Электростартер для запуска газотурбинных установок

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электростартерам для запуска газотурбинных установок, используемых в газоперекачивающих агрегатах и электрических станциях.

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.

Так, электростартер постоянного тока для запуска авиационных газотурбинных установок [1], содержащий сцепную кулачковую муфту одностороннего действия, редуктор, двигательное устройство, выполненное на коллекторном электродвигателе, и устройство включения стартера, не обеспечивает безударное включение и раскрутку ротора газотурбинной установки, имеет низкую надежность и малую мощность, не обеспечивающую запуск газотурбинных установок большой мощности.

В электростартере [2], содержащем 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, также наблюдаются удары в сцепной кулачковой муфте одностороннего действия при сцеплении и в процессе раскрутки газотурбинной установки.

Задача заключается в том, чтобы обеспечить безударное зацепление сцепной кулачковой муфты одностороннего действия и исключить перегрузку трансмиссии.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, состоит в получении плавно изменяющегося крутящего момента электростартера в соответствии с режимом раскрутки газотурбинной установки.

Требуемыми свойствами обладает электростартер, содержащий сцепную кулачковую муфту одностороннего действия, редуктор, асинхронный электродвигатель, подключенный к шинам питания через преобразователь частоты, снабженный измерителем частоты вращения электростартера, и устройство включения электростартера, отличающийся тем, что первый выход устройства включения электростартера соединен с управляющим входом преобразователя частоты, задающим момент электростартера, через интегратор с положительной обратной связью и сумматор, при этом выход измерителя частоты вращения электростартера соединен со вторым входом сумматора через инвертор и пороговое устройство. При необходимости задания дополнительного уровня момента, второй выход устройства включения электростартера соединен с третьим входом сумматора.

На фиг.1 представлен электростартер газотурбинной установки. Сцепная кулачковая муфта одностороннего действия 1 через редуктор 2 соединена с асинхронным электродвигателем 3, который подключен через преобразователь 4 к шинам питания трехфазного переменного тока напряжением 380 В с частотой 50 Гц. Первый выход «а» устройства включения электростартера 5 соединен через интегратор с положительной обратной связью 6 и сумматор 7 по входу «b» с управляющим входом частотного преобразователя 4, определяющим момент вращения электростартера. Выход измерителя частоты вращения электростартера преобразователя 4 через инвертор 8 и пороговое устройство 9 соединен со вторым входом «с» сумматора 7, а третий вход «d» сумматора 7 соединен со вторым выходом «е» устройства включения стартера 5, задающим дополнительный момент электростартера.

На фиг.2 представлены эпюры сигналов на входах сумматора 7:

U_b - напряжение на первом входе «b», формируемое интегратором 6;

U_с - напряжение на втором входе «с», формируемое пороговым устройством 9;

U_d - напряжение на третьем входе «d», подаваемое с выхода «е» устройства включения 5.

На фиг.3 представлены:

U - напряжение сигнала, задающего момент вращения стартера и поступающего с выхода сумматора 7 на управляющий вход преобразователя 4;

М - момент вращения, развиваемый электростартером;

N - частота вращения электростартера.

Электростартер работает следующим образом.

В исходном состоянии устройство включения электростартера 5 сигналы не выдает. Электродвигатель 3 не вращается, движение через редуктор 2 не передается, кулачковая муфта 1 расцеплена и ротор газотурбинной установки не раскручивается.

При включении электростартера устройство включения 5 выдает сигнал с первого выхода «а» на интегратор с положительной обратной связью 6, который на своем выходе формирует показанный на фиг.2 сигнал U_b, поступающий на первый вход «b» сумматора 7. При этом U_b (0)=0. На втором входе «с» сумматора 7 сигнал U_c, поступающий с выхода порогового устройства 9, равен нулю, как показано на фиг.2, так как электродвигатель 3 пока не вращается и на выходе измерителя частоты вращения электростартера, расположенного в преобразователе 4, сигнал равен нулю, что, в свою очередь, обеспечивает нулевой сигнал на выходе инвертора 8. На третьем входе «d» сумматора 7 нулевой уровень напряжения сигнала U_d обеспечивается сигналом с выхода «е» устройства включения стартера 5. Следовательно, первоначально на управляющий моментом вход преобразователя 4 поступает нулевой сигнал U, U(0)=0, как показано на фиг.3, и электродвигатель не создает вращающего момента. С течением времени интегратор 6 начинает плавно увеличивать напряжение сигнала U_b (см. фиг.2) на первом входе «b» сумматора 7, с выхода которого на управляющий моментом вход преобразователя 4 будет поступать также плавно увеличивающийся сигнал U (см. фиг.3). Преобразователь 4 медленно повышает частоту и величину напряжения, подаваемого на электродвигатель 3, а вращающий момент М (см. фиг.3) начинает плавно увеличиваться и электродвигатель также плавно начинает увеличивать частоту вращения N (см. фиг.3), передавая движение через редуктор 2 на кулачковую сцепную муфту одностороннего действия 1. Муфта 1 выбирает свободный ход, происходит сцепление ее кулачков и стартер начинает раскручивать ротор газотурбинной установки. Таким образом, плавность нарастания задающего момент сигнала U, а следовательно, и развиваемого электростартером вращающего момента исключают стуки при сцеплении кулачковой муфты одностороннего действия и исключают поломку трансмиссии. Далее интенсивность нарастания напряжения сигнала U_b (см. фиг.2) на выходе интегратора 6 возрастает за счет положительной обратной связи и примерно к 5 секунде его значение становится максимально заданным и сохраняет постоянную величину, соответственно электродвигатель стартера раскручивает ротор газотурбинной установки с постоянным вращающим моментом, что исключает колебание кулачков муфты 1 и стуки в процессе раскрутки.

