Скачать 385.13 Kb.
страница1/3
Дата31.05.2018
Размер385.13 Kb.
ТипСамостоятельная работа

Занятие состоит из рассказа преподавателя и последующей самостоятельной работы студентов под руководством преподавателя


  1   2   3




МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА
Занятие № 9
СИСТЕМЫ ЗАПУСКА ГТД
9.1. Цель занятия

-Изучение назначения, условий работы основных параметров, и требований к системам запуска ГТД.

-Ознакомление студентов с основными вариантами конструктивно-схемных решений ситем запуска ГТД.

-Изучение принципов подхода к инженерному анализу систем запуска и конструкции агрегатов с учетом условий их работы и воздействия эксплуатационных факторов.

-Ознакомление с методами анализа нарушения работоспособности систем запуска, поиска причин отказов и разработки мер по их устранению и предупреждению

-Приобретение студентами навыков работы по самостоятельному изучению и анализу систем запуска ГТД.


9.2. Методические основы построения занятия

Занятие проводится по подгруппам в течение четырёх часов учебного времени в помещениях специализированных классов учебной лаборатории, оснащённых образцами газотурбинных двигателей, их узлов и агрегатов.

Занятие состоит из рассказа преподавателя и последующей самостоятельной работы студентов под руководством преподавателя.

Преподаватель использует при проведении занятия схемы, , мкакеты-разрезы двигателей, их узлы и агрегаты, а также видеотехнику, электронные носители, слайды, чертежи и плакаты.

Самостоятельная работа студентов проводится под руководством преподавателя группами численностью 5 – 6 человек. Каждая такая группа получает задание на самостоятельную работу по анализу схемно - конструктивных решений конкретного газотурбинного двигателя с использованием макета - разреза двигателя, его технического описания и чертежа.

Задание содержит вопросы, на которые должны ответить студенты по результатам самостоятельного анализа конструкции.


9.3. Основа содержания рассказа преподавателя
9.3.1.Общие сведения о системах запуска

Запуск двигателя представляет собой неустановившийся ре­жим работы ГТД, характеризуемый процессом раскрутки его ротора от неподвижного состояния или режима вращения авто­ротации до выхода двигателя на режим малого газа (минималь­ный установившийся режим работы двигателя). Запуск осу­ществляется комплексом устройств и систем, составляющих пусковую систему ГТД.

Пусковая система ГТД должна обеспечивать следующие основные качества запуска.

1. Надежность запуска на земле и в полете (в том числе в случае преднамеренного или самопроизвольного останова двигателя) при любых условиях эксплуатации без возникновения неустойчивых режимов работы ГТД (помпажа, срыва пламени, вибрационного горения и т. д.), а также превышения макси­мально допустимых значений температуры газа и частоты враще­ния ротора.

2. Безопасность, т.е. исключение возникновения очагов пожара и обеспечение возможности быстрого прекращения за­пуска при аварийной ситуации.

3. Автоматизацию, т.е. обеспечение (после установки рычага управления двигателем - РУД в положение, соответствующее запуску, и нажатия кнопки «За­пуск») выхода двигателя на заданный режим без выполнения до­полнительных ручных операций, а после окончания процесса за­пуска осуществление выключения пусковой системы и подготовки ее к следующему запуску.

4. Автономность, т.е. обеспечение возможности осуществле­ния необходимого количества запусков без использования аэродромных средств (количество запусков от бортовых источни­ков питания без промежуточной их дозарядки или дозаправки по меньшей мере на единицу должно превышать число двигателей на воздушном судне).

5. Минимальные массы и габариты пускового устройства и других элементов системы, обеспечение их работоспособности в течение ресурса двигателя.

6. Возможность простого и эффективного регулирования параметров

Рис.1. Пусковые характеристики ТРД

запуска на различных этапах в процессе наземного технического обслуживания.
Минимальное число оборотов установившейся самостоятельной работы ГТД при данных внешних условиях зависит от пуско­вых характеристик дви­гателя. Под пусковыми характеристи ками ГТДобычно понимают зави­симости мощности, потребной для вращения ротора, Nn и мощности, разви-ваемой турбиной, NT от числа оборотов п в процессе запуска при заданном законе изменения температуры газов Т*й перед турбиной.

