, совмещающая функции пускового устройства и генератора электрического тока (стартер-генератор). Электрическая машина размещена непосредственно в масляной полости опоры ротора ГТД. При этом постоянные магниты, входящие в состав электрической машины, расположены на поверхности вала ротора, а статор с обмотками, охватывающий систему постоянных магнитов, закреплен на внутренней поверхности корпуса подшипниковой опоры ротора ГТД.In this design of a gas turbine engine, an electric machine of reversible action is used for launching and generating on-line electricity, combining the functions of a starting device and an electric current generator (starter-generator). The electric machine is placed directly in the oil cavity of the support of the rotor of the CCD. In this case, the permanent magnets included in the electric machine are located on the surface of the rotor shaft, and the stator with the windings, covering the system of permanent magnets, is fixed on the inner surface of the bearing housing of the GTE rotor.
В приведенной конструкции отсутствует необходимость в механическом зубчатом приводе от ротора ГТД к электрической машине, что существенно упрощает конструкцию двигателя и уменьшает его массу. In the above construction, there is no need for a mechanical gear drive from the GTE rotor to an electric machine, which greatly simplifies the design of the engine and reduces its weight.
Недостатком конструкции является малая мощность электрической машины, что связано с ограничением ее размеров габаритами компактной конструкции масляной полости опоры ротора ГТД, в которой она установлена. Кроме того, мощность машины ограничивает способ крепления системы постоянных магнитов на наружной поверхности вала ротора. Материал магнитов, представляющий собой магнитотвердый спеченный материал, кроме приклеивания не допускает иного более прочного способа неразъемного соединения (сварки, пайки и др.). Значительные центробежные нагрузки, действующие на указанные магниты, требуют использования бандажа (как правило, из композитного материала) для дополнительного закрепления этих элементов.The disadvantage of the design is the low power of the electric machine, which is associated with the limitation of its dimensions by the dimensions of the compact design of the oil cavity of the GTE rotor support, in which it is installed. In addition, the power of the machine limits the method of fastening the system of permanent magnets on the outer surface of the rotor shaft. The material of the magnets, which is a magnetically hard sintered material, apart from gluing, does not allow another more durable method of permanent connection (welding, soldering, etc.). Significant centrifugal loads acting on these magnets require the use of a band (usually made of composite material) for additional fixing of these elements.
Известны электростартеры для запуска газотурбинных установок, используемых в газоперекачивающих агрегатах и электрических станциях. Так как. газотурбинные двигатели имеют большой момент инерции ротора турбины (до 30 кг·м2), поэтому время раскрутки их при запуске достигает 100 с и более. При включении известные электростартеры развивают быстро нарастающий пусковой момент, который по величине может превышать момент, необходимый для раскрутки газотурбинной установки, что приводит к ударам в сцепной кулачковой муфте одностороннего действия стартера в начале движения при зацеплении и в процессе раскрутки газотурбинного двигателя и влечет за собой поломку трансмиссии. При этом развиваемый электростартером момент становится избыточным в конце раскрутки, когда газотурбинная установка начинает выходить на режим работы, что приводит к перегрузке трансмиссии и перегреву стартера и редуктора.Known electric starters for starting gas turbines used in gas pumping units and power plants. Because. gas turbine engines have a large moment of inertia of the turbine rotor (up to 30 kg · m 2 ), therefore, the time of their promotion at start-up reaches 100 s and more. When turned on, well-known electric starters develop a rapidly increasing starting torque, which may exceed the torque required to spin a gas turbine installation, which leads to strikes in the coupling cam clutch of a single-sided starter at the beginning of movement during engagement and during the spinup of the gas turbine engine and entails a breakdown transmissions. At the same time, the moment developed by the electric starter becomes redundant at the end of the spin-up, when the gas-turbine plant starts to enter the operating mode, which leads to transmission overload and starter and gearbox overheating.
Известен электростартер постоянного тока для запуска авиационных газотурбинных установок, содержащий сцепную кулачковую муфту одностороннего действия, редуктор, двигательное устройство, выполненное на коллекторном электродвигателе, и устройство включения стартера (см. Стартер-генератор СТГ-12ТМВ // Техническое описание, инструкция по технической эксплуатации. - Киров, - ОАО «Электропривод», - 1964.). A known DC electric starter for launching aviation gas turbine installations, comprising a single-acting coupling cam clutch, a reducer, a propulsion device made on a collector electric motor, and a starter switching device (see Starter-generator STG-12TMV // Technical description, technical maintenance manual. - Kirov, - OJSC “Elektroprivod”, - 1964.).
