RU2725296C1 - Method for reducing fuel consumption of a gas turbine engine (gte) equipped with a starter - Google Patents

Method for reducing fuel consumption of a gas turbine engine (gte) equipped with a starter Download PDF

Info

Publication number
RU2725296C1
RU2725296C1 RU2019138797A RU2019138797A RU2725296C1 RU 2725296 C1 RU2725296 C1 RU 2725296C1 RU 2019138797 A RU2019138797 A RU 2019138797A RU 2019138797 A RU2019138797 A RU 2019138797A RU 2725296 C1 RU2725296 C1 RU 2725296C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
gas turbine
fuel consumption
gte
gas
engine
Prior art date
Application number
RU2019138797A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Львович Буряшкин
Валерий Афанасьевич Букин
Андрей Александрович Соколов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью НАУЧНО- ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ "ШТОРМ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью НАУЧНО- ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ "ШТОРМ" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью НАУЧНО- ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ "ШТОРМ"
Priority to RU2019138797A priority Critical patent/RU2725296C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2725296C1 publication Critical patent/RU2725296C1/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00Features, 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
    • F02C7/26Starting; Ignition

Abstract

FIELD: engine building.SUBSTANCE: invention relates to gas turbine engines for railway mainline locomotive. Method for reducing fuel consumption of gas turbine engine (GTE), equipped with electric starter, consists in the fact that during its operation at low modes and idling, forced rotation of GTE high-pressure rotor is provided. At that, it is possible to cut fuel gas supply into GTE combustion chamber at idle. Fuel supply is maintained only to provide combustion, i.e. GTE does not switch off, which allows rapid transition to other operating modes.EFFECT: technical result of using all significant features of invention consists in reduction of fuel consumption and temperature of gases during GTE operation at idle and low modes.1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике, а именно к газотурбинным двигателям, более конкретно к газотурбинным двигателям для железнодорожного магистрального локомотива.The invention relates to energy, and in particular to gas turbine engines, and more particularly to gas turbine engines for a railway main locomotive.

Известен способ снижения расхода топлива газотурбинных двигателей (ГТД) на малом газе (холостом ходу – термин для локомотива) за счёт снижения частоты вращения его роторов. Однако, величина снижения режима и, соответственно, расхода топлива при глубоком снижении режима ограничивается ростом температуры газов до предельных значений из-за сильного снижения коэффициентов полезного действия турбины и компрессора, а в некоторый момент мощность турбины становится меньше потребной мощности компрессора. Автономная работа двигателя становится невозможной, и двигатель останавливается (см. А.Л. Клячкин. Теория воздушно-реактивных двигателей, М, «Машиностроение», 1969, стр.449). There is a method of reducing the fuel consumption of gas turbine engines (GTE) on low gas (idling is the term for a locomotive) by reducing the speed of its rotors. However, the magnitude of the reduction in mode and, accordingly, fuel consumption with a deep decrease in mode is limited by an increase in gas temperature to limit values due to a strong decrease in the efficiency of the turbine and compressor, and at some point the turbine power becomes less than the required compressor power. Autonomous operation of the engine becomes impossible, and the engine stops (see AL Klyachkin. Theory of jet engines, M, "Mechanical Engineering", 1969, p.449).

В процессе запуска такой неблагоприятный режим исключается раскруткой ротора (или ротора высокого давления (ВД) двух- или трёхвальных ГТД) двигателя стартёром (см. А.Л. Клячкин. Теория воздушно-реактивных двигателей, М, «Машиностроение», 1969, стр. 452; Теория воздушно-реакивных двигателей. Под ред. Д-ра техн. наук С.М. Шляхтенко, М, «Машиностроение», 1975, стр. 457). Во время запуска, когда мощность турбины уже значительно превышает мощность сопротивления компрессора, стартёр отключается (см. А.Л. Клячкин. Теория воздушно-реактивных двигателей, М, «Машиностроение», 1969, стр.452; Теория воздушно-реакивных двигателей. Под ред. Д-ра техн. наук С.М. Шляхтенко, М, «Машиностроение», 1975, стр. 457, 458). Увеличение мощности стартера на запуске благоприятно сказывается на уменьшении продолжительности запуска и снижении температуры газов.During start-up, such an unfavorable mode is excluded by the spinning of the rotor (or high-pressure rotor (HP) of a two- or three-shaft gas-turbine engine) of the engine with a starter (see AL Klyachkin. Theory of air-jet engines, M, "Mechanical Engineering", 1969, p. 452; Theory of Air-Jet Engines. Edited by Dr. of Technical Sciences S. M. Shlyakhtenko, M, "Mechanical Engineering", 1975, p. 457). During start-up, when the turbine’s power already significantly exceeds the compressor’s resistance, the starter shuts off (see A. Klyachkin. Theory of Aircraft Engines, M, Mashinostroenie, 1969, p. 452; Theory of Aircraft Engines. Under Edited by Doctor of Technical Sciences S. M. Shlyakhtenko, M, "Mechanical Engineering", 1975, p. 457, 458). An increase in starter power at the start favorably affects a decrease in the start time and a decrease in gas temperature.

