Способ запуска турбоустройства при уменьшении тепловой несбалансированности

Изобретение относится к энергетике. Способ запуска турбоустройства, содержащего газотурбинный двигатель, включающий в себя, по меньшей мере, один ротор и стартер, выполненный с возможностью привода ротора во вращение, выполняется электронным модулем. Способ запуска содержит: этап получения распоряжения на запуск турбоустройства и запуска в ответ на получение этого распоряжения; этап первичного ускорения, во время которого стартер работает для увеличения скорости вращения ротора; этап тепловой гомогенизации, во время которого стартер работает для поддержания постоянной скорости вращения ротора или уменьшения ее, пока не произойдет удовлетворение заданного условия; после выполнения заданного условия выполняется этап вторичного ускорения, во время которого стартер работает для увеличения скорости вращения ротора; и этап E6) зажигания, на котором поступает распоряжение на зажигание двигателя. Изобретение позволяет повысить эффективность запуска турбоустройства. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Предшествующий уровень техники

Настоящее изобретение относится к области турбоустройств, в частности к учету тепловой несбалансированности при запуске турбоустройства.

Тепловая несбалансированность представляет собой временную несбалансированность, которая возникает в роторе турбоустройства после его остановки. Поскольку горячий воздух легче, чем холодный воздух, неоднородность температуры возникает в канале для потока воздуха, которая деформирует ротор из-за биметаллического эффекта. Тепловая несбалансированность может быть в сто раз больше, чем остаточная несбалансированность ротора.

Однако турбоустройство должно проходить через одну или более критических скоростей, прежде чем оно достигнет своей рабочей скорости. Таким образом, при повторном запуске турбоустройства, при проходе через критические скорости тепловая несбалансированность может привести к сильной вибрации, которая может ухудшить надежность турбоустройства. Тепловая несбалансированность также может иметь последствия, состоящие в том, что возникает контакт между статором и ротором, что может ухудшить целостность вовлеченных компонентов.

Существуют различные известные решения, направленные на уменьшение нежелательных эффектов тепловой несбалансированности:

турбоустройство не запускают повторно в течение некоторой длительности времени после его остановки;

выполняют специфичные процедуры, в то время как двигатель остановлен или перед его повторным запуском, с целью уменьшения неоднородности температуры (вентиляция, последовательные вращения двигателя, впрыск потока воздуха в канал для потока воздуха...);

увеличивают зазоры между статором и ротором для предотвращения контакта между ними при повторном запуске турбоустройства; и

модифицируют архитектуру двигателя для ограничения влияния тепловой несбалансированности.

Однако этим известным решениям присущи определенные недостатки:

отсутствие запуска в течение определенной длительности времени приводит к снижению доступности турбоустройства;

специфичные процедуры требуют выполнения действий оператором, например пилотом, в отношении авиационного двигателя;

увеличение зазоров между статором и ротором ухудшает рабочие характеристики турбоустройства; и

адаптация архитектуры двигателя отрицательно сказывается на массе турбоустройства.

Например, в документе FR 285753 описан впрыск сжатого воздуха в канал для потока воздуха через канал, предусмотренный с этой целью. В этом документе также упомянуты другие решения, в частности использование вращающейся зубчатой передачи для перевода турбоустройства во вращение перед его повторным запуском. Такое конкретное решение требует предприятия действий оператором перед повторным запуском.

Поэтому задачей изобретения является разработка решения, которое было бы более эффективным при запуске турбоустройства, которое могло бы быть повреждено из-за тепловой несбалансированности.

Сущность изобретения

В изобретении предложено решение такой задачи с помощью способа запуска или повторного запуска турбоустройства, способа, выполняемого электронным модулем, турбоустройство, содержащее газотурбинный двигатель, включающий в себя, по меньшей мере, один ротор и стартер, выполненный с возможностью привода во вращение ротора, способ запуска, содержащий:

этап получения распоряжения на запуск турбоустройства и запуска в ответ на получение этого распоряжения:

этап первичного ускорения, во время которого стартер работает для увеличения скорости вращения ротора;

этап тепловой гомогенизации, во время которого стартер работает для поддержания постоянной скорости вращения ротора или уменьшения ее, пока не произойдет удовлетворение заданного условия;

после выполнения заданного условия выполняется этап вторичного ускорения, во время которого стартер работает для увеличения скорости вращения ротора; и

этап зажигания, на котором поступает распоряжение на зажигание двигателя.