Примерный вид пусковой характеристики ТРД показан на рис.1. Из рисунка видно, что даже при минимальное число обо­ротов самостоятельной работы ТРД пр является достаточно большим. При числе оборотов меньше равновесных (п < nР) самостоятельная ра­бота двигателя невозможна, поэтому для запуска ТРД требуется постоян­ный источник мощности (стартер), способный раскрутить ротор двига­теля по крайней мере до числа оборотов п = пР. Однако отключать стартер на этих числах оборотов нельзя, так как при незначительном ухуд­шении условий работы двигателя, возникающем, например, вследствие ветра, дующего со стороны хвоста самолета, увеличения потерь во вход­ном и выходном устройствах двигателя, неустойчивой работы компрес­сора и т. п., мощность, развиваемая турбиной при п = nР, может ока­заться меньше мощности, потребной для вращения ротора, и двигатель заглохнет.

Обычно число оборотов отключения стартера п2 выбирается таким, при котором мощность турбины становится достаточной для уверенного выхода двигателя на режим малого газа.

Число оборотов малого газа пМГ выбирается из условия получения минимальной тяги при надежной и устойчивой работе двигателя. При этом для обеспечения необходимой приемистости температура газов перед турбиной должна быть меньше максимально допустимой величины.

Числа оборотов nР, n2 и пМГ, а также число оборотов п1, при которых турбина начинает создавать положительный момент, зависят от многих факторов (типа двигателя, КПД компрессора и турбины, температуры газов перед турбиной в процессе запуска, температуры окружающего воздуха) и различны у разных типов двигателей. Однако обработка ста­тистических данных показывает, что для большинства однотипных ГТД отношения этих чисел оборотов к максимальным и т.д., т. е. относительные числа оборотов, изменяются в небольших пределах (см. таблицу).


Тип двигателя

n1/nMAX

nP/nMAX

n2/nMAX

nМГ/nMAX

ТРД с осевым компрессором

0,08 - 0,11

0,11 - 0,15

0,2 - 0,33

0,28 – 0,38

ТРД с центробежным компрессором

0,06 - 0,09

0,08 - 0,11

0,13 - 0,15

0,2 – 0,23

ТВД сосевым компрессором

0,08 - 0,11

0,11 - 0,15

0,3 - 0,4

0,6 – 0,8

В соответствии с изложенным весь процесс запуска можно разбить на три основных этапа (см. рис.1).



Первый этап продолжается от момента п = 0 (подключение стартера к ротору двигателя) до момента п = n1 (воспламенение топлива в камере сгорания и вступление в работу турбины). Раскрутка ротора на этом этапе осуществляется только стартером.

Второй этап занимает период от момента п= n1 (вступление в ра­боту турбины) до момента п = п2 (отключение стартера). Раскрутка ро­тора на этом этапе осуществляется совместно стартером и турбиной дви­гателя.

Третий этап продолжается от момента п = п2 (отключение стартера) до момента выхода двигателя на режим малого газа. Раскрутка .ротора на этом этапе осуществляется только турбиной двигателя.

Запуск ГТД на земле осуществляется в следующем порядке. РУД устанавливают в положение, соответствующее режиму ма­лого газа, включают автоматы защиты сети электросистемы; переключатель вида работ системы управления устанавливают в положение «Запуск на земле» (если запуск осуществляется от ВСУ, то предварительно производится ее запуск). Затем нажи­мают кнопку запуска и с момента возникновения избыточной мощности на выходном валу ПУ начинается раскрутка ротора двигателя. Коммутационные устройства панели запуска включают прог­раммный механизм и систему зажигания. Через определенное время, заданное циклограммой программного механизма, произ­водится открытие электромагнитных клапанов пусковой топлив­ной системы. Топливо подается в воспламенители, где создается пусковой факел пламени. Основная топливная система в этот мо­мент обеспечивает подачу топлива в камеру сгорания через рабо­чие форсунки. Образовавшаяся топливовоздушная смесь поджи­гается пусковым факелом и турбина двигателя начинает созда­вать постепенно увеличивающийся избыточный момент. Дозиров­ка подачи топлива осуществляется автоматом запуска.