Для газотурбинных двигателей авиационного и большинства двигателей наземного применения расход топлива на малом газе не имеет существенного значения, так как он используется ограниченное время по сравнению с основными режимами.For gas turbine aircraft engines and most ground-based engines, fuel consumption for small gas is not significant, since it is used for a limited time compared to the main modes.

Для авиационных двигателей величина малого газа зависит от величины необходимой тяги для возможности выруливания самолёта на аэродроме и от минимальной тяги, позволяющей выполнить безопасную посадку и торможение самолёта (см.А.Л. Клячкин. Теория воздушно-реактивных двигателей, М, «Машиностроение», 1969, стр.219).For aircraft engines, the amount of small gas depends on the amount of thrust needed to allow the plane to taxi out at the aerodrome and on the minimum thrust that allows for safe landing and braking of the aircraft (see AL Klyachkin. Theory of jet engines, M, "Engineering", 1969, p. 219).

Для двигателей наземного применения (например, НК-36СТ мощностью 25 мВт, эксплуатируемого на газоперекачивающих агрегатах) малый газ на запуске является проходным режимом при выходе двигателя на режим прогрева. Малый газ используется только для охлаждения двигателя в течение 5 минут перед остановкой (см. Руководство по эксплуатации НК-36СТ 36.000.000 – 2РЭ, раздел 3, стр. 13). Для двигателей, эксплуатируемых на электростанциях (например, НК-37, мощностью 25 мВт), малый газ используется при синхронизации частоты генератора с сетью и охлаждении двигателя перед остановкой.For ground-based engines (for example, NK-36ST with a capacity of 25 mW, operated on gas-pumping units), small gas at start-up is a through mode when the engine enters the warm-up mode. Idle gas is used only for cooling the engine for 5 minutes before stopping (see the NK-36ST 36.000.000 - 2RE Operation Manual, Section 3, page 13). For engines operated in power plants (for example, NK-37, with a capacity of 25 mW), small gas is used when synchronizing the frequency of the generator with the network and cooling the engine before stopping.

Известен способ повышения ресурса и снижения расхода топлива двигателя с газотурбинным наддувом, заключающийся в том, что работу двигателя задают на меньших оборотах в сравнении с эксплуатационными при одновременном снижении частоты вращения и температуры выпускных газов двигателя (см. патент РФ № 2342550, МПК F02D 23/00, F02D 29/02, B63H 23/06 (2006.01), 2007 г.). There is a method of increasing the resource and reducing fuel consumption of an engine with gas turbine supercharging, namely, that the engine is set at lower speeds compared to operational while reducing the speed and temperature of the exhaust gases of the engine (see RF patent No. 2342550, IPC F02D 23 / 00, F02D 29/02, B63H 23/06 (2006.01), 2007).

Однако, данное решение относится к дизельным двигателям с газотурбинным наддувом. Описанное в данном патенте решение невозможно реализовать для газотурбинных двигателей.However, this solution applies to gas turbine diesel engines. The solution described in this patent cannot be implemented for gas turbine engines.

В качестве примера рассмотрим газотурбинный двигатель НК - 361, работающий на сжиженном природном газе (СПГ), который спроектирован и изготовлен для магистрального газотурбовоза ГТ1h разработки ОАО «ВНИКТИ». г. Коломна. (http://www.rzd-expo.ru/innovation/stock/locomotives_for_alternative_types_of_fuels/). As an example, consider the NK-361 gas turbine engine powered by liquefied natural gas (LNG), which is designed and manufactured for the GT1h gas turbine locomotive developed by VNIKTI. Kolomna city. ( http://www.rzd-expo.ru/innovation/stock/locomotives_for_alternative_types_of_fuels/ ).

Режим холостого хода на газотурбовозе имеет существенное влияние на общий расход топлива в связи с принципиальными особенностями распределения режимов по времени. На газотурбовозе время работы ГТД на холостом ходу (ХХ) составляет не меньше 50% общего времени его работы, а суммарный расход топлива на ХХ - не меньше 25% общего расхода, поэтому снижение расхода на холостом ходу будет сильно влиять на общий расход топлива.The idle speed on a gas turbine locomotive has a significant effect on the total fuel consumption in connection with the fundamental features of the distribution of modes over time. On a gas turbo locomotive, the idling time of a gas turbine engine is at least 50% of its total operating time, and the total fuel consumption at XX is no less than 25% of the total consumption, therefore, a decrease in idle consumption will greatly affect the total fuel consumption.

Возможность снижения расхода топлива на холостом ходу ограничена ростом температуры газов. The ability to reduce idle fuel consumption is limited by rising gas temperatures.