Поскольку скорость вращения больше не увеличивается после этапа первичного ускорения, тепловая несбалансированность не приводит к возникновению неприемлемой вибрации во время первичного этапа ускорения и этапа тепловой гомогенизации. Кроме того, во время этапа тепловой гомогенизации принудительный конвекционный теплообмен внутри двигателя делает температуру однородной и поэтому уменьшает тепловую несбалансированность. Таким образом, когда скорость вращения повышается снова во время состояния вторичного ускорения, тепловая несбалансированность будет меньшей и больше не будет генерировать недопустимую вибрацию.

Кроме того, этапы первичного ускорения, тепловой гомогенизации и вторичного ускорения выполняют автоматически с помощью электронного модуля в ответ на прием распоряжения на запуск. Другими словами, этапы способа запуска, которые приводят к уменьшению тепловой несбалансированности, встроены в процесс запуска двигателя, управляемый электронным модулем. Поэтому помимо подачи распоряжения на запуск оператору не требуется выполнять какие-либо другие операции.

В варианте осуществления этап первичного ускорения выполняют до тех пор, пока не будет достигнута заданная скорость вращения.

Заданная скорость вращения может быть меньше, чем первая критическая скорость вращения турбоустройства.

Поскольку во время этапа тепловой гомогенизации происходит уменьшение тепловой несбалансированности, скорость вращения может впоследствии превышать заданную скорость вращения во время этапа вторичного ускорения.

В варианте осуществлении заданное условие представляет собой истечение заданной длительности после начала этапа тепловой гомогенизации.

В качестве примера заданная длительность находится в диапазоне от 5 секунд до 60 с.

В другом варианте осуществления этап первичного ускорения выполняют до тех пор, пока не будет детектирован уровень вибрации, который больше чем или равен первому заданному уровню, упомянутое заданное условие представляет собой детектирование уровня вибрации, который меньше чем или равен второму заданному уровню, который сам по себе меньше, чем первый заданный уровень.

Во время этапа тепловой гомогенизации становится возможным управлять стартером для поддержания постоянной скорости вращения ротора.

В варианте во время этапа тепловой гомогенизации стартер работает так, что он прекращает привод во вращение ротора.

Соответствующим образом в изобретении также предложены:

компьютерная программа, включающая в себя инструкции для выполнения способа запуска, в соответствии с изобретением, когда компьютерную программу выполняют с помощью компьютера;

электронный модуль, включающий в себя запоминающее устройство, в котором содержится компьютерная программа, в соответствии с изобретением; и

турбоустройство, содержащее электронный модуль, в соответствии с изобретением, газотурбинный двигатель, включающий в себя, по меньшей мере, один ротор и стартер, выполненный с возможностью привода во вращение ротора.

Краткое описание чертежей

Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения будут понятны из следующего описания, которое представлено со ссылкой на приложенные чертежи, на которых представлены варианты осуществления, не имеющие ограничительный характер.

На чертежах:

Фиг.1 изображает схему турбоустройства в варианте осуществления изобретения;

Фиг. 2-5 изображают графики, на которых показаны изменения скорости вращения турбоустройства по фиг.1 во время запуска как функция времени в некоторых вариантах осуществления изобретения; и

Фиг.6 изображает блок-схему последовательности операций, представляющая основные этапы способа запуска в варианте осуществления изобретения.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 показано турбоустройство 1, которое содержит электронный модуль 2, двигатель 3 и стартер 4. В варианте осуществления изобретения турбоустройство 1 представляет собой турбовальный двигатель вертолета. Такой тип турбовального двигателя известен специалисту в данной области техники, и поэтому он не описан подробно. Однако изобретение применимо для других типов турбоустройств для самолета, в частности для турбореактивного двигателя, для турбореактивного двигателя с высокой степенью двухконтурности и двухвальной конструкцией, для турбовинтового двигателя… или, в других вариантах, в промышленных турбоустройствах….

Двигатель 3 имеет газотурбинный двигатель, который включает в себя, по меньшей мере, один ротор. Далее скорость вращения ротора обозначена буквой N. В упомянутой выше ситуации турбореактивного двигателя с высокой степенью двухконтурности и с двухвальной конструкцией двигатель 3 имеет два ротора, и буквой N обозначена скорость вращения одного из этих двух роторов.

В качестве примера стартер 4 представляет собой электродвигатель, соединенный с двигателем 3 и выполненный с возможностью привода во вращение двигателя 3. Стартер 4 также может действовать, как электрогенератор, когда выполняют его привод при вращении от двигателя 3.

Электронный модуль 2 управляет общей работой турбоустройства 1, в частности, обеспечивая работу основного контура регулирования для сервоуправления скоростью или тягой турбоустройства 1. Электронный модуль 2 обычно является модулем типа, известного для специалиста в данной области техники, как полностью автономная цифровая система управления двигателем (FADEC) или как электронный контроллер двигателя (EEC).

