RU2753434C1

RU2753434C1 - Method for starting a single-shaft single-mode gas turbine engine

Info

Publication number: RU2753434C1
Application number: RU2020142258A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Фролов; Алексей Александрович Мохов; Игорь Алексеевич Лещенко
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Пульсирующие Детонационные Технологии"
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2020-12-22
Publication date: 2021-08-16

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of mechanical engineering, in particular to methods for starting gas turbine engines. In the proposed method for starting a single-shaft single-mode gas turbine engine, including the supply of compressed starting gas from a third-party source to a gas-air path of the engine to turbine blades, according to the claimed solution, starting gas is supplied until an engine rotor reaches a rotational speed exceeding 5-10% a rotational speed of the engine rotor in a calculated operation mode, then after reaching the required rotational speed of the rotor, the starting gas supply is stopped and a time interval is maintained sufficient for purging the gas-air path of the engine with air incoming to its input until releasing the gas-air path of the engine from starting gas, after that fuel is supplied to a combustion chamber and ignited, wherein the purge time is determined experimentally before the engine operation begins.

EFFECT: implementation of the proposed method will make it possible to implement a reliable start for a single-shaft single-mode gas turbine engine using starting gas.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к способам запуска одновальных однорежимных газотурбинных двигателей.The invention relates to the field of mechanical engineering, in particular to methods for starting single-shaft single-mode gas turbine engines.

Известен выбранный в качестве прототипа способ запуска газотурбинного двигателя при котором подачу сжатого пускового газа осуществляют от стороннего источника в газовоздушный тракт двигателя на лопатки турбины (А.И. Калиниченко «Воздушная система запуска малоразмерного газотурбинного двигателя», Вестник Концерна ВКО «Алмаз-Антей» / №3, 2016 г.).Known selected as a prototype method for starting a gas turbine engine in which the supply of compressed starting gas is carried out from a third-party source into the gas-air path of the engine on the turbine blades (AI Kalinichenko "Air starting system for a small-sized gas turbine engine", Bulletin of the Concern East Kazakhstan "Almaz-Antey" / No. 3, 2016).

Недостатком известного решения применительно к однорежимному двигателю является то, что одновременная подача пускового газа в тракт двигателя и топлива в камеру сгорания требует очень точной дозировки топлива, поскольку превышение расхода топлива с большой вероятностью приводит к неустойчивой работе компрессора (помпажу), а на однорежимных двигателях топливная система очень проста и, как правило, не может решать задачу вывода двигателя на расчетный режим.The disadvantage of the known solution as applied to a single-mode engine is that the simultaneous supply of starting gas into the engine path and fuel into the combustion chamber requires a very accurate dosage of fuel, since excess fuel consumption is likely to lead to unstable compressor operation (surge), and on single-mode engines the fuel the system is very simple and, as a rule, cannot solve the problem of bringing the engine to the design mode.

Задачей изобретения является создание способа запуска для одновального однорежимного газотурбинного двигателя. Ожидаемый технический результат заключается в: снижении требований к топливной аппаратуре в части, касающейся дозирования топлива при выводе двигателя на расчетный режим (упрощение либо полное исключение из состава топливной автоматики функций, связанных с дозированием топлива на запуске/приемистости); обеспечении надежного запуска двигателя с однорежимной системой топливного питания за счет исключения возможности развития помпажных явлений при включении подачи топлива и его розжиге из-за несоответствия расхода топлива и частоты вращения ротора; повышении надежности запуска за счет исключения одновременной подачи пускового газа в проточную часть и топлива в камеру сгорания, и снижении тем самым риска развития помпажных явлений из-за недостаточной пропускной способности турбины, которая должна пропускать через себя и пусковой газ, и продукты сгорания топлива в воздухе, нагнетаемом компрессором.The object of the invention is to provide a starting method for a single-shaft single-mode gas turbine engine. The expected technical result consists in: reducing the requirements for fuel equipment in terms of fuel metering when bringing the engine to the design mode (simplification or complete exclusion from the fuel automation of functions related to fuel metering at start / throttle response); ensuring reliable starting of the engine with a single-mode fuel supply system by eliminating the possibility of the development of surging phenomena when the fuel supply is switched on and ignited due to a discrepancy between the fuel consumption and the rotor speed; increasing the reliability of start-up by eliminating the simultaneous supply of starting gas into the flow path and fuel into the combustion chamber, and thereby reducing the risk of developing surging phenomena due to insufficient throughput of the turbine, which must pass through itself both the starting gas and fuel combustion products in the air pumped by the compressor.