Данное устройство не обеспечивает безударное включение и раскрутку ротора газотурбинной установки, имеет низкую надежность и малую мощность, не обеспечивающую запуск газотурбинных установок большой мощностиThis device does not provide shock-free activation and promotion of the rotor of a gas turbine installation, has low reliability and low power, which does not ensure the launch of high-power gas turbine installations
Известен электростартер, содержащий сцепную кулачковую муфту одностороннего действия, редуктор, двигательное устройство, выполненное на асинхронном электродвигателе, подключенном к питающей сети через частотный преобразователь, снабженный измерителем частоты вращения электростартера, и устройство включения электростартера (см. Волокитина Е.В., Никитин В.В., Носков Н.В., Шалагинов В.Ф. Электростартер для запуска газотурбинных установок // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2005. - №5. - с.39-42.)Known electric starter containing coupling Cam clutch unilateral action, gearbox, motor device, made on an asynchronous motor connected to the mains through a frequency converter equipped with a meter of rotational speed of the electric starter, and switch on the electric starter (see Volokitina EV, Nikitin V. V., Noskov N.V., Shalaginov V.F. Electrostarter for launch of gas turbine installations // Electronics and electrical equipment of transport. - 2005. -
Недостатком устройства также являются удары в сцепной кулачковой муфте одностороннего действия при сцеплении и в процессе раскрутки газотурбинной установки.The disadvantage of the device are also blows in the coupling cam clutch of one-sided action during the clutch and in the process of promotion of the gas-turbine installation.
Известен частотно-управляемый электростартер для электрической системы запуска ГПА (см. Комогаров, Егорова. Электрозапуск газоперекачивающих агрегатов, Нефтегазовый комплекс №2, 2008 г.).The frequency-controlled electric starter for the HPA electric starting system is known (see Komogarov, Egorova. Electric start-up of gas-pumping units, Oil and Gas Complex No. 2, 2008).
Недостатком конструкции является отсутствие отвода тепла от статора электростартера, что может способствовать чрезмерному нагреву обмотки статора электростартера и снижению эксплуатационной надежности электростартера.The disadvantage of the design is the lack of heat removal from the stator of the electric starter, which can contribute to excessive heating of the stator winding of the electric starter and reduce the operational reliability of the electric starter.
Наиболее близким к заявляемой конструкции техническим решением является конструкция электростартера для запуска газотурбинных установок, используемых в газоперекачивающих агрегатах, которая 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 см. Патент RU 2362031, МПК F02C 7/26 (2006.01), 2009 г.). Данное решение принято за прототип.Closest to the claimed design technical solution is the design of an electric starter for starting gas turbines used in gas pumping units, which contains a clutch, gearbox, asynchronous electric motor connected to the mains through a frequency converter equipped with an electric starter rotational speed meter, electric starter actuation device, control device torque electric starter in accordance with the mode of promotion of gas turbine installation (see atent RU 2362031, IPC F02C 7/26 (2006.01), 2009). This decision was made as a prototype.
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, применяемые в известных электростартерах сцепная кулачковая муфта одностороннего действия, редуктор, асинхронный электродвигатель имеют возможность осуществлять раскрутку турбины двигателя с нулевой скорости вала турбины и не позволяют осуществлять его прокрутку при скоростях отличных от нуля.The disadvantage of the design of a high-speed electric starter based on a frequency-controlled asynchronous electric motor is the possibility of overheating of the stator winding of the electric starter during start-up, while providing the electric starter with torque-power characteristics and operating modes of gas turbines. With increasing power, the heat removal process slows down, which can lead to a decrease in the reliability of the electric starter, damage to the insulation of the stator winding wires, a reduction in the number of engine starts and the introduction of technological interruptions to the cooling of the electric starter. In addition, used in known electric starters coupling clutch unilateral action, gear, asynchronous electric motor have the ability to promote the turbine of the engine with zero speed of the turbine shaft and do not allow it to scroll at speeds other than zero.