По мере раскрутки электростартера сигнал на выходе измерителя частоты электростартера преобразователем частоты 4 линейно возрастает, инвертируется с помощью инвертора 8 и при достижении установленной пороговой величины с выхода порогового устройства 9 на второй вход «с» сумматора 7 начинает поступать сигнал U_с (см. фиг.2), вычитаясь из сигнала U_b на первом входе. Это происходит примерно на 70 секунде раскрутки ротора турбины. На выходе сумматора 7 поступающий на вход преобразователя 4 сигнал U, задающий момент вращения стартера, будет уменьшаться, а следовательно, и развиваемый электростартером момент М будет уменьшаться с увеличением частоты (см. фиг.3). Электростартер будет работать с постоянной мощностью на выходном звене, что исключает перегрузку трансмиссии.

В случае, когда необходимо увеличить крутящий момент электростартера, например в момент подачи топлива при запуске газотурбинной установки, устройство включения стартера 5 с выхода «е» выдает сигнал U_d (см. фиг.2) на третий вход «d» сумматора 7 и на его выходе задающий момент вращения электростартера сигнал U, поступающий на вход преобразователя 4, увеличивается и стартер с увеличенным моментом М будет раскручивать ротор газотурбинной установки. На фиг.3 изменения сигналов U и М в этом случае показаны штриховыми линиями.

После раскрутки ротора газотурбинной установки устройство включения 5 снимает выходные сигналы и электростартер возвращается в исходное состояние.

Таким образом, достигается плавное изменение крутящего момента электростартера в соответствии с режимом раскрутки газотурбинной установки, что обеспечивает безударное зацепление сцепной кулачковой муфты одностороннего действия и исключает перегрузку трансмиссии.

Промышленная реализация электростартера. Асинхронный электродвигатель 3 выполняется на частоту вращения, в 8 раз превышающую частоту промышленной сети, а преобразователь - на частоту выходного напряжения 400 Гц, что обеспечивает повышение энергоотдачи электродвигателя стартера более чем в 10 раз. Так, например, электростартер со встраиваемым асинхронным электродвигателем 5АВЧКр160В4, IM5010 с высотой оси 160 мм, имеющий массу 140 кг, развивает мощность 240 кВт вместо 18,5 кВт. Электродвигатель изготавливается ОАО «ВЭМЗ» г.Владимир.

В электростартере использован преобразователь частоты с управлением вектором потока магнитного поля серии IE-9011, выпускаемый компанией «Веспер», г.Москва.

Интегратор 6, сумматор 7, инвертор 8 и пороговое устройство 9 построены на операционных усилителях, но могут быть реализованы и на цифровых микроконтроллерах.

Устройство включения стартера 5 реализовано на электромагнитных реле, которые выдают сигналы на включение электростартера и снимают их по времени или по частоте вращения ротора газотурбинной установки. Устройство включения стартера может быть выполнено и на бесконтактных элементах микроэлектроники.

Положительная обратная связь интегратора 6 может быть выполнена различными способами, в описанном электростартере она подключена к выходу сумматора 7, сигнал с которого задает величину развиваемого электростартером момента.

Источники информации

1. Стартер-генератор СТГ-12ТМВ // Техническое описание, инструкция по технической эксплуатации. - Киров, - ОАО «Электропривод», - 1964.

2. 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.

1. Электростартер для запуска газотурбинной установки, содержащий сцепную кулачковую муфту одностороннего действия, редуктор, асинхронный электродвигатель, подключенный к сети питания через преобразователь частоты, снабженный измерителем частоты вращения электростартера, и устройство включения электростартера, отличающийся тем, что выход устройства включения электростартера соединен с управляющим входом преобразователя частоты, задающим момент электростартера, через интегратор с положительной обратной связью и сумматор, при этом выход измерителя частоты вращения электростартера соединен со вторым входом сумматора через инвертор и пороговое устройство.

2. Электростартер по п.1, отличающийся тем, что третий вход сумматора соединен со вторым выходом устройства включения электростартера.