Особливості запуску авіаційного ВМД
Смороднікова А. В. Вступ
Швидкий розвиток конструкції авіаційних газотурбінних двигунів (ВМД) та широке їх застосування роблять необхідним спеціальне вивчення характеристик процесу запуску двигунів та вдосконалення апаратури запуску. В авіації ці характеристики відображають ступінь готовності літального апарату до польоту, а робота елементів системи запуску безпосередньо впливає на безпеку польоту, надійність роботи та ресурс двигуна.
Загальні поняття про процес запуску
Для використання будь-якого двигуна за прямим призначенням необхідно вивести його на мінімальний режим стійкої роботи. Процес виведення цей режим, званий режимом малого газу, і є запуск двигуна.
Для запуску двигуна необхідно, щоб робоче тіло було доведено до стану, при якому можливе стійке протікання робочого процесу. Робочий процес ВМД характерний безперервним горінням паливно-повітряної суміші камери згоряння.
Стійке горіння паливно-повітряної суміші можливе лише при безперервному надходженні в камеру згоряння необхідної кількості повітря під деяким надлишковим тиском. Повітря в камеру згоряння подається компресором:
Як видно з формули (1), потужність, що витрачається на роботу компресора, залежить від витрати повітря через двигун, ступеня стиснення повітря в компресорі та коефіцієнта корисної дії. Чим більша витрата повітря через двигун, ступінь стиснення повітря і менше коефіцієнт корисної дії компресора, тим більша потужність потрібна для обертання компресора [1].
Класифікація та основи пристрою системи запуску
Для забезпечення надійного запуску двигуна потрібен спеціальнийкомплекс агрегатів та пристроїв, що розміщуються на двигуні та на літальному апараті. Комплекс таких агрегатів та пристроїв спільно зі з'єднаними комунікаціями різного роду і складає систему запуску або пускову систему.
У систему запуску входять агрегати та пристрої, що забезпечують попереднє розкручування ротора двигуна; агрегати для подачі палива та займання горючої суміші в камері згоряння; пристрої, що забезпечують стійку роботу двигуна у процесі запуску; пристрої, що створюють необхідну послідовність та автоматичність роботи системи запуску.
Тип системи запуску визначається типом агрегату попередньої розкручування ротора двигуна та типом джерела живлення. Як агрегати попередньої розкрутки найчастіше використовують електростартери і турбостартери, що працюють на різних видах палива.
Джерела живлення можуть бути бортовими, встановленими літаком, або аеродромними.
Вага та габарити агрегатів системи запуску даного двигуна залежать від типу обраної системи запуску та часу, протягом якого двигун повинен бути виведений на режим малого газу [2].
2.1. Електричні системи запуску
Електричні пускові системи широко застосовуються для запуску різних турбореактивних і турбогвинтових двигунів завдяки тому, що їм властиві простота управління та легкість автоматизації операції запуску, надійність у роботі, простота та зручність обслуговування.
Для електричних систем запуску характерне значне збільшення ваги через збільшення потужності.
3. Пусковий пристрій
Пусковий пристрій призначений для розкручування ротора ВМД до частоти обертання, при якій забезпечується надійне займання палива в камері згоряння та турбіна ВМД починаєрозвивати позитивну потужність на валу ротора ВМД, достатню для подальшого самостійного розкручування. Пусковий пристрій є частиною пускової системи ВМД, вмикається та вимикається по сигналах система автоматичного керування (САУ) ВМД.
На більшості ВМД пусковий пристрій пов'язаний із ротором двигуна через кінематичний привід і розміщується на коробці приводів двигуна. Для однороторних двигунів застосовується прямий привід, коли пусковий пристрій розміщується в коку компресора і безпосередньо з'єднується з ротором ВМД. Застосування прямого приводу пускового пристрою дозволяє зменшити масу та скоротити габарити двигуна та спростити його кінематичну схему.