Техническая проблема, решаемая изобретением, заключается в том, чтобы обеспечить в одном устройстве режим холодной прокрутки и горячего запуска двигателя и режим принудительного привода турбины при аварийном и плановом останове двигателя с целью исключения перегрева опоры турбиныThe technical problem solved by the invention is to provide in a single device the mode of cold scrolling and hot start of the engine and the mode of forced drive of the turbine during an emergency and planned stop of the engine in order to prevent overheating of the turbine support
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, состоит в получении электропривода газотурбинного двигателя, который бы позволял производить запуск двигателя и осуществлять прокрутку ротора двигателя при аварийном и плановом останове ГТУ.The technical result, the achievement of which the invention is directed, is to obtain an electric drive of a gas turbine engine, which would allow the engine to start and scroll the engine rotor during an emergency and planned shutdown of the GTU.
Поставленная задача решается тем, что в известном электроприводе для запуска газотурбинной установки, содержащем сцепную муфту; редуктор; электродвигатель, подключенный к сети питания через преобразователь частоты, соединенный с блоком управления, в соответствии с изобретением, электропривод снабжен устройством управления, соединенным через блок управления с датчиком оборотов ГТУ, муфта выполнена в виде управляемой блоком управления электромуфты, а электродвигатель выполнен в виде синхронной электрической машины на постоянных магнитах, управляемой от блока управления в соответствии с режимом раскрутки газотурбинной установки.The problem is solved in that in a known electric drive for starting a gas turbine installation comprising a coupling clutch; gearbox; the electric motor connected to the mains through a frequency converter connected to the control unit in accordance with the invention, the electric drive is equipped with a control device connected through the control unit to the GTU speed sensor, the coupling is designed as an electric control unit controlled by the control unit, and the electric motor is synchronous electric machines with permanent magnets, controlled by the control unit in accordance with the mode of promotion of the gas turbine installation.
Редуктор выполнен планетарным,The gearbox is made planetary
Технический результат от использования всех существенных признаков изобретения заключается в получении электропривода для запуска газотурбинных установок, который позволяет не только производить запуск газотурбинных установок, но и осуществлять прокрутку ротора газотурбинных установок при аварийном и плановом останове ГТУ.The technical result from the use of all essential features of the invention is to obtain an electric drive for starting gas turbines, which allows not only launching gas turbines, but also scrolling the rotor of gas turbines during an emergency and planned shutdown of the GTU.
Из уровня техники известно (патент РФ №2419954), что синхронные электродвигатели с постоянными магнитами обладают более высоким КПД, чем асинхронные электродвигатели по следующим причинам: From the prior art it is known (RF patent No. 2419954) that synchronous electric motors with permanent magnets have a higher efficiency than asynchronous electric motors for the following reasons:
- синхронные электродвигатели с постоянными магнитами не нуждаются в токах возбуждения из-за того, что магнитный поток устанавливается постоянным магнитом; - synchronous electric motors with permanent magnets do not need excitation currents due to the fact that the magnetic flux is set by a permanent magnet;
- в синхронных электродвигателях с постоянными магнитами не возникают вторичные потери в меди, так как в роторе не протекает электрический ток;- in synchronous electric motors with permanent magnets there are no secondary losses in copper, since no electric current flows in the rotor;
- синхронные электродвигатели с постоянными магнитами способны эффективно получать крутящий момент, в дополнение к крутящему моменту, сформированному магнитным потоком, установленным постоянным магнитом, используя реактивный момент, который использует разницу между магнитными сопротивлениями в роторе.- permanent magnet synchronous motors are able to efficiently receive torque, in addition to the torque generated by the magnetic flux set by the permanent magnet, using reactive torque, which uses the difference between the magnetic resistances in the rotor.
Применение высокоскоростного синхронного электродвигателя на постоянных магнитах позволяет:The use of high-speed synchronous motor with permanent magnets allows:
-получить большой стартовый момент, необходимый для раскрутки ГТУ, при этом применен способ управления частотным преобразователем с поддержанием постоянного момента;- to get a large starting point, necessary for the promotion of GTU, while applying the method of controlling the frequency converter with maintaining a constant moment;
-реализовать функции стартер-генератора;- implement the functions of the starter-generator;
-реализовать функции длительной прокрутки ГТУ и генераторного режима в охлаждении стартера жидкостью (масло, керосин) от систем ГТУ или введении крыльчатки-турбины на роторе электродвигателя для воздушного охлаждения статора.- implement the functions of long-term scrolling of gas turbines and the generator mode in cooling the starter with liquid (oil, kerosene) from the gas turbine systems or introducing the impeller-turbine on the rotor of the electric motor for air cooling of the stator.
