Вопрос № 3. Основные этапы запуска ГТД

 

Динамику процесса наземного запуска авиадвигателя можно представить в виде трёх периодов (этапов), следующих один за другим. В течение каждого этапа на ротор авиадвигателя действуют моменты, при которых ротор находится в состоянии динамического равновесия.

На первом этапе, начинающемся с момента подключения пускового устройства, раскрутка ротора авиадвигателя осуществляется только стартером, без подачи топлива в камеры сгорания. В течение этого периода по всему газовоздушному тракту проходит воздух, причем количество воздуха и его давления за компрессором с ростом частоты вращения ротора авиадвигателя возрастают. Частота вращения выбирается из условий обеспечения надежного воспламенения и устойчивого горения топливно-воздушной смеси и называется пусковой частотой вращения. На этом этапе момент, развиваемый стартером , уравновешивается моментом сопротивления компрессора и инерционных сил

(1)

На втором этапе, начинающемся с момента воспламенения горючей смеси, ротор авиадвигателя раскручивается стартером и турбиной, начавшей развивать положительную мощность (М_Т>0). Вращающий момент, развиваемый турбиной с начала вступления ее в активную работу, практически линейно зависит от частоты вращения, т.е.

, (2)

где, m и p - постоянные коэффициенты, зависящие от характеристик турбины авиадвигателя на пусковых режимах.

Второй этап продолжается до частоты n₃, называемой частотой сопровождения. При частоте вращения n₃ стартер отключается. При равновесной частоте вращения n₂ момент компрессора и момент турбины оказываются одинаковыми. Частота n₂ является частотой неустойчивого равновесия, так как малейшие отклонения от этой частоты в ту или другую сторону приводит или к остановке двигателя, или к выходу в режим малого газа. Поэтому стартер нельзя отключать при частоте n₂. Кроме того, одновременная работа стартера и турбины сокращает время запуска, исключает возможность перегрева лопаток турбины и камер сгорания, так как расход воздуха через камеры при этом быстро возрастает, т.е. сокращается время работы авиадвигателя на переобогащенной смеси. Поэтому необходимо, чтобы стартер помогал турбине разгонять вращающиеся части авиадвигателя до частоты отключения стартера.

; ;

;

 

На втором этапе выполняется следующее условие:

М_ст + М_т = М_с + J ,

 

Рис. 3. Этапы (периоды) запуска авиадвигателя.

 

Движущий момент, состоящий из момента стартера и турбины , должен превышать суммарный момент сопротивления настолько, чтобы вращающиеся части двигателя все время получали необходимое угловое ускорение .

На третьем этапе, начинающемся с момента отключения стартера, происходит самостоятельный разгон ротора авиадвигателя с заданным ускорением под воздействием значительного избыточного момента турбины, обеспечивающего быстрое достижение частоты вращения малого газа. При этом:

,(3)

Рассмотренные этапы запуска характерны для процесса вывода на режим малого газа большинства современных авиационных газотурбинных двигателей. В некоторых случаях, для ускоренного вывода отдельных типов двигателей на режим малого газа, третий этап запуска исключают. До частоты вращения, соответствующей режиму малого газа, авиадвигатель раскручивается совместно стартером и турбиной.

Анализ процесса запуска авиационных газотурбинных двигателей различных типов показывает, что продолжительность каждого этапа процесса запуска различная. Как правило, самым продолжительным бывает второй этап (этап совместной работы турбины и пускового устройства), который является наиболее ответственным и определяет, с одной стороны, надежность запуска авиадвигателя, с другой - максимальную величину и характер изменения требуемой мощности пускового устройства. Мощность пускового устройства зависит от требуемого времени запуска и развиваемой авиадвигателем тяги или мощности. Чем быстрее должен происходить процесс запуска, тем более мощным должно быть пусковое устройство.

Так, например, для ГТД с тягой P=(3,5÷ 4)10⁴ Н, запуск в течение 35-40 с может быть осуществлен стартером, имеющим мощность 100-120 л.с., при времени запуска около 20 с, потребуется мощность стартера около 200 л.с.

В полете иногда возможны случаи самопроизвольного или преднамеренного выключения двигателя.

Самовыключение ГТД наблюдается при стрельбе из бортового оружия (при пуске ракет или стрельбе из пушек), резких изменениях режима авиадвигателя при эволюциях летательного аппарата, появлении неисправностей в отдельных агрегатах и системах двигателя и летательного аппарата и т.д.

Самовыключение двигателя сопровождается прекращением горения топлива в камерах сгорания, частота вращения ротора двигателя уменьшается, но он полностью не останавливается, а постепенно переходит на установившийся режим авторотации (самовращение под действием набегающего потока воздуха).

Для запуска двигателя в полете необходимо осуществить следующие операции:

1. воспламенить топливо в пусковом воспламенителе;

2. воспламенить и обеспечить устойчивое горение основного топлива в камере сгорания;

3. обеспечить устойчивую работу авиадвигателя на пусковых режимах и непрерывную раскрутку ротора до режима малого газа, при этом рычаг управления двигателем (РУД) должен находится в положении “МАЛЫЙ ГАЗ”.

 

Вывод: запуск авиационного двигателя – процесс вывода авиационного двигателя на минимальный режим его устойчивой работы (режим малого газа). Динамику процесса наземного запуска авиадвигателя можно представить в виде трёх периодов (этапов), следующих один за другим. Знание этих этапов необходимо не только на стадии проектирования систем запуска, но и при поиске (устранении) неисправностей.

 

Заключение

 

Запуск авиационного газотурбинного двигателя (ГТД) представляет собой переходный режим работы двигателя от неподвижного состояния (на земле) или режима авторотации (в полете) до режима малого газа.

Режимом малого газа авиационного газотурбинного двигателя называется режим малого вращения ротора, на котором двигатель развивает минимальную тягу, работает надежно и устойчиво и обеспечивает выход на любой рабочий режим.

Запуск авиационного двигателя представляет одну из основных операций при подготовке летательного аппарата к полету, а от надежной работы системы запуска напрямую зависит выполнение полётного задания и безопасность полётов в целом.

Классификация систем запуска определяется в зависимости от варианта использования типа энергии для раскрутки роторов двигателя до режима малого газа. Чаще всего на практике применяются электрическая энергия или энергия сжатого воздуха.

Процесс наземного запуска авиационного двигателя можно условно разделить на три основных этапа, которые следуют один за другим. Знания этапов запуска позволяет подобрать оптимальную программу запуска для любого авиационного двигателя.

 

Вопросы для самоконтроля

 

1. Классификация систем запуска.

2. Требования, предъявляемые к системам запуска.

3. Основные этапы запуска.

 

Литература

1. В.Д. Константинов, И.Г. Уфимцев, Н.В. Козлов «Авиационное оборудование самолётов», стр. 85…103.

2. Ю. П. Доброленский «Авиационное оборудование», стр. 57…77

3. А.С. Тырченко, Н.Н. Точилов, М.М. Ногас, В.М. Блувштейн «Авиационное оборудование вертолётов»

А.С. Бочаров «Комплексы авиационного и радиоэлектронного оборудования. Комплексы авиационного оборудования». Военный учебно-научный центр ВВС «Военно-воздушная академия им. Проф. Н.Е. жуковского и Ю.А. Гагарина», г. Воронеж, 2012г., стр. 198 – 208.

 

(должность)

(воинское звание, подпись, инициалы, фамилия)