Указанный технический результат достигается тем, что до расчетной частоты вращения ротор раскручивается исключительно с помощью пускового газа, таким образом, исключается одновременная подача пускового газа и топлива в камеру сгорания. В предлагаемом способе запуска одновального однорежимного газотурбинного двигателя, включающего подачу сжатого пускового газа от стороннего источника в газовоздушный тракт двигателя на лопатки турбины, согласно заявляемому решению подачу пускового газа осуществляют до достижения ротором двигателя частоты вращения, превышающей на 5-10% частоту вращения ротора двигателя на расчетном режиме работы, далее по достижении требуемой частоты вращения ротора прекращают подачу пускового газа и выдерживают временной интервал, достаточный для продувки газовоздушного тракта двигателя воздухом, поступающим на его вход, до освобождения газовоздушного тракта двигателя от пускового газа, после чего производят подачу топлива в камеру сгорания и его розжиг, причем время продувки экспериментально определяют до начала эксплуатации двигателя.The specified technical result is achieved by the fact that up to the design speed of rotation, the rotor spins up exclusively with the starting gas, thus eliminating the simultaneous supply of starting gas and fuel into the combustion chamber. In the proposed method for starting a single-shaft single-mode gas turbine engine, including the supply of compressed starting gas from a third-party source to the gas-air path of the engine to the turbine blades, according to the claimed solution, the starting gas is supplied until the rotor of the engine reaches a speed exceeding by 5-10% the speed of the engine rotor by the design mode of operation, then upon reaching the required rotor speed, the starting gas supply is stopped and the time interval is sufficient to purge the gas-air path of the engine with air entering its inlet, until the gas-air path of the engine is freed from the starting gas, after which fuel is supplied to the combustion chamber and its ignition, and the purge time is experimentally determined before the start of engine operation.

Запас по частоте вращения ротора 5-10% сверх расчетного значения предназначен для того, чтобы от момента прекращения подачи пускового газа и до момента розжига топлива в камере сгорания ротор в состоянии свободного выбега не допустил провала частоты вращения ниже расчетного значения. Это позволяет подавать топливо в камеру сгорания сразу с расчетным расходом, избегая необходимости использовать сложные дозаторы.The rotor speed reserve of 5-10% in excess of the calculated value is intended so that from the moment the starting gas supply is stopped and until the fuel is ignited in the combustion chamber, the rotor in the free run-down state does not allow the rotation speed to fall below the calculated value. This allows fuel to be fed into the combustion chamber immediately at an estimated flow rate, avoiding the need for complex metering devices.

Выдерживание временного интервала после прекращении подачи пускового газа по достижении требуемой частоты вращения ротора, достаточного для продувки газовоздушного тракта двигателя воздухом, поступающим на его вход, до момента последующей подачи топлива в камеру сгорания и его розжига, позволит полностью освободить проточную часть от остатков пускового газа и сбалансировать давление по тракту двигателя, тем самым подготовив элементы двигателя (компрессор и турбину) к работе с подачей топлива в камеру сгорания. После подачи топлива с расчетным расходом и его розжига при расчетной частоте вращения ротора совместная работа элементов двигателя практически мгновенно перестраивается на расчетный режим, при котором запасы газодинамической устойчивости достаточны для устойчивой работы двигателя.Maintaining the time interval after the cessation of the starting gas supply upon reaching the required rotor speed sufficient to purge the gas-air duct of the engine with air entering its inlet, until the next fuel supply to the combustion chamber and igniting it, will completely free the flow path from the starting gas residues and balance the pressure along the engine path, thereby preparing the engine elements (compressor and turbine) for operation with fuel supply to the combustion chamber. After the fuel is supplied at the calculated consumption and ignited at the calculated rotor speed, the joint operation of the engine elements is almost instantly rebuilt to the design mode, in which the reserves of gas-dynamic stability are sufficient for the stable operation of the engine.