Далее программный механизм выключает систему зажигания. После того как избыточный момент турбины превысит момент сопротивления вращению ротора ГТД, происходит отключение ПУ. Оно выполняется или программным механизмом или спе­циальным устройством, срабатывающим при достижении роторов двигателя определенной частоты вращения. В обоих случаях про­граммный механизм после прекращения запуска приводит систе­му управления запуском в исходное состояние.

Дальнейший вывод двигателя на режим малого газа осу­ществляется избыточным моментом турбины. Параметры запуска в этом случае определяются системой управления двигателя Данный этап завершается выходом двигателя на режим малого газа (п = пМГ).

Ложный запуск выполняется для проверки герметичности гидросистем двигателя и его расконсервации после установки на воздушное судно, а холодная прокрутка — после неудавшегося запуска. В обоих случаях система зажигания не включается.

Запуск в воздухе производится с режима авторотации и по­этому ПУ не используется. Для этого предусмотрено положение переключателя вида работ «Запуск в воздухе». После нажатия кнопки запуска коммутационная аппаратура панели запуска включит систему зажигания и программный механизм. Далее запуск производится аналогично рассмотренному выше порядку, только без включения ПУ.

Возможен также встречный запуск, при котором включение пусковой системы осуществляется не вручную, а автоматически по сигналам падения давления воздуха за компрессором и давле­ния топлива перед рабочими форсунками. Частота вращения ро­тора ГТД оказывается выше, чем на режиме авторотации, что расширяет диапазон высот и скоростей полета, при котором воз­можен запуск в воздухе.

Пусковые системы авиационных ГТД подразделяются на системы с пусковыми устройствами (стартерные) и бесстартерные. Стартерные системы классифицируются (рис.2) в зави­симости от типа применяемого пускового устройства (ПУ). В бесстартерных пусковых системах сжатый воздух или газ подается непосредственно на лопатки газовой турбины ГТД. Такие системы весьма просты по конструкции, но для запуска требуется большой расход рабочего тела из-за малого КПД турбины в начальный момент раскрутки. По этой причине бес-стартерные системы в настоящее время используют лишь для запуска подъемных ГТД — при этом сжатый воздух (газ) отбирается от маршевого двигателя.

Следует отметить, что пусковая система современного ГТД является комбинированной, позволяя осуществлять на земле запуск от ПУ, а в полете — бесстартерный запуск. Особенности этого вида бесстартерного запуска заключаются в том, что имею­щееся на двигателе ПУ не используется, а запуск осуществляет­ся с режима вращения авторотации. Возможен также встречный запуск, когда пусковая

Рис.2. Классификация пусковых устройств

топливная система и система зажигания включаются после самопроизвольного или преднамеренного выключения двигателя до установления частоты вращения авторотации.
9.3.2.Структура пусковых систем

Пусковая система ГТД в общем случае включает:

- систему предварительной раскрутки ротора двигателя, со­стоящую из ПУ и механизмов соединения ротора ПУ с ротором ГТД;

- источник энергии, обеспечивающий питание ПУ;

- пусковую топливную систему, обеспечивающую подачу, топлива в пусковые воспламенители (или рабочие форсунки) ка­меры сгорания;

-систему зажигания пусковой топливно-воздушнои смеси в пусковых воспламенителях (или непосредственно в камере сгорания);

- систему управления процессом запуска;

- ряд элементов основной топливной системы, обеспечиваю­щих дозировку подачи топлива в процессе запуска (автомат за­пуска, рабочие форсунки и др.).

ПУ представляет собой специальное устройство, предназна­ченное для принудительной раскрутки ротора ГТД в процессе запуска. Типы ПУ чрезвычайно разнообразны и делятся на электрические и механические. Первые представляют собой электродвигатели инерционного типа, электростартеры (ЭСТ) прямого действия, а также стартер-генераторы (СТГ). Инер­ционные ПУ применяют в поршневых двигателях, где момент сопротивления вращению весьма велик. В ГТД используют в основном СТГ. ЭСТ прямого действия применяют на малораз­мерных ГТД и ВСУ.