Ниже приведены экспериментальные данные, полученные во время испытаний, по изменению удельного расхода топлива на крайних режимах загрузки двигателя и по снижению расхода топлива на холостом ходу обычными средствами – путем снижения режима двигателя. Below are the experimental data obtained during the tests on the change in specific fuel consumption at extreme engine loading modes and on reducing idle fuel consumption by conventional means - by reducing the engine mode.

Расходно-мощностные параметры газотурбовоза: максимальная мощность газотурбовоза составляет: N = 7500 кВт при расходе топлива GТ = 2300 кг/час, минимальная N - 300 кВт при расходе топлива GТ = 700 кг/час и частоте вращения ротора высокого давления двигателя nВД ≈ 6050 об/мин. The power-supply parameters of a gas turbo locomotive: the maximum power of a gas turbo locomotive is: N = 7500 kW at a fuel consumption of G T = 2300 kg / h, the minimum N is 300 kW at a fuel consumption of G T = 700 kg / h and the rotational speed of the high-pressure rotor of the engine n VD ≈ 6050 rpm

Удельные расходы топлива составляют: на максимальной мощности - 0,307 кг/кВт, а на минимальной мощности – 2,3 кг/кВт. Эти удельные расходы отличаются в 7,5 раз, что свидетельствует об очень низких КПД компрессора и турбины на минимальной мощности. Расход топлива на холостом ходу (ХХ) при частоте вращения свободной турбины двигателя nСТ = 3000 об/мин и частоте вращения ротора высокого давления двигателя nВД  ≈ 4800 об/мин составляет около 400 кг/час.The specific fuel consumption is: at a maximum power of 0.307 kg / kW, and at a minimum power of 2.3 kg / kW. These specific costs differ by 7.5 times, which indicates a very low efficiency of the compressor and turbine at minimum power. The idle fuel consumption (XX) at a rotational speed of a free engine turbine n CT = 3000 rpm and a rotational speed of a high-pressure rotor of an engine n VD ≈ 4800 rpm is about 400 kg / h.

Для запуска двигателя использовался электрический стартёр мощностью 65 кВт с питанием от вспомогательного дизель-генератора или от аккумуляторов. На фиг. 1 приведены параметры двигателя во время типового протекания запуска. Как видно, после отключения стартёра происходит небольшой заброс температуры. Для снижения этого заброса в районе отключения стартера темп роста расхода топлива уменьшается.To start the engine, an electric starter with a power of 65 kW was used, powered by an auxiliary diesel generator or from batteries. In FIG. 1 shows the parameters of the engine during a typical course of starting. As you can see, after the starter is turned off, a slight temperature drop occurs. To reduce this cast in the area where the starter is turned off, the rate of increase in fuel consumption is reduced.

Время работы на ХХ и относительный расход топлива на ХХ зависят от: профиля пути, веса состава, используемых мощностей и времени стоянок. The operating time at the twentieth and the relative fuel consumption at the twentieth depend on: the track profile, the weight of the train, the capacities used and the parking time.

Так при поездке ГТ1h-002 26.05.2016 г. протяжённостью 302 км, общее время работы на холостом ходу составило 6 часов 42 мин (60%), а суммарный расход топлива на ХХ составил 2680 кг (27,5%). Из этих данных видно, что уменьшение расхода топлива на холостом ходу должно оказывать существенную экономию топлива.So, when driving a GT1h-002 on May 26, 2016 with a length of 302 km, the total idle time was 6 hours 42 minutes (60%), and the total fuel consumption for the twentieth made 2680 kg (27.5%). From these data it is clear that a decrease in idle fuel consumption should provide significant fuel savings.

На фиг. 2 представлены экспериментальные данные по влиянию снижения режима двигателя на уменьшение расхода топлива и изменение температуры газов. Как видно из графиков, одновременно со снижением расхода топлива происходит рост температуры газов. Уменьшение расхода топлива ниже 300 кг/час недопустимо из-за резкого роста температуры газов. Повышению температуры газов до опасных величин будут способствовать повышение температуры воздуха на входе в двигатель и ухудшение параметров двигателя при продолжительной эксплуатации.In FIG. Figure 2 presents experimental data on the effect of a decrease in engine mode on a decrease in fuel consumption and a change in gas temperature. As can be seen from the graphs, simultaneously with a decrease in fuel consumption, an increase in gas temperature occurs. A decrease in fuel consumption below 300 kg / h is unacceptable due to a sharp increase in gas temperature. An increase in the temperature of gases to dangerous values will be promoted by an increase in the temperature of the air at the engine inlet and a deterioration of the engine parameters during continuous operation.

Выявлено, что при работе газотурбовозов на холостом ходу и малом газе имеется большой расход топливного газа - в среднем 400 кг/час.It was revealed that when the gas turbo-locomotives are idling and at idle, there is a large consumption of fuel gas - an average of 400 kg / h.

Технической проблемой, решаемой изобретением, является снижение расхода топлива на холостом ходу и на низких режимах.The technical problem solved by the invention is to reduce fuel consumption at idle and at low speeds.