При этом дополнительно использование высокоскоростного синхронного электродвигателя на постоянных магнитах позволяет:In addition, the use of a high-speed permanent-magnet synchronous motor allows:
- исключить нагрев ротора, а следовательно уменьшить нагрев электростартера; - to exclude the heating of the rotor, and therefore reduce the heating of the electric starter;
- обеспечить работоспособность электропривода при экстремально высоких температурах окружающей среды (от -50 до +120 град.С);- to ensure the efficiency of the electric drive at extremely high ambient temperatures (from -50 to +120 degrees C);
-минимизировать габаритные размеры и вес электропривода.- to minimize overall dimensions and weight of the electric drive.
Управляемая электромуфта позволяет реализовать режим синхронизации скорости вращения турбины и вала электропривода после прекращения подачи топлива на ГТУ обеспечить режим принудительного вращения вала турбины при скорости турбины отличной от «нуля». При этом, после того как происходит синхронизация скоростей, включается муфта и электропривод начинает вращать ротор турбины, которая плавно остывает и останавливает вращение после того как температура турбины достигнет требуемой температуры.A controlled electric coupling allows the synchronization of the speed of rotation of the turbine and the shaft of the electric drive after the cessation of fuel supply to the GTU to ensure the mode of forced rotation of the shaft of the turbine at a speed of the turbine different from "zero". In this case, after synchronization of speeds occurs, the clutch is turned on and the electric drive starts to rotate the turbine rotor, which cools down smoothly and stops rotation after the temperature of the turbine reaches the required temperature.
Применение планетарного редуктора для увеличения передаваемого от электродвигателя момента позволяет реализовать большие удельные мощности при обеспечении высокой нагрузочной способности и минимальных габаритах, высокий КПД, минимум затрат на обслуживание и монтаж.The use of a planetary gearbox to increase the torque transmitted from the electric motor allows for the realization of high specific powers while ensuring high load capacity and minimal dimensions, high efficiency, and minimum maintenance and installation costs.
Использование в электроприводе устройства управления, соединенного через блок управления с датчиком оборотов ГТУ, муфты, выполненнной в виде управляемой блоком управления электромуфты, и электродвигателя, выполненного в виде синхронной электрической машины на постоянных магнитах, управляемой от блока управления в соответствии с режимом раскрутки газотурбинной установки, позволяет получить в одном устройстве функцию электропривода, который предназначен не только для запуска и холодной прокрутки газотурбинного двигателя с нулевой скорости вала турбины, но и для дополнительного привода (прокрутки) вала турбины при скорости ее вращения отличной от нулевой. The use in the electric drive of a control device connected via a control unit with a GTU speed sensor, a coupling made in the form of an electrofusion motor controlled by a control unit, and an electric motor made in the form of a synchronous electric machine with permanent magnets controlled from a control unit in accordance with the spin-up mode of the gas turbine installation, allows you to get in one device the function of the electric drive, which is designed not only to start and cold-scroll the gas turbine engine with zero nd turbine shaft speed but also for the additional actuator (scrolling) of the turbine shaft at a speed of rotation different from zero.
Наличие синхронного электродвигателя на постоянных магнитах, который позволяет передавать высокий крутящий момент на начальной скорости вращения и вращается с синхронной скоростью питающего напряжения, что обеспечивает реальную скорость вращения, и управляемой муфты, которая предназначена для синхронизации скоростей вращения вала турбины и вала электропривода, позволяет не только производить запуск газотурбинных установок, но и осуществлять прокрутку ротора газотурбинных установок при аварийном и плановом останове ГТУ. The presence of a synchronous electric motor with permanent magnets, which allows you to transmit high torque at the initial rotational speed and rotates with the synchronous speed of the supply voltage, which provides real speed of rotation, and a controlled clutch, which is designed to synchronize the rotational speeds of the turbine shaft and the shaft of the electric drive, allows not only launching gas turbines, but also scrolling the rotor of gas turbines when an emergency and planned shutdown of a gas turbine is in progress.
На прилагаемой фигуре показана функциональная блок-схема электропривода в сборе с ГТУ.The attached figure shows a functional block diagram of an electric drive assembly with GTU.
