Патент на изобретение №2315882

(54) СПОСОБ ВОЗДУШНОГО ЗАПУСКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

(57) Реферат:

Способ воздушного запуска газотурбинного двигателя, содержащего установленные последовательно по потоку многоступенчатый осевой компрессор, камеру сгорания и турбину высокого давления, осуществляют путем подачи сжатого пускового воздуха со стороны наружного корпуса в компрессор. Сжатый пусковой воздух подают в основной воздушный поток непосредственно на спинки лопаток рабочего колеса предпочтительно последней ступени компрессора. Изобретение позволяет увеличить скорость раскрутки ротора, обеспечивающую уменьшение времени запуска двигателя и упрощение конструкции компрессора. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к энергетике, в частности к способам запуска газотурбинных двигателей. Изобретение может также найти применение в авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности, где находят применение газотурбинные двигатели (ГТД).

Использование раскрутки ротора от внешнего источника сжатого воздуха в системе запуска ГТД не редко встречается на практике. При этом пусковой воздух подается на рабочие лопатки ротора через специальные пусковые сопла, ориентированные относительно рабочих лопаток для обеспечения максимального крутящего момента на роторе. Общим недостатком этих систем является относительно низкий КПД преобразования энергии пускового воздуха в раскрутку ротора (обычно не более 40% на режимах розжига камеры сгорания), что существенно увеличивает потребные мощности средств запуска относительно традиционных систем. Однако простота и компактность конструкции, надежность запуска, отсутствие механической связи и маслосистемы в системе раскрутки ротора являются значительными преимуществами воздушного запуска и ряде случаев представляются наиболее оптимальными.

Наиболее близким к предлагаемому является способ пуска газотурбинного двигателя по патенту США №6644033, содержащего установленные последовательно по основному воздушному потоку многоступенчатый компрессор, камеру сгорания и турбину высокого давления. При этом пусковые сопла, расположенные на корпусе передней секции осевого многоступенчатого компрессора, обеспечивают подачу сжатого пускового воздуха на специальные лопатки (ковшевые элементы), установленные на наружной стороне бандажных полок лопаток ротора в передней ступени компрессора. В этом техническом решении очевидны следующие недостатки:

– использование специальных лопаток (ковшевых элементов), для раскрутки ротора при запуске, требует наличия платформ (бандажных полок) на периферии рабочих лопаток для их установки, что не всегда целесообразно и допустимо из условий прочности лопаток ротора, особенно в компрессоре, где применение периферийного бандажа крайне редко используется;

– размещение специальных лопаток (ковшевых элементов) существенно усложняет конструкцию и вес бандажа;

– на основных режимах ГТД (при отключении системы запуска) наличие ковшевых элементов на периферии ротора создает дополнительное сопротивление вращению ротора, что требует дополнительных затрат мощности двигателя;

– размещение пускового устройства в передней секции компрессора, а следовательно, сброс пускового воздуха в основной воздушный поток в передней части компрессора, приводит к значительной неравномерности скоростей основного воздушного потока и ухудшает процесс сжатия воздуха в последующих ступенях компрессора. В результате уменьшается скорость раскрутки ротора, т.е. увеличивается время запуска двигателя.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в увеличении скорости раскрутки ротора, обеспечивающем уменьшение времени запуска двигателя и упрощении конструкции компрессора.

Для достижения указанного технического результата в предлагаемом способе воздушного запуска газотурбинного двигателя, содержащего установленные последовательно по основному воздушному потоку многоступенчатый осевой компрессор, камеру сгорания и турбину высокого давления, путем подачи сжатого пускового воздуха со стороны наружного корпуса в компрессор, в соответствии с изобретением, сжатый пусковой воздух подают в основной воздушный поток непосредственно на спинки лопаток рабочего колеса предпочтительно последней ступени компрессора.

При этом подачу сжатого пускового воздуха осуществляют с возможно меньшим углом между направлением струй сжатого пускового воздуха и направлением основного воздушного потока.