Поставленная проблема решается за счет того, что разработан способ снижения расхода топлива газотурбинного двигателя (ГТД), снабженного электростартером, заключающийся в том, что при его работе на низких режимах и холостом ходу обеспечивают принудительное вращение ротора высокого давления ГТД.The posed problem is solved due to the fact that a method has been developed to reduce the fuel consumption of a gas turbine engine (GTE) equipped with an electric starter, which consists in the fact that when it is operating at low modes and at idle, the GTE high-pressure rotor is forced to rotate.

Принудительное вращение ротора высокого давления обеспечивают электростартером.Forced rotation of the high pressure rotor is provided by an electric starter.

Технический результат от использования всех существенных признаков изобретения заключается в снижении расхода топлива и температуры газов при работе ГТД на холостом ходу и низких режимах.The technical result from the use of all the essential features of the invention is to reduce fuel consumption and gas temperature during gas turbine engine operation at idle and low modes.

Обеспечение принудительного вращения ротора высокого давления ГТД при его работе на низких режимах и холостом ходу позволяет снизить мощность, передаваемую компрессору от турбины за счет снижения подачи топливного газа в камеру сгорания, что обеспечивает снижение расхода топлива и снижение температуры газов при работе ГТД на холостом ходу и низких режимах.Ensuring the forced rotation of the high pressure rotor of the gas turbine engine when it is operating at low and idle speeds reduces the power transmitted to the compressor from the turbine by reducing the supply of fuel gas to the combustion chamber, which reduces fuel consumption and gas temperatures when the gas turbine engine is idling and low modes.

Использование электростартера, для принудительного вращения ротора высокого давления ГТД при его работе на низких режимах и холостом ходу позволяет снизить мощность, вырабатываемую турбиной и передаваемую компрессору от турбины, и таким образом снизить расход топлива и температуру газов на холостом ходу и низких режимах.The use of an electric starter to force rotation of a high-pressure rotor of a gas turbine engine when it is operating at low and idle speeds reduces the power generated by the turbine and transmitted to the compressor from the turbine, and thus reduces fuel consumption and gas temperature at idle and low modes.

Использование изобретения позволит:Using the invention will allow:

1. Снизить общий расход топливного газа до 20%.1. Reduce the total fuel gas consumption to 20%.

2. Снизить расход топливного газа до 400% на холостом ходу.2. Reduce fuel gas consumption to 400% at idle.

4. Уменьшить время переходного процесса при наборе мощности на низких режимах газотурбинного двигателя.4. To reduce the time of the transition process during the set of power at low modes of the gas turbine engine.

Фиг. 1 – параметры двигателя во время типового протекания запуска двигателя НК-361 на газотурбовозе ГТ1h;FIG. 1 - engine parameters during a typical course of starting the NK-361 engine on a gas turbine locomotive GT1h;

Фиг. 2 – экспериментальные данные по влиянию снижения режима двигателя на уменьшение расхода топлива и изменение температуры газов;FIG. 2 - experimental data on the effect of reducing engine mode on reducing fuel consumption and changing gas temperatures;

Фиг. 3 – Запуск НК-361 на ГТ1h-001 с пониженным расходом топлива на холостом ходу 200 кг/час;FIG. 3 - Launch of NK-361 at GT1h-001 with reduced fuel idle consumption of 200 kg / h;

Фиг. 4 – режимы работы стартёра при обеспечении принудительного вращения ротора высокого давления ГТД при его работе на низких режимах, холостом ходу и при наборе минимальной мощности 300 кВт;FIG. 4 - modes of operation of the starter while ensuring the forced rotation of the high-pressure rotor of the turbine engine when it is operating at low modes, idling and when a minimum power of 300 kW is set;

Фиг. 5 – блок-схема ГТД с электроприводом;FIG. 5 is a block diagram of a gas turbine engine;

Известно, что запуск газотурбинного двигателя – это длительная процедура, для чего 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. Электростартер 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 электростартера прекращается и газотурбинный двигатель продолжает ускоряться до скорости холостого вращения за счет мощности, появляющейся при сгорании топлива.It is known that starting a gas turbine engine is a lengthy procedure, for which they use a starter that transmits torque to the shaft of a gas turbine engine (GTE). Torque means overcoming the resistance to rotation, which is caused by the aerodynamic resistance of the rotating parts, mechanical friction of the contacting parts and losses associated with fluid friction between the contacting parts immersed in the liquid medium of at least one hydraulic lubrication circuit and / or temperature control associated with said gas turbine engine. The electric starter gradually accelerates the gas turbine engine with acceleration, and when the specified rotation speed is reached, fuel injection and ignition are initiated in the combustion chamber of the gas turbine engine. Then, at another predetermined rotation speed, the action of the electric starter stops and the gas turbine engine continues to accelerate to idle speed due to the power that appears when the fuel is burned.