Где 1 - турбина ГТУ, 2 - редуктор ГТУ, 3 - коробка приводов ГТУ, 4 - датчик оборотов турбины, 5 - электропривод, 6 - управляемая электромуфта, 7- планетарный редуктор электропривода, 8 - электродвигатель, выполненный в виде синхронной электрической машины на постоянных магнитах, 9 - датчик оборотов электропривода, 10 - преобразователь частоты, 11 - блок управления электропривода, 12 - устройство управления электроприводом ГТУ.Where 1 is a GTU turbine, 2 is a GTU reducer, 3 is a GTU drive box, 4 is a turbine speed sensor, 5 is an electric drive, 6 is a controlled electrofusion drive, 7 is a planetary reducer of an electric drive, 8 is an electric motor made in the form of a synchronous electric machine on permanent magnets, 9 — electric drive speed sensor, 10 — frequency converter, 11 — electric drive control unit, 12 — GTU electric drive control device.
Электропривод 5 для запуска и прокрутки газотурбинной установки содержит электродвигатель 8, выполненный в виде синхронной электрической машины на постоянных магнитах, соединенный с планетарным редуктором 7. служащим для повышения момента электродвигателя. Выходной вал планетарного редуктора 7 соединен с управляемой электромуфтой 6. Электропривод 5 дополнительно снабжен устройством управления 12, соединенным через блок управления 11 с датчиком 4 оборотов турбины. Выходной вал управляемой электромуфты 6 соединен с коробкой приводов 3 ГТУ с возможностью отключения, таким образом, электромуфта 6 обеспечивает соединение и отключение коробки приводов 3ГТУ с электроприводом 5 по командам через блок управления 11 от устройства управления 12 электроприводом ГТУ. В качестве устройства управления 12 электроприводом ГТУ может быть использован компьютер с разработанной программой автоматического управления ГТУ. Электропривод 5 снабжен датчиком оборотов 9, который предназначен для определения фактической скорости выходного вала электропривода. Редуктор 2 ГТУ передает вращение на турбину 1. The
Управление электроприводом осуществляется от устройства управления электроприводом ГТУ 12. Устройство управления электроприводом 12 служит для анализа полученной информации от датчика 4 оборотов ГТУ и датчика 9 оборотов электропривода 5, определяет команды режимов работы электропривода и передает их на блок управления 11. Блок управления 11 передает команды на преобразователь частоты 10, который управляет электродвигателем 8 электропривода и на управляемую электромуфту 6. The drive is controlled from the
Работа электропривода осуществляется следующим образом.The operation of the actuator is as follows.
На режиме «холодной прокрутки» и «запуска», когда вал турбины 1 не имеет скорости вращения, работа электропривода происходит следующим образом: устройство управления электроприводом ГТУ 12 выдает соответствующую команду на блок управления электропривода 11, который подает команду на включение управляемой электромуфты 6. После получения команды одна полумуфта соединяется с другой полумуфтой электромуфты 6, обеспечивая механическую связь между электроприводом 5 и коробкой приводов 3 ГТУ, передающей вращение на вал турбины 1. Одновременно блок управления электроприводом 11 подает команду на частотный преобразователь 10 на подачу требуемого напряжения и частоты на электродвигатель 8. После достижения необходимой скорости вращения вала турбины 1 устройство управления электроприводом ГТУ 12 подает команду блоку управления электропривода 11 на отключение управляемой электромуфты 6 и прекращения подачи напряжения от частотного преобразователя 10 на электродвигатель 8. При этом исключается механическая связь между электроприводом 5 и ГТУ, а электродвигатель 8 электропривода останавливается.In the mode of "cold scrolling" and "start", when the shaft of the
На режиме «прокрутки», когда прекращается подача топлива и вал турбины ГТУ по инерции продолжает вращаться, работа электропривода происходит следующим образом.On the “scroll” mode, when the fuel supply stops and the turbine shaft of the gas turbine continues to rotate due to inertia, the drive works as follows.