Из механических ПУ основное распространение нашли тур­бинные стартеры (поршневые ПУ в виде двухтактных двига­телей использовались на начальном этапе развития ГТД). Турбокомпрессорные стартеры (ТКС) представляют собой малогабаритные ГТД. Среди бескомпрессорных турбинных ПУ известны воздушные турбостартеры (ВТС), воздушно-тепловые, парогазовые и твердотопливные устройства. В ВТС в качестве рабочего тела используется сжатый воздух. Воз­душно-тепловые турбостартеры имеют дополнительно камеру сгорания, где сжатый воздух подогревается, что улучшает их мощностные характеристики.

Парогазовые турбостартеры используют пар, газ или парогаз, получаемый в результате горения, разложения или химической реакции различных веществ. Как правило, этот тип ПУ обладает низкой эксплуатационной технологичностью.

В твердотопливных турбостартерах рабочим телом является газ, получаемый в результате горения пороха. Время запуска

ГТД при использовании таких ПУ может быть сокращено до нескольких секунд.

Ротор ПУ соединяется с ротором запускаемого ГТД с по­мощью механизма сцепления и редуктора. Механизм сцепления обеспечивает автоматическое соединение роторов на начальном этапе запуска, рассоединение роторов после окончания процесса раскрутки ротора ГТД, а в ряде случаев также ограничение пе­редаваемого момента. Шестеренные передачи как в самом ПУ, так и в системе приводов запускаемого двигателя, служат для согласования моментной характеристики ПУ с характеристикой сопротивления вращению ротора ГТД.

Источник энергии, необходимый для питания ПУ, может размещаться как на воздушном судне, так и на средствах аэродромного обслуживания. Его тип и особенности конструкции определяются типом применяемого ПУ. Это аккумуляторные батареи (при использовании ЭСТ), баллоны со сжатым воздухом (для ВТС и воздушно-тепловых турбостартеров), баки с топли­вом или компонентами для получения пара или газа (для ТКС, воздушно-тепловых и парогазовых турбостартеров), пиропатро­ны (для твердотопливных стартеров). Для обеспечения автоном­ности запуска в настоящее время большинство воздушных судов снабжено ВСУ. Они используются в качестве ТКС, генераторов сжатого воздуха, обеспечивающих питание ВТС и воздушно-теп­ловых турбостартеров, а также турбогенераторных установок, приводящих в действие генераторы постоянного тока, которые питают ЭСТ.

Пусковая топливная система представляет собой обычно часть топливной системы ГТД и включает электромагнитные краны, переключаемые системой управления запуском, и пуско­вые форсунки, устанавливаемые в воспламенителях. Подача топлива в пусковую систему осуществляется, как правило, от подкачивающего насоса ГТД. В некоторых случаях роль пуско­вой форсунки выполняет один из каналов рабочих форсунок камеры сгорания — в этом случае воспламенитель отсутствует, а топливо подается от основного насоса двигателя.

Система зажигания состоит из пусковых катушек (агрегата зажигания) и свечей зажигания, расположенных в зависимости от особенностей пусковой топливной системы в пусковых воспла­менителях или жаровых трубах камеры сгорания.

Система управления запуском выполняется в виде автомати­ческой панели, представляющей собой комплекс коммутационной аппаратуры и программного механизма, вырабатывающего в соответствии с заданной циклограммой временные сигналы для управления пусковой системой. В нее также входит ряд спе­циальных устройств и преобразователей, обеспечивающих выда­чу команд при достижении определенной частоты вращения рото­ра двигателя и ПУ, давления воздуха за компрессором и т. д.

Система управления обеспечивает выполнение следующих процессов: запуск двигателя на земле; холодную прокрутку дви­гателя; запуск двигателя в воздухе; ложный запуск, а также осуществление в случае необходимости прекращения запуска и предотвращения включения пусковой системы на работающем двигателе.

Системы запуска ГТД включают в себя следующие основные эле­менты: стартер, запальные устройства, создающие первоначальный очаг пламени для воспламенения топлива в камерах сгорания, я топливные регуляторы, регулирующие подачу топлива в камеру сгорания в процессе запуска.

Кроме того, в систему запуска входят электрические системы, обеспе­чивающие автоматизацию всего процесса запуска, а также источники энергии для питания стартера.