Электронный модуль 2 представляет аппаратную архитектуру компьютера, и он содержит, в частности, процессор 5, энергонезависимое запоминающее устройство 6, энергозависимое запоминающее устройство 7 и интерфейс 8. Процессор 5 используется для исполнения компьютерных программ, сохраненных в энергонезависимом запоминающем устройстве 6, при использовании энергозависимого запоминающего устройства 7 в качестве рабочего пространства. Интерфейс 8 используется для получения сигналов, представляющих операции турбоустройства 1, и для отправки сигналов управления.

Таким образом, электронный модуль 2, в частности, может получать сигнал, представляющий скорость вращения N ротора, сигнал, представляющий уровень вибрации S двигателя 3, как сигнал, передаваемый датчиком вибрации (например, акселерометром), и сигнал, представляющий порядок запуска DEM, например, в соответствии с управлением, выполняемым элементом управления, которым может управлять оператор (пилот самолета с турбоустройством). Помимо прочего электронный модуль 2 может также управлять стартером 4 и зажиганием двигателя 3.

Со ссылкой на фиг.2 будет продолжено описание первого примера способа запуска турбоустройства 1. На фиг.2 показан график, представляющий, как изменяется скорость вращения N, как функция от времени t.

В момент времени t₀ электронный модуль 2 принимает распоряжение на запуск турбоустройства 1. Электронный модуль 2 затем управляет стартером 4 для обеспечения привода им ротора и последовательного повышения его скорости вращения N до тех пор, пока в момент времени t₁ он не достигнет заданной скорости вращения N₁. Скорость вращения N₁ меньше, чем первая критическая скорость вращения N_c ротора.

После этого электронный модуль 2 управляет стартером 4 так, что он прекращает привод ротора на заданную длительность Δt. В качестве примера заданная длительность Δt находится в диапазоне от 5 с до 60 с. Поскольку происходит рассеяние аэродинамической мощности, скорость вращения N снижается. Во время такой заданной длительности принудительный конвекционный теплообмен в двигателе 3 делает температуру более однородной и, таким образом, уменьшает тепловую несбалансированность.

После того, как пройдет заданная длительность Δt, в момент времени t₂ электронный модуль 2 управляет стартером 4 для привода ротора во вращение и последовательного повышения его скорости вращения N до тех пор, пока она не превысит скорость вращения N₁ и N_c и в момент t₃ достигнет заданной скорости вращения N_a.

После этого в момент времени t₃ электронный модуль 2 подает распоряжение на зажигание двигателя 3.

Между моментом времени t₀ и моментом времени t₂ скорость вращения N всегда меньше чем или равна скорости вращения N₁, которая сама по себе меньше чем скорость вращения N_c. Таким образом, тепловая несбалансированность не приводит к повышению неприемлемой вибрации. Кроме того, между моментами времени t₁ и t₂ принудительный конвекционный теплообмен в двигателе 3 делает температуру более однородной и, таким образом, уменьшает тепловую несбалансированность. Таким образом, когда скорость вращения N повышается от момента времени t₂, тепловая несбалансированность уменьшается и аналогично не приводит к возникновению неприемлемой вибрации.

Фиг.3 аналогична фиг.2, и на ней представлен второй пример способа запуска турбоустройства 1. Этот второй пример аналогичен первому примеру по фиг.2. Он отличается от него тем фактом, что после того, как в момент времени t₁ электронный модуль 2 управляет стартером 4 так, чтобы он прекратил привод ротора до тех пор, пока в момент t₂ он не детектирует, что скорость вращения N меньше чем или равна заданной скорости вращения N₁'. Скорость N₁' меньше чем скорость N₁. Другими словами, момент времени t₂ определяют на основе порога скорости, а не на основе заданной прошедшей длительности.

Фиг.4 аналогична фиг.2 и представляет третий пример способа запуска турбоустройства 1. Этот третий пример аналогичен первому примеру по фиг.2. Они отличаются друг от друга тем, что в течение заданной длительности Δt, то есть между моментами времени t₁ и t₂ электронный модуль 2 управляет стартером 4 таким образом, чтобы поддерживать скорость вращения N постоянной и равной N₁.

Как и в примерах на фиг.2 и 3, скорость вращения N ограничена до момента времени t₂, и тепловая несбалансированность уменьшается после момента времени t₂ из-за принудительного конвекционного теплообмена в двигателе 3. Это устраняет неприемлемую вибрацию.