Устройство управления электроприводом ГТУ 12 выдает соответствующую команду на блок управления электропривода 11, который получает от датчика 4 оборотов вала турбины данные о скорости вращения вала турбины 1 ГТУ, после чего подается команда на частотный преобразователь 10 на подачу требуемого напряжения и частоты на электродвигатель 8 для достижения скорости вращения выходного вала электропривода, контролируемой с помощью датчика оборотов электропривода 9, равной скорости вращения приводного вала коробки приводов ГТУ 3, который связан с валом турбины ГТУ 1. После достижения равной скорости вращения соединяемых валов, блок управления электропривода 11 подает команду на включение электромуфты 6, при этом обеспечивается механическая связь между электроприводом и турбиной и электродвигатель по заложенному алгоритму начинает вращать турбину. Прекращение принудительного вращения турбины происходит по команде от устройства управления электроприводом ГТУ 12, которое подает команду блоку управления электропривода 11 на отключение электромуфты 6 и прекращения подачи напряжения на электродвигатель 8 от частотного преобразователя 10. При этом исключается механическая связь между электроприводом и турбиной, а электродвигатель останавливается.The control unit of the
Практическая реализация данного изобретения была испытана на газотурбинной установке НК-361 газотурбовоза ГТ1. При аварийном останове газотурбинного двигателя происходит повышение температуры масла, опоры и других частей турбины, которое приводит либо к поломке, либо длительному охлаждению. Кроме того, при плановом останове газотурбинного двигателя требуется длительная работа на режиме «малого газа», что ведет к перерасходу сжиженного газа. The practical implementation of this invention was tested on the gas turbine installation NK-361 gas turbine GT1. When an emergency stop of a gas turbine engine, the temperature of the oil, the support and other parts of the turbine rises, which leads to either a breakdown or prolonged cooling. In addition, with the planned shutdown of the gas turbine engine, long-term operation on the “low gas” mode is required, which leads to excessive consumption of liquefied gas.
Предлагаемое решение позволяет осуществлять электрический запуск газотурбинного двигателя и осуществлять его прокрутку при аварийных и плановых остановах, что повышает как надежность самой ГТУ и дает экономический эффект от экономии потребляемого ГТУ топлива, особенно учитывая, что к.п.д. электродвигателя в несколько раз выше к.п.д. газотурбинной установки.The proposed solution allows the electric start of the gas turbine engine and its scrolling during emergency and planned shutdowns, which increases both the reliability of the GTU and the economic effect of saving the fuel consumed by the GTU, especially considering the efficiency electric motor several times higher efficiency gas turbine installation.
Известно, что запуск газотурбинного двигателя характеризуется длительной процедурой, включающей в себя его холодную прокрутку и последующий запуск, поэтому на газотурбовозе газотурбинный двигатель постоянно работает как в движении, так и на стоянке, потребляя большое количество топлива. Применение электропривода на газотурбовозе при длительной стоянке позволяет отключить подачу топлива и длительно прокручивать вал турбины, тем самым поддерживая ГТУ в состоянии «горячего пуска» и при этом обеспечивая оперативный запуск ГТУ при необходимости. Учитывая, что к.п.д. электродвигателя значительно выше к.п.д. газотурбинного двигателя и на газотурбовозе имеется комплект аккумуляторных батарей и автономных источников электроэнергии, использование электропривода позволяет получить дополнительный экономический эффект.It is known that the launch of a gas turbine engine is characterized by a long procedure that includes its cold scrolling and subsequent launch, so the gas turbine engine constantly runs on the gas turbine engine both in motion and in the parking lot, consuming a large amount of fuel. The use of an electric drive on a gas-turbine locomotive during long-term parking allows shutting off the fuel supply and continuously rotating the turbine shaft, thereby keeping the GTU in the “hot start” state and at the same time ensuring the operational launch of the GTU when necessary. Considering that efficiency the electric motor is much higher than the efficiency gas turbine engine and gas turbine locomotive there is a set of batteries and autonomous sources of electricity, the use of an electric drive allows you to get an additional economic effect.