Экспериментальное определение потребного времени продувки до начала эксплуатации двигателя позволит обеспечить минимально достаточное время свободного выбега ротора, тем самым определив величину запаса по частоте вращения, которую необходимо обеспечить при раскрутке ротора от пускового газа, при этом ранее обозначенная граница запаса по частоте вращения 5-10% была также экспериментально определена для одновальных двигателей исходя из их конструктивных особенностей.Experimental determination of the required purge time before the start of engine operation will ensure the minimum sufficient free run-out time of the rotor, thereby determining the amount of margin in speed, which must be provided when the rotor is spinning up from the starting gas, while the previously indicated margin of the margin in frequency of rotation is 5-10% was also experimentally determined for single-shaft engines based on their design features.

На чертеже приведено схематичное изображение одного из вариантов одновального однорежимного газотурбинного двигателя.The drawing shows a schematic representation of one of the variants of a single-shaft single-mode gas turbine engine.

В одном из вариантов одновальный однорежимный газотурбинный двигатель содержит ротор включающий компрессор 1, вал 2 и одноступенчатую турбину 3 с лопатками 4 рабочего колеса. Также двигатель содержит камеру сгорания 5, сторонний источник 6 пускового газа, например, в виде баллона со сжатым пусковым газом.In one embodiment, the single-shaft single-mode gas turbine engine contains a rotor including a compressor 1, a shaft 2 and a single-stage turbine 3 with blades 4 of the impeller. Also, the engine contains a combustion chamber 5, an external source 6 of starting gas, for example, in the form of a cylinder with compressed starting gas.

На примере описанного двигателя способ запуска реализуют следующим образом. Сжатый пусковой газ от стороннего источника 6 подают на лопатки 4 турбины 3, причем в случае если турбина реализована многоступенчатой, то предпочтительно подавать сжатый пусковой газ на лопатки рабочего колеса ближайшего к выходу из камеры сгорания, чтобы расширяющийся пусковой газ совершал работу на всех лопаточных венцах и использовался максимально эффективно. Под действием пускового газа ротор двигателя начинает раскручиваться и по достижении ротором частоты вращения превышающей на 7% частоту вращения ротора двигателя на расчетном режиме работы прекращают подачу пускового газа. Под действием вращающегося компрессора воздух, поступающий на вход двигателя, выдувает весь пусковой газ из проточной части двигателя. По завершении продувки начинают подачу с расходом, равным расчетному, топлива в камеру сгорания 5, и осуществляют его розжиг. При этом ранее выбранное превышение частоты вращения ротора на 7% обусловлено временем продувки для данного двигателя, так как ротор после прекращения подачи пускового газа начинает замедлятся и продувка должна завершиться до того, как частота вращения снижается до расчетной, а именно такой, при которой возможен розжиг топлива поступающего в камеру сгорания.Using the described engine as an example, the starting method is implemented as follows. Compressed starting gas from a third-party source 6 is supplied to the blades 4 of the turbine 3, and if the turbine is implemented as a multistage one, then it is preferable to supply compressed starting gas to the blades of the impeller closest to the outlet from the combustion chamber so that the expanding starting gas does work on all blade rows and used as efficiently as possible. Under the action of the starting gas, the rotor of the engine begins to spin up and when the rotor reaches a speed of 7% higher than the speed of the rotor of the engine at the design operating mode, the starting gas supply is stopped. Under the action of a rotating compressor, the air entering the engine inlet blows out all the starting gas from the engine flow path. Upon completion of the purge, the fuel is fed into the combustion chamber 5 at a flow rate equal to the calculated one, and it is fired up. In this case, the previously selected excess of the rotor speed by 7% is due to the purge time for this engine, since the rotor, after the cessation of the starting gas supply, begins to slow down and the purge must be completed before the rotational speed decreases to the calculated one, namely, the one at which ignition is possible fuel entering the combustion chamber.

Таким образом, реализация предложенного способа позволит реализовать надежный запуск для одновального однорежимного газотурбинного двигателя с использованием пускового газа.Thus, the implementation of the proposed method will make it possible to implement a reliable start for a single-shaft single-mode gas turbine engine using a starting gas.

Claims

A method for starting a single-shaft single-mode gas turbine engine, including the supply of compressed starting gas from a third-party source to the gas-air path of the engine to the turbine blades, characterized in that the starting gas is supplied until the engine rotor reaches a speed exceeding by 5-10% the engine rotor speed at the design mode work, then, upon reaching the required rotor speed, the starting gas supply is stopped and the time interval is sufficient to purge the gas-air path of the engine with air entering its inlet until the gas-air path of the engine is freed from the starting gas, after which fuel is supplied to the combustion chamber and ignition, and the purge time is experimentally determined before the start of engine operation.