Фиг.5 аналогична фиг.2, и на ней представлено, как скорость вращения N изменяется, как функция времени t, в четвертом примерном способе запуска турбоустройства 1.

В момент времени t₀ электронный модуль 2 принимает распоряжение на запуск турбоустройства 1. Электронный модуль 2 затем обеспечивает привод стартером 4 ротора и увеличение его скорости вращения N последовательно до тех пор, пока в момент времени t₁ он не детектирует уровень S вибрации, которая больше чем или равна заданному пороговому значению S₁. Скорость вращения N в момент времен t₁ обозначается, как N₁'. Соответствующий выбор порога S₁ позволяет обеспечить то, что N₁' будет меньше, чем первая критическая скорость вращения N_c ротора.

После этого электронный модуль 2 управляет стартером 4 для поддержания скорости вращения N постоянной и равной N₁' до тех пор, пока в момент времени t₂ он не детектирует, что уровень S вибрации меньше чем или равен заданному порогу S₂. Порог S₂ меньше чем порог S₁.

Далее, электронный модуль управляет стартером 4 для привода ротора и последовательно увеличивает его скорость вращения N, пока она не превысит скорость N₁' вращения и N_c, и в момент времени t₃ достигнет заданной скорости вращения N_a.

В момент времени t₃ электронный модуль 2 затем подает распоряжение на зажигание двигателя 3.

Способ запуска двигателя по фиг.5 является итеративным. Другими словами, если после момента времени t₂ порог S₁ будет снова достигнут, то электронный модуль 2 управляет стартером 4 еще раз для поддержания скорости вращения N постоянной и равной N₁', пока он не детектирует, что уровень S вибрации стал меньше чем или равен порогу S₂.

Как и в примерах на фиг. 2-4, скорость вращения N ограничена до момента времени t₂, и тепловая несбалансированность уменьшается после момента времени t₂ из-за принудительного конвекционного теплообмена в двигателе 3. Это исключает неприемлемую вибрацию.

Управление способом запуска, показанным на фиг. 2-5, может соответствовать исполнению процессором 5 компьютерной программы P1, сохраненной в энергонезависимом запоминающем устройстве 6. На фиг.6 показаны основные этапы способа запуска, выполняемые электронным модулем 2 при исполнении компьютерной программы P1.

Способ запуска начинается на этапе Е1, во время которого электронный модуль 2 принимает распоряжение на запуск. Этап Е1 соответствует моменту времени t₀ на фиг. 2-4. Этапы E2-E6, которые следуют после него, выполняют в ответ на прием распоряжения на запуск.

На этапе E2 электронный модуль 2 управляет стартером 4 для привода ротора и последовательно увеличивает его скорость вращения N. На этапе E3 электронный модуль 2 проверяет условие для перехода на этап E4. В примерах на фиг. 2-4 условие перехода представляет собой N≥N₁. В примере на фиг.5 условие перехода представляет собой S≥S₁. В другом варианте (не показан) условие перехода состоит в том, что истекает заданная длительность. Способ запуска возвращается обратно к этапу E2 до тех пор, пока условие перехода не будет действительным.

Этапы E2 и E3 соответствуют этапу первичного ускорения способа запуска в соответствии с изобретением.

Когда условие перехода на этапе E3 имеет значение true, это соответствует моменту времени t₁ на фиг. 2-5, и способ запуска продолжается на этапе E4. Во время этапа E4 электронный модуль 2 управляет стартером 4 так, что он прекращает привод ротора (примеры на фиг.2 и 3) или тому подобное для поддержания постоянной скорости вращения N (примеры на фиг.4 и 5).

На этапе E5 электронный модуль 2 проверяет заданное условие. В примерах на фиг.2 и 4 заданное условие состоит в том, что заданная длительность Δt прошла после окончания этапа E3. В примере по фиг.3 заданное условие представляет собой N≤N₁'. В примере на фиг.5 заданное условие представляет собой S≤S₂. Способ запуска возвращается обратно на этап E4 до тех пор, пока заданное условие не получит значение true.

Этапы E4 и E5 соответствуют этапу тепловой гомогенизации способа запуска в соответствии с изобретением.

Когда условие перехода на этапе E5 получает значение true, это соответствует моменту времени t₂ на фиг. 2-4, и способ запуска продолжается на этапе E6. Во время этапа E6 электронный модуль 2 управляет стартером 4 для привода ротора и последовательно повышает его скорость вращения N до тех пор, пока она не превысит скорость вращения N₁ (или N₁') и N_c и в момент времени t₃ достигнет заданной скорости вращения N_a. Электронный модуль 2 затем передает распоряжения на зажигание двигателя 3, при котором происходит впрыск топлива и его возгорание в камере сгорания турбоустройства.