Разработанное устройство может быть изготовлено и собрано с использованием известных деталей и устройств.The developed device can be manufactured and assembled using well-known parts and devices.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018139515A RU2694107C1 (en) | 2018-11-09 | 2018-11-09 | Electric drive for gas turbine plant start-up |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018139515A RU2694107C1 (en) | 2018-11-09 | 2018-11-09 | Electric drive for gas turbine plant start-up |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2694107C1 true RU2694107C1 (en) | 2019-07-09 |
Family
ID=67252393
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018139515A RU2694107C1 (en) | 2018-11-09 | 2018-11-09 | Electric drive for gas turbine plant start-up |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2694107C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU195774U1 (en) * | 2019-09-26 | 2020-02-05 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное объединение "Шторм" | Generator set for auxiliary gas pumping unit |
| RU213738U1 (en) * | 2022-05-05 | 2022-09-27 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Шторм Сл" | Electric starter for gas turbine engines |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU61804U1 (en) * | 2006-10-13 | 2007-03-10 | Государственное унитарное предприятие Тушинское машиностроительное конструкторское бюро "Союз" | GAS-TURBINE ENGINE START-UP SYSTEM |
| US7253535B2 (en) * | 2005-09-15 | 2007-08-07 | Hamilton Sundstrand Corporation | Electrical starter generator system for a gas turbine engine |
| RU2362031C2 (en) * | 2007-09-26 | 2009-07-20 | Открытое акционерное общество "Электропривод" | Electric starter for starting-up gas turbine installations |
| US8745990B2 (en) * | 2009-07-27 | 2014-06-10 | Rolls-Royce Corporation | Gas turbine engine with integrated electric starter/generator |
| US20150308347A1 (en) * | 2014-04-25 | 2015-10-29 | Rolls-Royce North American Technologies, Inc. | Method to control electric starter generator for gas turbine engines |
-
2018
- 2018-11-09 RU RU2018139515A patent/RU2694107C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7253535B2 (en) * | 2005-09-15 | 2007-08-07 | Hamilton Sundstrand Corporation | Electrical starter generator system for a gas turbine engine |
| RU61804U1 (en) * | 2006-10-13 | 2007-03-10 | Государственное унитарное предприятие Тушинское машиностроительное конструкторское бюро "Союз" | GAS-TURBINE ENGINE START-UP SYSTEM |
| RU2362031C2 (en) * | 2007-09-26 | 2009-07-20 | Открытое акционерное общество "Электропривод" | Electric starter for starting-up gas turbine installations |
| US8745990B2 (en) * | 2009-07-27 | 2014-06-10 | Rolls-Royce Corporation | Gas turbine engine with integrated electric starter/generator |
| US20150308347A1 (en) * | 2014-04-25 | 2015-10-29 | Rolls-Royce North American Technologies, Inc. | Method to control electric starter generator for gas turbine engines |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU195774U1 (en) * | 2019-09-26 | 2020-02-05 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное объединение "Шторм" | Generator set for auxiliary gas pumping unit |
| RU213738U1 (en) * | 2022-05-05 | 2022-09-27 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Шторм Сл" | Electric starter for gas turbine engines |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2703189C2 (en) | Drive unit (embodiments) and drive unit control method | |
| RU2635725C2 (en) | Piston compressor plant and method of its operation | |
| EP1142097B1 (en) | Prime mover for operating an electric motor | |
| JP6563039B2 (en) | Wind turbine operating method and wind turbine without grid connection | |
| EP3954889A1 (en) | Hybrid gas turbine engine system powered warm-up | |
| US7880355B2 (en) | Electromagnetic variable transmission | |
| CN100423440C (en) | Method and apparatus for starting a gas turbine using a polyphase electric power generator | |
| US7645174B2 (en) | Marine propulsion system and method of operating the same | |
| KR102134321B1 (en) | Gas turbine in mechanical drive applications and operating methods | |
| RU2014116410A (en) | DEVICE AND METHOD FOR SLOW TURNING A GAS TURBINE ON THE BASIS OF THE AIRCRAFT ENGINE | |
| WO1989004081A1 (en) | Drives with double-rotating electric machines | |
| US5903115A (en) | Auxiliary system including a plurality of ac motors powered directly by an electric generator | |
| US8823334B2 (en) | Method for starting an electric motor | |
| JP2019512056A (en) | Gas turbine section with starter motor | |
| US8018086B2 (en) | Hybrid constant/variable frequency starter drive | |
| RU2694107C1 (en) | Electric drive for gas turbine plant start-up | |
| RU2362031C2 (en) | Electric starter for starting-up gas turbine installations | |
| EP3416279A1 (en) | Electrical machine | |
| RU213738U1 (en) | Electric starter for gas turbine engines | |
| RU215415U1 (en) | High moment of inertia gas turbine engine starter | |
| RU182830U1 (en) | Electric starter for starting gas turbine plants | |
| KR102669750B1 (en) | Gas turbine in mechanically driven applications and method of operation thereof | |
| RU2694555C2 (en) | Electric starter for starting gas turbines | |
| US11923751B2 (en) | Power systems having an inertia assembly and methods for operation | |
| US20230366354A1 (en) | Free turbine turbomachine comprising equipment driven by the free turbine |