Стартер представляет собой двигатель, предназначенный для раскрутки ротора ГТД в процессе запуска. В соответствии с требова­ниями, предъявляемыми к системам запуска, стартер должен быть про­стым по своей конструкции, развивать возможно большую мощность при малом габарите и весе, быть безопасным в обращении, иметь высокую эксплуатационную надежность, а также обеспечивать многократность запуска.

Стартеры, применяемые для запуска современных ГТД, можно раз­делить на следующие основные типы: электрические, турбин­ные и коловратные.;v

В свою очередь турбинные стартеры разделяются на газотур­бинные, воздушные, пороховые, парогазовые и турбо-ракетные, а коловратные — на воздушные, газовые и гид­равлические,В некоторых случаях для запуска маломощных ГТД применяются бесстартерные системы запуска.


9.3.3 Электрические стартёры

Электрический стартер представляет собой электродвигатель по­стоянного тока, питаемый от бортовой или аэродромной аккумуляторной батареи с номинальным напряжением 24—28 в.

Наряду с электрическими стартерами на современных двигателях широко применяются также электрические стартер-генераторы.

Стартер-генератор представляет собой электрическую машину, рабо­тающую в процессе запуска как стартер, а затем переходящую на гене­раторный режим и в дальнейшем являющуюся самолетным источником постоянного тока. Объединение стартера и генератора в одном агрегате позволяет уменьшить вес агрегатов двигательной установки на величину, практически равную весу стартера. Необходимые электрические харак­теристики стартера-генератора на стартерном и генераторном режимах могут быть обеспечены путем включения в привод стартера-генератора автоматической двухскоростной передачи или же путем включения в электрическую схему стартера-генератора дополнительной обмотки с автоматическим переключением ее при переходе с одного режима |работы на другой. Наибольшее распространение в настоящее время получил пер­вый способ. В этом случае двухокоростная передача автоматически обеспечивает различные передаточные отношения на стартерном и гене­раторном режимах. Обычно , где и . Для повышения эффективности использования аккумуляторных батарей иногда применяют системы запуска с переключением батарей с параллельного на последовательное их соединение (система 24 - 48 в).

Применение системы запуска 24 - 48 в повышает мощность стартера на последнем этапе раскрутки двигателя, но приводит к быстрой разрядке аккумуляторных батарей и уменьшению числа повторных запусков без подзарядки аккумуляторов.

Электрические стартеры просты в эксплуатации и обеспечивают надежную раскрутку ротора двигателя в процессе запуска. Электрическая система запуска позволяет легко обеспечить полную автоматизацию про­цесса запуска.

. Основными недостатками электрической системы запуска являются большой вес аккумуляторных батарей, достигающий 120 - 180% от веса стартера, и падение их емкости с понижением температуры окружающего воздуха.

Удельные веса электрических систем запуска современных ГТД со­ставляют 5 - 8 кг/л. с. и зависят в основном от типа и числа аккумулятор­ных батарей. Снижение удельного веса за счет уменьшения числа батарей того же типа приводит к быстрой разрядке их и к уменьшению числа повторных запусков.

Расширение возможностей электрической системы запуска может быть достигнуто за счет применения нового типа аккумуляторных бата­рей, обладающих большей емкостью на единицу веса по сравнению с применяемыми в настоящее время свинцовыми аккумуляторными бата­реями, а также за счет использования вспомогательных бортовых турбо­генераторных установок.
9.3.4. Воздушные турбостартеры

Воздушный турбостартёр представляет собой турбину, работающую на сжатом воздухе. Воздух, необходимый для работы ВТС, может поступать от бортового или аэродромного баллона, но лучшие параметры пусковой системы достигаются при использовании наземного или бортового генератора сжатого воздуха.

Основными элементами ВТС (рис.3) являются активная турбина, ротор которой через редуктор связан с ротором за­пускаемого двигателя, и клапан подвода воздуха с системой управления. Воздух подается с давлением (3...4) 105 Па и темпе­ратурой 400...450 К. Мощность ВТС может варьироваться в широких пределах- (от 20 до 350 кВт), а удельные характеристи­ки пусковой системы с бортовым генератором сжатого воздуха не хуже, чем у ТКС.


