СИСТЕМЫ ЗАПУСКА И ЗАЖИГАНИЯ
На турбореактивных двигателях для запуска устанавливаются две системы. Ими являются система запуска и система зажигания. Две эти системы при запуске двигателя на земле всегда используются одновременно, но, как правило, описание этих систем в руководстве по эксплуатации ВС находится в разных главах.
Система запуска
4.1.1. Основные сведения
Системы запуска больших турбореактивных двигателей в основном являются пневматическими. Преимуществом данной системы является низкий вес стартера и других компонентов в сравнении с системой электрического запуска. На некоторых двигателях не установлена система отбора воздуха для предотвращения снижения эффективности их работы при ее использовании. При использовании системы отбора воздуха снижается тепловой КПД работы двигателя. Поэтому на них отсутствует традиционная система отбора воздуха. Электрическая энергия является единственным видом энергии, отбираемой от двигателя для бортовых нужд. Система запуска каждого двигателя состоит из двух генераторов. Они разработаны как стартер - генераторы. Мощные генераторы необходимы для отбора электроэнергии на борт ВС. Они не являются дополнительным весом для системы запуска двигателя.
На большинстве двигателей коробка приводов приводится каскадом КВД с помощью приводного вала. Таким образом, двигатель стартера (или просто стартер), установленный на коробке приводов, способен раскручивать ротор ВД. Цикл запуска двигателя, показанный на рис. 39., начинается с раскрутки ротора ВД до частоты, достаточной для создания воздушного потока через камеру сгорания, что способствует формированию горючей топливовоздушной смеси. Это возможно при относительно низкой частоте вращения ротора, приблизительно равной 20% от максимальной [2].
Рис. 39. Ускорение каскада ВД во время цикла запуска. Показаны типичные частоты, важные для запуска [2]
После достижения валом частоты вращения, достаточной для безопасного розжига, отсечной клапан топлива ВД открывается и в топливные форсунки начинает поступать топливо. Чуть ранее или в тот же момент включается система зажигания, и при достижении топливом камеры сгорания происходит воспламенение. На этой низкой частоте вращения ротора крутящий момент ТВД еще мал для дальнейшей самостоятельной раскрутки вала. Поэтому, стартер продолжает работать и после начала горения. Разгон при совместном крутящем моменте ТВД и стартера продолжается до частоты вращения, при которой ротор может продолжать раскрутку без помощи стартера. Частота отключения стартера лежит выше частоты самоподдерживаемой работы двигателя. По достижении частоты отключения стартера системы запуска и зажигания отключаются агрегаты системы электронного управления двигателем ЕЕС (Electronic Engine Control), и двигатель разгоняется до частоты вращения МГ.
С момента начала горения начинается рост температуры выходящих газов EGT(Exhaust Gas Temperature). Она достигает своего пикового значения раньше достижения ротором частоты отключения стартера. Для безаварийного цикла запуска на этом шаге важно сбросить расход топлива на частоте вращения ротора или выше этой частоты. Иначе существует риск возникновения помпажа компрессора с превышением допустимой температуры выходящих газов EGT. При низкой величине расхода воздуха, а, следовательно, и крутящего момента ТВД, может возникнуть заброс температуры выходящих газов EGT даже при отсутствии помпажа компрессора.
4.1.2. Компоненты системы запуска
Типичная пневматическая система запуска имеет следующие компоненты:
· Воздушный трубопровод стартера, соединяющий стартер с бортовой системой отбора воздуха;
· Воздушный стартер;
· Клапан воздушного стартера;
· Органы управления и индикации в кабине.
Часто компоненты системы, установленные на двигателе, являются частью встроенного оборудования силовой установки, которая необходима для адаптации двигателя к ВС.
4.1.2.1. Воздушный трубопровод стартера
Воздушный трубопровод стартера соединяет его с бортовой системой отбора воздуха. В зависимости от размера двигателя, а также расположения пускового клапана, воздушный трубопровод может состоять из двух или более частей. Он крепится к корпусу двигателя с помощью нескольких соединительных узлов. Верхняя часть устанавливается после монтажа двигателя на пилон ВС.
На рис. 40. показано расположение компонентов системы запуска на двигателе CFM56-7B.
Рис. 40. Расположение компонентов системы запуска на двигателе CFM56-7B (фотография предоставлена инженером а/к «Уральские авиалинии» К.А. Межиным): 1 – воздушный стартер; 2 – трубопровод подвода воздуха к стартеру; 3 – клапан воздушного стартера
4.1.2.2. Воздушный стартер
Воздушный стартер состоит из турбины, понижающего редуктора и муфты, соединяющей редуктор с выходным валом стартера во время его работы. Выходной вал стартера устанавливается в соответствующий приводной вал коробки приводов. Для обеспечения быстрой замены поврежденного стартера он часто крепится к адаптеру коробки приводов с помощью V-образного хомута. На рисунке 41. показан такой тип соединения.