Как известно, в газотурбинном двигателе часть производимой мощности используется на вращение компрессора. Принудительное вращение стартером на холостом ходу ротора высокого давления, соединяющего турбину и компрессор, позволяет уменьшить мощность турбины, требуемую для привода компрессора, и таким образом, снизить необходимое количество топлива, подаваемого в камеру сгорания, обеспечивая только его горение.As you know, in a gas turbine engine, part of the power produced is used to rotate the compressor. Forced rotation of the high pressure rotor connecting the turbine and compressor by the starter idling allows the turbine power required to drive the compressor to be reduced, and thus the required amount of fuel supplied to the combustion chamber can be reduced, providing only its combustion.

Положительный эффект от принудительного вращения ротора высокого давления будет достигаться, если количество топлива, которое необходимо для выработки электроэнергии для электростартера будет меньше величины, на которую уменьшается количество топлива от принудительного вращения ротора высокого давления - эффекта подкрутки. A positive effect from the forced rotation of the high pressure rotor will be achieved if the amount of fuel that is needed to generate electricity for the electric starter is less than the amount by which the amount of fuel from the forced rotation of the high pressure rotor is reduced - the twist effect.

Реализация заявленного способа снижения расхода топлива газотурбинного двигателя, снабженного электростартером при работе на ХХ и низких режимах заключается в подключении стартера для принудительного вращения ротора высокого давления ГТД при его работе на низких режимах, холостом ходу и наборе минимальной мощности 300 кВт. При этом, на холостом ходу появляется возможность сокращения подачи топливного газа в камеру сгорания ГТД. Подачу топлива поддерживают только для обеспечения горения, т.е. ГТД не выключается, что позволяет обеспечить оперативный переход на другие режимы работы.The implementation of the claimed method of reducing fuel consumption of a gas turbine engine equipped with an electric starter when operating at XX and low modes consists in connecting a starter for forced rotation of the high pressure rotor of the turbine engine when it is operating at low modes, idling and a minimum power of 300 kW. At the same time, at idle, it becomes possible to reduce the supply of fuel gas to the gas turbine combustion chamber. The fuel supply is only supported for combustion, i.e. The gas turbine engine does not turn off, which allows for a quick transition to other operating modes.

На графике (см. фиг. 4) представлены в наглядной форме расчётные параметры режимов работы электростартера на холодной прокрутке, запуске и при принудительном вращении ротора высокого давления ГТД на холостом ходу, а также при наборе минимальной мощности Nг=300 кВт (1-й позиции) в координатах: крутящий момент электростартера (Мкр ст) – частота вращения ротора ВД (nВД). The graph (see Fig. 4) presents in a visual form the calculated parameters of the electric starter operating modes on cold scrolling, starting and during forced rotation of the high-pressure rotor of the gas turbine engine at idle, as well as when the minimum power is set to Ng = 300 kW (1st position ) in coordinates: electric starter torque (MKR st) - rotational speed of the rotor VD (n VD ).

Как видно из графика, с уменьшением расхода топлива, уменьшается и частота вращения ротора ВД (nВД). Так, на режиме ХХ без принудительного вращения ротора высокого давления ГТД и расходе топлива Gт=400 кг/час частота вращения ротора ВД nВД равна 4800 об/мин, при принудительном вращении ротора высокого давления ГТД электростартером и расходе топлива Gт=200 кг/час частота вращения ротора nВД снижается до 3300 об/мин, а при расходе топлива Gт=100 кг/час частота вращения ротора nВД, равная 2700 об/мин, приближается к частоте вращения ротора ВД при холодной прокрутке nВД = 2200 об/мин, т.е. поддерживается минимальный режим, обеспечивающий практически только горение топлива в камере сгорания.As can be seen from the graph, with a decrease in fuel consumption, the rotational speed of the VD rotor (n VD ) also decreases. So, in the XX mode without forced rotation of the high pressure rotor of the gas turbine engine and fuel consumption Gt = 400 kg / h, the rotational speed of the rotor VD n VD is 4800 rpm, with the forced rotation of the high pressure rotor gas turbine with an electric starter and fuel consumption Gt = 200 kg / hour the rotational speed of the rotor n VD decreases to 3300 rpm, and at a fuel consumption of Gt = 100 kg / h, the rotational speed of the rotor n VD , equal to 2700 rpm, approaches the rotational speed of the rotor VD during cold scrolling n VD = 2200 rpm , i.e. the minimum mode is maintained, providing almost only fuel combustion in the combustion chamber.

На этом же графике представлена траектория набора мощности газотурбинного двигателя с 0 кВт до 300 кВт при начальном расходе топлива 100 кг/час с форсированием мощности электростартера до 100 кВт.The same graph shows the trajectory of the gas turbine engine power set from 0 kW to 300 kW at an initial fuel consumption of 100 kg / h with boosting the power of the electric starter to 100 kW.

Ниже приведено описание электростартера, используемого для реализации способа.The following is a description of the electric starter used to implement the method.