На основі досвіду проектування, виготовлення та експлуатації пускового пристрою можна визначити основні вимоги, що пред'являються до нього:
забезпечення розкручування ротора ВМД (запуск, помилковий запуск, холодне прокручування, а також консервація та розконсервація) необхідної тривалості та до необхідної частоти обертання у всіх заданих умовах експлуатації;
конструкція у вигляді окремого закінченого агрегату;
наявність пристрою, що забезпечує автоматичне з'єднання-роз'єднання з ротором ВМД;
забезпечення безпечної експлуатації;
наявність аварійних систем відключення у разі виникнення нерозрахункових умов чи параметрів роботи;
застосування тих же марок паливно-мастильних матеріалів, що й у ВМД;
мінімальні маса та габарити;
відносно низька вартість виготовлення та обслуговування.
3.1.Основні типи пускових пристроїв сучасних ВМД.
На сучасних ВМД, в основному, використовуються електричні, повітряні, гідравлічні та турбокомпресорні пускові пристрої (далі за текстом – стартери).
На вибір типу пускового пристрою значний вплив має тип джерела енергії, що є на борту ЛА, а також величина необхідної потужності пускового пристрою і тривалість запуску двигуна.
Електричні стартери можуть бути як постійного, так і змінного струму. Однак, внаслідок широкого використання як бортового джерела живлення акумуляторних батарей і більш простої конструкції, більшого поширення набули стартери постійного струму, особливо для невеликих літаків і вертольотів пасажирської, транспортної та допоміжної авіації.
В даний час широко використовуються як електростартери, так і стартери-генератори. Їх сфера застосування обмежується величиною вихідний потужністю 18. 20 кВт. Електричні стартери постійного струму знайшли застосування також і на багаторухових літальних апаратах (ЛА), де бортовим джерелом живлення використовується допоміжна газотурбінная генераторна електроустановка.
Повітряні стартери широкого поширення набули на багаторухових літаках пасажирської та транспортної авіації, для надійного запуску яких потрібно застосування пускових пристроїв з потужністю понад 20 кВт. Конструктивно стартер виконується з повітряною турбіною. Як джерела живлення для повітряних стартерів застосовується допоміжна силова установка (ЗСУ) багатоцільового призначення, стиснене повітря від якої, крім запуску двигуна, використовується також для роботи системи кондиціювання літака.
4. Опис процесу запуску двигуна
4.1. Особливості процесу запуску у польоті
Робочий процес ВМД характерний безперервним горінням паливно-повітряної суміші (ТВЗ) у камері згоряння. Стійке горіння можливе лише при безперервномунадходженні в камеру згоряння необхідної кількості повітря з деяким надлишковим тиском. Потужність, що витрачається на роботу компресора, залежить від витрати повітря через двигун, ступеня-стиснення і ККД компресора. Чим вище напористість і витрата повітря через компресор і нижче ККД, тим більша потужність необхідна його обертання. У міру збільшення частоти обертання потрібна все більша потужність.
Існує режим, коли турбіна розвиває потужність, достатню для власного обертання, а також для обертання компресора, агрегатів двигуна та подолання механічних втрат.
Для досягнення цього режиму двигуна до ротора необхідно підводити потужність від постійного джерела енергії. Ця потужність здійснюється пусковим пристроєм-стартером.
При експлуатації двигуна можливі випадки мимовільного чи навмисного вимкнення в польоті. Після припинення горіння палива будь-якому режимі частота обертання ротора зменшується. При цьому частина енергії потоку повітря, що набігає, витрачається на обертання ротора, і літак починає відчувати додатковий опір.
4.1.2. Основні етапи запуску
Процес запуску авіаційного ВМД умовно може бути розбитий на три етапи.
На першому етапі запуску - з моменту підключення стартера до ротора двигуна до моменту займання паливно-повітряної суміші (ТВЗ) в камері згоряння-розкручування ротора двигуна ведеться тільки стартером. Можна вважати, що турбіна двигуна вступає в активну роботу з початку займання ТВС камери згоряння. Протягом першого періоду запуску витрата та тиск повітря за компресором високого тиску (КВД) збільшується у міру збільшення числа обертів ротора двигуна.
На другому етапі запуску - з моменту займання ТВС у камерізгоряння до моменту відключення стартера від ротора двигуна - розкручування ведеться одночасно стартером та турбіною. Пусковий пристрій відключається від двигуна автоматично в момент виходу на певну частоту обертання ротора, коли турбіна має необхідний надлишок потужності для розкручування ротора. Цей етап запуску характеризується тривалістю та максимальними тепловими навантаженнями на деталі турбіни.