Рис.3. Схемы ТКС с гид­ромуфтой (а) и свободной

турбиной (б):

/ — ротор турбины компрес­сора; 2 — ротор компрессо­ра; 3 — редуктор; 4 — гидро­муфта; 5—свободная турбина
Генератор сжатого воздуха представляет собой вспомогатель­ный ГТД (ВГТД), который также может использоваться для кондиционирования в кабинах и отсеках


Рис.4. Кинематическая схема воздушного турбостартера двигателя

Д-30КУ

/ — плунжер; 2 —сопловой аппарат;

3— колесо турбины; 4 — зубчатое колесо; 5—валик-шестерня; 6—муфта; 7 —опора храповой муфты; 8—наружная обойма храповика; 9 — микровыключатель; 10—центро­бежный выключатель; //, 12 — шестерни; 13—ведущая шестерня
воздушного судна и питания бортовых электросистем. Его особенностью является то, что воздух из компрессора поступает не только в камеру сгора­ния, но и в специаль-

ный ресивер. Через перепускной клапан, положение которого регулируется системой управления процес­сом запуска, сжатый воздух от ресивера подается по трубопрово­дам к воздушному турбосрартёру.

Значительная мощность, развиваемая воздушным турбостартёром, обусловливает малое время запуска, а высокий начальный крутящий момент- позволяет их использовать для запуска ГТД большой тяги.

Основным недостатком данной си­стемы является большой расход воз­духа, что практически исключает авто­номность запуска.

Этот недостаток можно умень­шить, если применить подогрев сжа­того воздуха, однако и при этом тре буется значительный расход воздуха, а следовательно, и увеличение веса и габаритов воздушных баллонов, что тоже затрудняет создание автономной системы запуска.

На многомоторных самолетах в ка­честве источника питания воздушных турбостартеров можно использовать вспомогательный газотурбинный двига­тель, устанавливаемый на борту само­лета. В этом случае от вспомогатель­ного ГТД (рис. 313) отбирается сжа­тый воздух и по трубопроводам по­дается к воздушным турбинам, уста­новленным на запускаемых двигателях. В случае необходимости сжатый воз­дух может подогреваться в специальной камере.

Применение указанной системы запуска выгодно тем, что ГТД может быть

Рис.5. Воздушный турбостартер:

/ — клапан подвода воздуха; 2 — командный агрегат; 3 — рабочее колесо турбины; 4 — планетарный редуктор; 5 — предохранительный валик; 6 — храповая муфта

использован на самолете и для привода агрегатов аварийных систем, подогрева двигателя при очень низких температурах окружающего воздуха и других нужд.




Рис. 6. Воздушный стартер СтВ-ЗП: Рис. 7. Дублирующая приставка воздушного

/ — дублирующая приставка; 2—командный турбостартера СтВ-ЗП

узел; 3 — заслонка по тоянного давления; 4 — / — патрубок; 2— кожух; 3— гильза; 4— корпус

турбина; 5 —редуктор за­слонки; 5, 14— электромагниты ЭМТ-707;

: 6—плунжер; 7 —сопловой аппарат турбины;

8 —опора; 9 — возврат­ная пружина; 10

пружина; чашка; а—отверстие; б—поверх-

ность гиль­зы; в — выступ штока


Воздушные турбостартеры с питанием от вспомогательного ГТД наа большее распространение; по-видимому, получат на сверхзвуковых тяжи лых самолетах, где для обеспечения нормальных температурных услови работы агрегатов их привод

Рис.8. Принципиальная схема запуска многомотор­ного самолета с помощью вспомогательного ГТД:



1 — самолетные ГТД; 2 — турбины стартеров; 3 — вспомогатель­ный ГТД; 4—компрессор; 5 и 6 — камеры сгорания; 7 — элек­тростартер вспомогательного ГТД; 8 — запорные клапаны; 9— штуцер подачи сжатого воздуха от постороннего источника (этот же штуцер может использоваться и для отбора сжатого воздуха из вспомогательного ГТД); 10 — обратный клапан
делается автономным (от вспомогательно! ГТД). В этом случае при запуске двигателя вспомогательный ГТД м< жет быть использован как генератор воздуха, что позволит уменьшит вес всей силовой установки.
  1   2   3

Главная страница
Контакты

    Главная страница



Занятие состоит из рассказа преподавателя и последующей самостоятельной работы студентов под руководством преподавателя

Скачать 385.13 Kb.