На фигуре 5 показана функциональная блок-схема ГТД, снабженного электростартером.The figure 5 shows a functional block diagram of a gas turbine engine equipped with an electric starter.

ГТД включает камеру сгорания 1, компрессор 2, турбину 3, силовую турбину 4, генератор 5 и привод от вала турбины через зубчатые передачи 6 и коробку приводов 7 на электростартер 8 (см. фиг.5). Электростартер 8 выполнен в виде электрической машины на постоянных магнитах, ротор которой постоянно соединен через кинематическую связь с ротором высокого давления ГТД. Управление электростартером осуществляется от системы автоматического управления по командам оператора и информации от датчика оборотов турбины 9, который кинематически связан с валом высокого давления и дает информацию о скорости ее вращения. Управление электрической машиной (электростартером 8) в двигательном режиме (при запуске ГТД) осуществляется с помощью блока преобразования частоты 10. A gas turbine engine includes a combustion chamber 1, a compressor 2, a turbine 3, a power turbine 4, a generator 5 and a drive from a turbine shaft through gears 6 and a gearbox 7 to an electric starter 8 (see Fig. 5). The electric starter 8 is made in the form of an electric machine with permanent magnets, the rotor of which is constantly connected through a kinematic connection with the high-pressure rotor of the gas turbine engine. The electric starter is controlled from the automatic control system according to the operator’s commands and information from the turbine speed sensor 9, which is kinematically connected to the high-pressure shaft and provides information on its rotation speed. The control of an electric machine (electric starter 8) in the motor mode (when starting the gas turbine engine) is carried out using the frequency conversion unit 10.

На режиме холостого хода и низких режимах обеспечивают принудительное вращение ротора высокого давления ГТД (подкрутку) электростартером 8 следующим образом: снижают подачу газа в камеру сгорания 1, снижается скорость вращения турбины, электростартер 8 переходит из генераторного режима в двигательный и начинает вращать ротор высокого давления с необходимым усилием, обеспечивая требуемое количество оборотов вала компрессора при сниженной мощности, передаваемой ему от турбины. Таким образом, происходит снижение расхода топлива и одновременно не т критического повышения температуры газов. At idle and low modes, the high-pressure rotor of the gas turbine engine is forced to rotate (tighten) by the electric starter 8 as follows: reduce the gas supply to the combustion chamber 1, the turbine rotational speed decreases, the electric starter 8 switches from the generator mode to the engine mode and starts to rotate the high-pressure rotor with necessary effort, providing the required number of revolutions of the compressor shaft with reduced power transmitted to it from the turbine. Thus, there is a decrease in fuel consumption and at the same time, there is no critical increase in gas temperature.

На фиг. 3 представлена предварительная проверка режима принудительного вращения ротора высокого давления ГТД (подкрутки) НК-361 на ХХ штатным электростартером мощностью 60...65 кВт с выходом на пониженный расход топлива 200 кг/час. Температура газов при этом запуске достигла всего 223°С, т.е. меньше на 200°С заброса температуры при обычном штатном запуске.In FIG. Figure 3 presents a preliminary check of the forced rotation mode of the high-pressure rotor of the gas turbine engine (twist) NK-361 on the 20th with a standard electric starter with a power of 60 ... 65 kW with an output of reduced fuel consumption of 200 kg / hour. The gas temperature during this start-up reached only 223 ° С, i.e. less than 200 ° C temperature drop during normal normal start-up.

Принудительное вращение ротора высокого давления ГТД при работе газотурбинного двигателя на низких режимах и холостом ходу стартёром позволит снизить расход топлива на ХХ с 400 кг/час до величин 200…100 кг/час, что приведёт к уменьшению суммарного расхода топлива от 12 до 20%, обеспечит на таком супернизком режиме низкую температуру газов перед свободной турбиной, а также будет способствовать поддержанию частоты вращения роторов ГТД и генератора на приемлемом уровне. Forced rotation of the high-pressure rotor of a gas turbine engine when the gas turbine engine is running at low speeds and idling with a starter will reduce fuel consumption on the XX from 400 kg / h to values of 200 ... 100 kg / h, which will lead to a decrease in total fuel consumption from 12 to 20%, at such an ultra-low mode, it will provide a low gas temperature in front of a free turbine, and will also help to maintain the rotor speed of the gas turbine engine and generator at an acceptable level.

Загрузка минимальной мощности Nг = 300 кВт с режима ХХ весьма медленный процесс, поэтому использование принудительного вращения ротора высокого давления ГТД (подкрутки) на время переходного процесса также будет снижать расход топлива. Loading the minimum power Ng = 300 kW from the XX mode is a very slow process, therefore, the use of forced rotation of the high pressure rotor of the gas turbine engine (twist) during the transition process will also reduce fuel consumption.