Рис. 41. Стартер на коробке приводов двигателя V2500-A5 [2]
После отключения подачи воздуха на стартер, во время цикла запуска, муфта работает как храповая муфта свободного хода. Это предотвращает привод турбины стартера от двигателя. В течение дальнейшей раскрутки ротора двигателя под действием центробежных сил открываются кулачки, и происходит полное отсоединение стартера от вала коробки приводов. На рис. 42. показана конструкция понижающего редуктора и муфты стартера.
Рис. 42. Основные компоненты пневматического стартера. Показана конструкция муфты и ее расположение внутри стартера [2]
Стартер содержит небольшое количество моторного масла для смазки. Такое малое количество масла очень быстро нагревается. Поэтому, время работы стартера ограничено. Обычно разрешается проведение трех последовательных циклов запуска с промежуточной паузой в 2 минуты. Время охлаждения после проведения этих циклов составляет 30 минут.
Типичный пневматический стартер не имеет электрических компонентов. Соответственно, у него нет и электрических соединений.
4.1.2.3. Пусковой клапан
Пусковой клапан является двухстворчатым клапаном с пневматическим приводом. Он управляется электрически с помощью клапана соленоида, определяющего давление воздуха, подаваемого на привод клапана. Клапан приводится давлением воздуха в воздушном трубопроводе стартера.
Для индикации положения клапана на нем установлены переключатели, соединенные со световой сигнализацией открытия пускового клапана в кабине пилотов, или с блоком ЕЕС на большинстве двигателей, оснащенных системой FADEC.
Пусковой клапан установлен перед стартером в трубопроводе подачи воздуха на запуск. Место установки клапана в воздушном канале определяется его доступностью, при нахождении самолета на земле. На рисунке 43. показана установка клапана двигателя V2500. Здесь видны привод клапана и четырёхгранник для ручного управления под ключ.
Рис. 43. Пневматический пусковой клапан стартера двигателя V2500-А5 [2]
Клапан должен быть доступен для механика при управлении им вручную на запуске, если электрическое управление невозможно. На самолетах с низко расположенными двигателями клапан устанавливается недалеко от осевой линии двигателя. На больших самолетах пусковой клапан устанавливается как можно ниже, поскольку доступ к нему возможен только снизу. Все пусковые клапаны имеют возможность ручного управления с помощью ручки или специального инструмента.
Система зажигания
4.2.1. Основные сведения
Система зажигания используется для розжига топливовоздушной смеси в камере сгорания. Система зажигания включается в трех случаях:
· Запуск двигателя на земле;
· Запуск двигателя в воздухе после срыва пламени;
· Продолжительная работа зажигания.
Продолжительное зажигание используется в условиях, критичных с точки зрения безопасности (взлет, посадка и в сложных метеоусловиях). Самым трудным случаем является запуск двигателя в воздухе на большой высоте. Низкая температура снижает летучесть топлива, что усложняет его розжиг. Для обеспечения запуска двигателя в данной ситуации необходима мощная и надежная система зажигания.
Розжиг топливовоздушной смеси осуществляется искрами, испускаемыми свечой зажигания, установленной в стенке камеры сгорания. На свечу подается высокое напряжение с блока зажигания, установленного на двигателе. На двигателе устанавливаются две аналогичные системы зажигания.
4.2.2. Компоненты системы зажигания
Каждая система зажигания на двигателе состоит из следующих компонентов:
· Блок зажигания с источником электропитания;
· Проводка зажигания (высоковольтный кабель);
· Свеча зажигания.
На рис. 44. представлены компоненты системы зажигания двигателя CFM56-5B.
Рис. 44. Компоненты системы зажигания двигателя CFM56-5B (фотография предоставлена инженером а/к «Уральские авиалинии» К.А. Межиным): 1 – генераторы зажигания; 2 – высоковольтные провода зажигания
4.2.2.1. Генератор зажигания (блок зажигания)
Генераторы зажигания установлены на корпусе вентилятора или газогенератора двигателя. Если генераторы зажигания установлены на корпусе вентилятора, то температура воздуха вокруг них ниже и нет необходимости в их охлаждении. При таком способе установки проводка зажигания длиннее, чем при установке блоков на корпусе газогенератора. Такая длинная проводка зажигания обычно охлаждается только в области газогенератора. Этот тип установки применяется на двигателе CFM56-7B. На рис. 44. показаны генераторы зажигания.
Установка генераторов на газогенераторе значительно уменьшает длину проводки зажигания. Использование максимально коротких кабелей высокого напряжения уменьшает потери энергии между генератором и свечой зажигания, а также вероятность короткого замыкания из-за повреждения кабелей. Но генераторы, установленные на корпусе КВД, работают в нагретой среде и должны охлаждаться воздухом. Чтобы направить охлаждающий воздух вокруг корпуса генератора, установлен охлаждающий кожух. Генераторы обычно охлаждаются воздухом вентилятора, который подводится из охлаждающего кожуха к проводке зажигания.