В отличие от прототипа в предлагаемом способе запуска ГТД сжатый пусковой воздух подается непосредственно на спинки рабочих лопаток ротора, что позволяет избежать усложнения конструкции компрессора.

Увеличение скорости раскрутки ротора, обеспечивающее уменьшение времени запуска двигателя при использовании изобретения, достигается за счет того, что пусковые сопла размещают предпочтительно перед последним рабочим колесом компрессора. По мере смещения подачи пускового воздуха в ступени, расположенные ближе к входу в компрессор, последующие за подачей сжатого пускового воздуха ступени компрессора будут иметь пониженный КПД из-за вносимой пусковым воздухом неравномерности скоростей основного воздушного потока, а также будут увеличиваться дополнительные энергетические затраты на прокачку сжатого пускового воздуха через компрессор, что приведет к уменьшению скорости раскрутки ротора, давления за компрессором и суммарного полезного расхода потока через камеру сгорания и турбину.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображены:

фиг.1 – схема подачи сжатого пускового воздуха в компрессор;

фиг.2 – фрагментарный окружной разрез направляющих и рабочих лопаток последней ступени компрессора с видом на поверхность выхода пусковых сопел.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

ГТД с воздушным запуском содержит установленные последовательно по потоку многоступенчатый осевой компрессор 1 (в данном примере для 2-х каскадной схемы двигателя – компрессор высокого давления), камеру сгорания 2, турбину высокого давления (на чертеже не показана). В приведенном варианте выполнения ГТД имеет кольцевую полость 4 на наружном корпусе 5 последней ступени компрессора 1. В кольцевую полость 4 на режимах запуска подается пусковой воздух 11 высокого давления от внешнего источника сжатого воздуха 6. Последняя ступень осевого компрессора 1, с направляющими лопатками 7 и рабочими лопатками 8, имеет сопла 9, выполненные в платформах 10 направляющих лопаток 7. Проходная площадь пусковых сопел 9 определяется степенью сжатия источника сжатого воздуха 6 и потребным расходом через сопла. Сжатый пусковой воздух 11 из полости 4 через сопла 9 с расширением и ускорением в соплах 9 подается в основной воздушный поток 12 на спинки рабочих лопаток 8, обеспечивая тем самым раскрутку ротора 3.

Для получения максимального крутящего момента на роторе 3 оси сопел 9 ориентированы так, чтобы минимизировать воздействие струй сжатого пускового воздуха 11 на расход основного потока 12 через компрессор 1, что достигается выбором возможно меньшего угла между направлением струй пускового воздуха 11 и направлением основного воздушного потока 12.

После соударения с рабочими лопатками 8 пусковой воздух 11 вместе с основным воздушным потоком 12 поступает в камеру сгорания 2, где используется на этапе розжига камеры сгорания, обеспечивая тем самым ее устойчивый розжиг при меньшем расходе воздуха основного потока 12 на входе в компрессор 1 (т.е. при меньших оборотах и потребной мощности компрессора). Далее в смеси с основным воздушным потоком в виде продуктов сгорания пусковой воздух 11 поступает к турбине высокого давления и тем самым увеличивает полезную работу расширения в турбине.

Подвод пускового воздуха 11 в предлагаемом устройстве запуска выполняется до завершения розжига камеры сгорания 2, а также для сокращения времени запуска может быть продлен вплоть до выхода на холостой ход.

Формула изобретения

1. Способ воздушного запуска газотурбинного двигателя, содержащего установленные последовательно по потоку многоступенчатый осевой компрессор, камеру сгорания и турбину высокого давления, путем подачи сжатого пускового воздуха со стороны наружного корпуса в компрессор, отличающийся тем, что сжатый пусковой воздух подают в основной воздушный поток непосредственно на спинки лопаток рабочего колеса предпочтительно последней ступени компрессора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу сжатого пускового воздуха осуществляют с возможно меньшим углом между направлением струй сжатого пускового воздуха и направлением основного воздушного потока.

РИСУНКИ