На фиг. 4 представлены режимы работы электростартёра на холодной прокрутке, запуске, на холостом ходу с принудительным вращением ротора ВД ГТД, а также при наборе минимальной мощности Nг=300 кВт (1-й позиции).In FIG. Figure 4 shows the modes of operation of the electric starter on cold scrolling, starting, idling with forced rotation of the rotor of the engine of the gas turbine engine, as well as when gaining a minimum power of Ng = 300 kW (1st position).

Использование изобретения позволяет:Using the invention allows:

-снизить общий расход топливного газа  до 25%,- reduce the total fuel gas consumption to 25%,

-снизить расход топливного газа до 400% на холостом ходу.- reduce fuel gas consumption to 400% at idle.

Практическая реализация данного изобретения была испытана на газотурбинной установке НК-361 газотурбовоза ГТ1. Проведенные натурные испытания показали эффективность предлагаемого решения на режиме работы двигателя на х.х. Предлагаемое решение позволяет осуществлять как стандартные операции по электрическому запуску газотурбинного двигателя, его холодной прокрутке, так и принудительное вращение ротора высокого давления ГТД при его работе на низких режимах и холостом ходу, что позволяет значительно снизить расход потребляемого ГТД топлива.The practical implementation of this invention was tested on a gas turbine NK-361 gas turbine locomotive GT1. Field tests showed the effectiveness of the proposed solution on the engine operating mode on x.h. The proposed solution allows both standard operations for the electric start of the gas turbine engine, its cold scrolling, and forced rotation of the high-pressure rotor of the turbine engine when it is operating at low modes and idling, which can significantly reduce the consumption of gas turbine engines.

В случае, если электростартер приводится от энергии аккумуляторов, то зарядка аккумуляторов на высоких режимах газотурбинного двигателя, где КПД значительно выше, чем на режиме минимальной мощности будет давать положительный эффект. На газотурбовозе установлены аккумуляторные батареи, заряжаемые от основного генератора. На максимальной мощности 7500 кВт удельный расход топлива составляет 0,307 кг/кВт, а, на минимальной мощности 300 кВт – 2,3 кг/кВт, т.е. КПД отличаются в 7,5 раза. Поэтому зарядка аккумуляторов на высоких режимах и отдача накопленной электроэнергии для подкрутки ротора будет давать значительный эффект. If the electric starter is powered by the energy of the batteries, then charging the batteries at high modes of the gas turbine engine, where the efficiency is much higher than at the minimum power mode, will have a positive effect. The gas turbine locomotive has rechargeable batteries charged from the main generator. At a maximum power of 7500 kW, the specific fuel consumption is 0.307 kg / kW, and at a minimum power of 300 kW it is 2.3 kg / kW, i.e. Efficiency differ by 7.5 times. Therefore, charging the batteries in high modes and returning the accumulated electricity to twist the rotor will have a significant effect.

В случае установки на газотурбовоз вспомогательного газового двигателя с генератором собственных нужд (газопоршневого мотогенератора), которые имеют достаточно высокие КПД, дополнительный расход топлива такого мотогенератора для привода электростартера также составит незначительную часть величины снижаемого расхода топлива. In the case of installing an auxiliary gas engine with a generator of auxiliary needs (gas piston motor generator) on a gas turbine locomotive, which have sufficiently high efficiency, the additional fuel consumption of such a motor generator to drive an electric starter will also make up a small part of the reduced fuel consumption.

При удельном расходе топлива мотогенератора 0,21...0,26 кг/кВтч (такой удельный расход топлива имеет газопоршневая электростанция KG-200S мощностью 200 кВт на базе газового двигателя КАМАЗ 820.20-200) дополнительный расход топлива при мощности электростартёра 65 кВт составит всего 14...17 кг/час, а расход топлива для выработки такой же электроэнергии на минимальной мощности газотурбовоза 300 кВт составит 150 кг/час. Что примерно в 10 раз больше.With a specific fuel consumption of a motor generator of 0.21 ... 0.26 kg / kWh (such a specific fuel consumption has a gas piston power station KG-200S with a capacity of 200 kW based on a KAMAZ 820.20-200 gas engine), additional fuel consumption with an electric starter power of 65 kW will total 14 ... 17 kg / h, and the fuel consumption for generating the same electricity at a minimum capacity of a gas turbine locomotive of 300 kW will be 150 kg / h. Which is about 10 times more.

Применение электростартера для принудительного вращения ротора высокого давления ГТД при снижении мощности, передаваемой компрессору от турбины, на газотурбовозе при длительной стоянке позволяет минимизировать подачу топлива и длительно прокручивать вал турбины, тем самым поддерживая газотурбинную установку в работоспособном состоянии и при этом обеспечивая оперативное нагружение ГТУ при необходимости. The use of an electric starter for forced rotation of a high-pressure rotor of a gas turbine engine while reducing the power transmitted to the compressor from the turbine on a gas turbine during long-term parking allows minimizing the fuel supply and scrolling the turbine shaft for a long time, thereby maintaining the gas turbine installation in operable condition and at the same time ensuring prompt loading of the gas turbine if necessary .