На генераторы зажигания подается переменный ток 115 В от сети самолета. Они включают в себя конденсаторы, первичную и вторичную обмотки и зазор между электродами (искровой разрядник). Зарядка конденсаторов длится приблизительно 1 секунду. Затем они разряжаются через зазор между электродами в свечу зажигания и снова начинается зарядка. При разрядке конденсаторов выделяется энергия высокого уровня. Сила тока, необходимая для свечей зажигания примерно 1500 А. Поэтому строго запрещено проводить работы в системе зажигания под напряжением. Это может быть чрезвычайно опасно.
Параметры типичного генератора зажигания:
· Диапазон энергии от 2 до 20 Дж;
· Выходное напряжение 2000 В;
· Выходная сила тока 1500 А;
· Диапазон искры 1 в секунду;
· Источник энергии переменного тока напряжением 115 В.
4.2.2.2. Кабельная сеть системы зажигания
По проводу зажигания подводится ток очень высокого напряжения от генератора зажигания к свече на расстояние около нескольких метров. Все электрические разъемы должны всегда находиться в хорошем состоянии для поддержания низкого сопротивления в соединениях. Потеря энергии приводит к снижению мощности искры. Проводка зажигания включает внутренний медный провод, который соединен с центральными контактами в разъемах на обоих концах. С внешней стороны проводка имеет гибкую стальную трубку в качестве механической защиты. Она также работает как электромагнитный экран. Между гибкой трубкой и внутренним медным проводом вмонтирована изоляция из силиконового каучука. Когда провод соединен со свечой при помощи накидной гайки, центральный контакт соприкасается с крышкой свечи и замыкает электрическое соединение. Керамические изоляторы поддерживают центрирование контакта.
Проводка зажигания охлаждается в местах сильного нагрева. Охлаждение необходимо, поскольку с повышением температуры медного провода увеличивается его сопротивление. Порция охлаждающего воздуха с выхода КНД или канала вентилятора проходит через зазор между трубкой и каучуковой изоляцией. Короткие кабели от генераторов, установленных на газогенераторе, как показано на рис. 45., охлаждаются по всей длине.
Рис. 45. Типичный высоковольтный провод зажигания [2]
Более длинные кабели от генераторов, установленных на корпусе вентилятора, охлаждаются воздухом только вдоль газогенератора. Охлаждающий воздух для такой проводки зажигания поступает через входные отверстия и выходит над накидной гайкой. Отсюда воздух проходит по поверхности свечи зажигания и охлаждает ее наружную поверхность.
4.2.2.3. Свеча зажигания
Для расположения двух свечей зажигания двигателя применяются два различных варианта конфигурации. Они устанавливаются либо с одной стороны камеры сгорания либо симметрично слева и справа относительно центральной линии двигателя. В обеих конфигурациях свечи зажигания установлены ниже центральной горизонтальной линии двигателя в корпусе камеры сгорания. Свечи завинчены во втулки корпуса камеры сгорания и своими внутренними концами погружены на несколько миллиметров в жаровую трубу. Глубина погружения ограничена, т.к., в противном случае, внутренний конец свечи во время работы двигателя будет нагреваться слишком сильно, что приведет к сокращению срока службы свечи. На рис. 46. показано расположение свечи зажигания в корпусе камеры сгорания двигателя SAM-146.
Рис. 46. Расположение свечи зажигания в камере сгорания двигателя SAM-146 [3]
Для достаточного охлаждения наконечника свечи зажигания через нее проходит вторичный воздух камеры сгорания и через наконечник выходит в жаровую трубу. Из-за ограничения глубины погружения свечи в жаровую трубу, свеча зажигания сама по себе не находится внутри топливно-воздушной смеси. Для розжига смеси из свечи в камеру сгорания выбрасывается искровой разряд. Это возможно благодаря большому количеству энергии, запасенной в конденсаторах генератора зажигания и двухэлектродному наконечнику свечи. Изолятор, находящийся между двумя электродами, покрыт полупроводниковым слоем. Этот слой облегчает ионизацию воздуха, который понижает уровень требуемой энергии для получения искры. На рис. 47. показано расположение коллектора подачи топлива в камеру сгорания на двигателе CFM56-7B.
Рис. 47. Коллектор подачи топлива в камеру сгорания двигателя CFM56-7B фотография предоставлена инженером а/к «Уральские авиалинии» К.А. Межиным): 1 – однокамерная форсунка; 2 – свеча зажигания
4.2.2.4. Электропитание
Электроэнергия 115 В (115 VAC) переменного тока для генераторов зажигания подается от сети самолета. На самолете без системы FADEC ток для генераторов проходит через пусковой переключатель и пусковой рычаг перед тем, как достигнет генераторов зажигания. На самолете с системой FADEC ток проходит через разъединительное реле в интерфейсном компьютере и далее через реле блока ЕЕС. В такой системе зажигание может быть активировано и дезактивировано блоком ЕЕС во время запуска и работы двигателя.