Этап E6 соответствует этапу вторичного ускорения и этапу зажигания способа запуска в соответствии с изобретением.

Как пояснялось выше со ссылкой на фиг. 2-5, описанный способ запуска позволяет исключить нежелательную вибрацию, которая может быть вызвана тепловой несбалансированностью. При этом нет необходимости ожидать заданный период после остановки турбоустройства 1 для повторного запуска двигателя 3. Предложенное решение не требует какой-либо конкретной архитектуры для двигателя 3, и при этом оно не требует установки больших зазоров между статором и ротором.

Кроме того, этапы E2-E6 выполняются электронным модулем 2 автоматически в ответ на прием распоряжения на запуск на этапе E1. Поэтому помимо подачи распоряжения на запуск пилоту не требуется выполнять какую-либо другую операцию. В частности, этапы E2-E6 способа запуска включены в процесс запуска двигателя 3 под управлением электронным модулем 2 для выполнения компьютерной программы P1.

В варианте осуществлении этапы E2-E6 выполняются другим устройством, чем электронный модуль, включающий в себя процессор, который исполняет компьютерную программу. Например, электронный модуль может представлять собой контроллер типа релейного задатчика последовательности, выполненного с возможностью выполнения этапов E2-E6 в ответ на получение распоряжения на запуск.

Вариантам осуществления этапов E2-E6 предшествует этап тестирования теплового состояния турбоустройства. В таких обстоятельствах, если тепловое состояние турбоустройства обозначает присутствие тепловой несбалансированности, то этапы E2-E6 выполняют, как описано выше. В отличие от этого, если тепловое состояние обозначает, что тепловая несбалансированность отсутствует (холодный двигатель), тогда турбоустройство запускают без перехода через этапы E2-E6.

1. Способ запуска или повторного запуска турбоустройства (1), выполняемый электронным модулем (2), причем турбоустройство содержит газотурбинный двигатель (3), включающий в себя, по меньшей мере, один ротор и стартер (4), выполненный с возможностью приведения ротора во вращение, отличающийся тем, что в ответ на прием команды на запуск:
на этапе (Е2, Е3) производят первичное ускорение, во время которого стартер (4) работает для увеличения скорости вращения (N) ротора;
на этапе (Е4, Е5) проводят тепловую гомогенизацию, во время которой стартер (4) работает для поддержания постоянной скорости вращения (N) ротора или уменьшения ее, пока не будет выполнено заданное условие, без команды на поджиг двигателя;
после выполнения заданного условия на этапе (Е6) осуществляют вторичное ускорение, во время которого стартер (4) работает для увеличения скорости вращения (N) ротора; и
на этапе (Е6) зажигания подают команду на зажигание двигателя (3).

2. Способ запуска по п. 1, в котором этап первичного ускорения (Е2, Е3) выполняют до тех пор, пока не будет достигнута заданная скорость вращения (N₁).

3. Способ запуска по п. 1, в котором заданная скорость вращения (N₁) меньше, чем первая критическая скорость вращения (N_c) турбоустройства.

4. Способ запуска по п. 1, в котором упомянутое заданное условие представляет собой заданную длительность (Δt), прошедшую после начала этапа (Е4, Е5) тепловой гомогенизации.

5. Способ запуска по п. 1, в котором этап (Е2, Е3) первичного ускорения выполняют до тех пор, пока не будет детектирован уровень вибрации (S), который превышает первый заданный уровень (S₁) или равен ему, причем упомянутое заданное условие представляет собой определение уровня вибрации (S), который меньше, чем или равен второму заданному уровню (S₂), который сам меньше, чем первый заданный уровень (Si).

6. Способ запуска по п. 1, в течение которого во время этапа (Е4, Е5) тепловой гомогенизации стартер (4) работает для поддержания постоянной скорости вращения (N) ротора.

7. Способ запуска по п. 1, в котором во время этапа тепловой гомогенизации (Е4, Е5) стартер (4) работает для уменьшения скорости вращения (N) ротора до прекращения привода во вращение ротора.

8. Турбоустройство (1), содержащее
электронный модуль (2), включающий в себя запоминающее устройство (6), в котором хранится компьютерная программа (Р1), включающая в себя инструкции для выполнения способа запуска по любому предшествующему пункту, когда упомянутая компьютерная программа (Р1) обрабатывается компьютером,
газотурбинный двигатель (3), включающий в себя, по меньшей мере, один ротор и стартер (4), выполненный с возможностью привода ротора во вращение.