Способ может быть применен на газотурбинных двигателях для железнодорожного магистрального локомотива.The method can be applied on gas turbine engines for a railway trunk locomotive.

Claims (2)

1. Способ снижения расхода топлива газотурбинного двигателя (ГТД), снабженного электростартером, заключающийся в том, что при его работе на низких режимах и холостом ходу обеспечивают принудительное вращение ротора высокого давления ГТД.1. A method of reducing fuel consumption of a gas turbine engine (GTE) equipped with an electric starter, which consists in the fact that when it is operating at low modes and idling, the GTE high pressure rotor is forced to rotate. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что принудительное вращение ротора высокого давления обеспечивают стартером.2. The method according to claim 1, characterized in that the forced rotation of the high pressure rotor is provided with a starter.
RU2019138797A 2019-11-30 2019-11-30 Method for reducing fuel consumption of a gas turbine engine (gte) equipped with a starter RU2725296C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019138797A RU2725296C1 (en) 2019-11-30 2019-11-30 Method for reducing fuel consumption of a gas turbine engine (gte) equipped with a starter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019138797A RU2725296C1 (en) 2019-11-30 2019-11-30 Method for reducing fuel consumption of a gas turbine engine (gte) equipped with a starter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2725296C1 true RU2725296C1 (en) 2020-06-30

Family

ID=71510270

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019138797A RU2725296C1 (en) 2019-11-30 2019-11-30 Method for reducing fuel consumption of a gas turbine engine (gte) equipped with a starter

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2725296C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19515481A1 (en) * 1995-04-27 1996-10-31 Mtu Friedrichshafen Gmbh Load control method e.g. for turbocharger on ship's diesel engine
RU2252329C1 (en) * 2003-11-20 2005-05-20 Добрынин Андрей Александрович Method of and system for regulating gas-turbine drive
RU60637U1 (en) * 2005-01-11 2007-01-27 Юрий Павлович Петров GAS-TURBINE ENGINE FOR DISPERSED CHEMICAL AND BIOLOGICAL PROCESSING
RU2342550C1 (en) * 2007-04-05 2008-12-27 Андрей Николаевич Муромцев Method of motor lifetime increase and fuel consumption decrease on motor ships with gas-turbine boost motors

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19515481A1 (en) * 1995-04-27 1996-10-31 Mtu Friedrichshafen Gmbh Load control method e.g. for turbocharger on ship's diesel engine
RU2252329C1 (en) * 2003-11-20 2005-05-20 Добрынин Андрей Александрович Method of and system for regulating gas-turbine drive
RU60637U1 (en) * 2005-01-11 2007-01-27 Юрий Павлович Петров GAS-TURBINE ENGINE FOR DISPERSED CHEMICAL AND BIOLOGICAL PROCESSING
RU2342550C1 (en) * 2007-04-05 2008-12-27 Андрей Николаевич Муромцев Method of motor lifetime increase and fuel consumption decrease on motor ships with gas-turbine boost motors

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11542872B2 (en) Hybrid gas turbine engine system powered warm-up
RU2707488C2 (en) Power plant with means of selective connection
EP3055531B1 (en) Method for optimising the specific consumption of a twin helicopter
US8666633B2 (en) Engine systems with efficient start control logic
US20100132365A1 (en) Start-Up Control For a Compact Lightweight Turbine
KR20170002378A (en) Architecture of a multi-engine helicopter propulsion system, and corresponding helicopter
GB2570475A (en) Cabin blower system
US20170328282A1 (en) Hybrid aircraft turbine engine starting system and method
CN101509426B (en) Turbine shaft engine
US20120285166A1 (en) Hybrid powertrain system
RU2562684C2 (en) Internal combustion engine with turbo-charger; drive system and operating method of internal combustion engine with turbo-charger (versions)
US10480408B2 (en) Energy weapon system having a gas turbine generator with idle assist
US8018086B2 (en) Hybrid constant/variable frequency starter drive
CN108252807A (en) The DYN dynamic engine propulsion system of turbine
RU2725296C1 (en) Method for reducing fuel consumption of a gas turbine engine (gte) equipped with a starter
CN111512023B (en) Method for starting a turbine engine in cold weather and system for starting a turbine engine
RU2639260C1 (en) Method to control double-rotor gas-turbine engine
US20230366354A1 (en) Free turbine turbomachine comprising equipment driven by the free turbine
RU94022786A (en) Method of and unit for transmission of energy to automobile wheels
RU2740726C1 (en) Universal power module
EP4116562A1 (en) Gas turbine engine and operating method
US20200325824A1 (en) Method for the creation of the required pressure and fuel flow rate in the fuel system of the gas turbine engine
GB2612973A (en) Aircraft fuel cell propulsion unit with hybrid jet boost
SU718611A1 (en) Method of starting an array of diesel-electric units
KR20070070804A (en) (Pressure Air) Turbine