8.1. Авиадвигатели.
Авиационный двигатель предназначен для приведения в движение различных летательных аппаратов.
На заре авиации в качестве авиационных двигателей использовали поршневые двигатели. В настоящее время - применяют газотурбинные двигатели (ГТД).
ГТД – тепловая машина, предназначенная для преобразования энергии сгорания топлива в кинетическую энергию реактивной струи и (или) в механическую работу на валу двигателя .
ГТД более совершенны по сравнению с поршневыми. Они позволяют получить весьма большую тягу (развить большую скорость) при меньшей массе и значительно меньших размерах. Уже первые самолеты с ГТД имели скорость около 950 км/ч, в то время как максимальная скорость со специальными гоночными поршневыми двигателями достигала только около 750 км/ч .
По способу создания тяги ГТД можно разделить на турбореактивные (ТРД) и турбовинтовые двигатели (ТВД).
ТРД – газотурбинный двигатель, в котором энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию струй газов, вытекающих из реактивного сопла .
ТВД – газотурбинный двигатель, в котором энергия сгорания топлива преобразуется механическую мощность на выводном валу, использующуюся в дальнейшем для привода тянущего воздушного винта .
Турбореактивные двигатели применяются на истребителях и бомбардировщиках и турбовинтовые – в транспортной авиации .
Итак, авиадвигатель – это тепловой двигатель. Его основными элементами являются компрессор, засасывающий атмосферный воздух, повышающий его давление и направляющий его в камеру сгорания, топливный насос, который впрыскивает через форсунку жидкое топливо, забираемое из топливного бака, в камеру сгорания и турбина .
8.2. Назначение электростартера
Чтобы тепловой двигатель функционировал, необходимо, чтобы топливо подавалось в камеру сгорания, начиная с того момента времени, когда в ней созданы благоприятные для работы двигателя условия: определенный расход воздуха и давление.
Чтобы создать эти условия, необходимо раскрутить ротор авиадвигателя от внешнего источника механической энергии.
В понятие ротор ГТД входит компрессор и турбина.
В качестве внешнего источника механической энергии в этом разделе мы рассматриваем электропривод. В соответствии со своими функциями этот электропривод называется электростартер.
Назначение электростартера – раскрутить ротор авиадвигателя до скорости, достаточной для самостоятельного и надежного выхода турбины на режим малого газа.
То есть, запуском авиадвигателя называется процесс его вывода на режим малого газа.
Режимом малого газа называют устойчивый режим работы с минимальной мощностью, с которого обеспечивается надежный выход на любой рабочий режим за заданное время.
Мы будем рассматривать работу электростартера при запуске авиадвигателя на земле.
При запуске авиадвигателя в воздухе стартер не включается, так как реактивный двигатель вращается за счет набегающего потока воздуха (авторотация).
Кроме того, применяется холодная прокрутка реактивного двигателя. Она выполняется для того, чтобы после неудачной попытки запуска удалить топливо из двигателя. Если этого не сделать, топливо будет гореть на стенках камер сгорания, на лопатках турбины и в выходном канале, вызывая недопустимое повышение температуры. Во время холодной прокрутки стартер раскручивает авиадвигатель, заставляя компрессор создавать поток воздуха. Топливо при этом в двигатель не подается, зажигание не включается.
8.3. Этапы запуска авиадвигателя
Этапы запуска авиадвигателя проиллюстрируем зависимостями моментов, действующих на вал авиадвигателя и стартера.
| Рис. 1. Моменты, действующиы на вал авиадвигателя (или стартера).
| М с – момент сопротивления, включающий в себя момент компрессора и момент трения. М с =М к +М тр. Также момент сопротивления может включать момент, расходуемый на привод вспомогательных механизмов . М тр по сравнению с М к мал (в отличие от поршневых авиадвигателей ) и им можно пренебречь. М к изменяется от скорости по квадратичному закону: М к =c к n 2 = k к 2 . М т – момент турбины. Движущий момент. Зависит от скорости практически линейно. Турбина начинает работать при скорости вращения n 1: М т = c т (n - n 1) = k т ( - 1) М ст – момент, развиваемый стартером. Зависимость М ст от скорости вращения представляет собой механическую характеристику ДПТ. М вр = М т +М ст – суммарный двигательный момент, развиваемый стартером и турбиной. Действует против момента сопротивления. М
т =М
т –М
с – момент, который приходится преодолевать стартеру (момент сопротивления двигателя). |
Запуск газотурбинного реактивного авиадвигателя выполняется автоматически, в соответствие с программой запуска и разделяется на следующие этапы:
За счет электростартера ротор ГТД разгоняется до скорости вращения n 1 , называемой пусковой скоростью вращения. При пусковой скорости в камере сгорания создается расход воздуха и давление, достаточные для надежного воспламенения топлива и вступления в работу турбины. При скорости n 1 включается система зажигания и пусковая топливная система. Происходит воспламенение топливно-воздушной смеси, в очаг пламени впрыскивается рабочее топливо и начинает работать турбина, т.е. развивать вращающий момент.
где J – момент инерции всех вращающихся частей, приведенный к валу якоря стартера:
J = J ад + J ст,
где J ад – момент инерции роторов и воздушного винта авиадвигателя; J ст – момент инерции стартера.
Пусковая скорость вращения составляет для двигателей с центробежным компрессором 800-1200 об/мин, с осевым – 300 об/мин (в – от 30 до 140 рад/сек, в 10-130 рад/сек).
Продолжительность разгона турбины до пусковой скорости n 1 составляет 10- 40 сек.
Стартер и турбина совместно раскручивают ротор ГТД до скорости n 2 , называемой скоростью сопровождения. Скорость n 2 характерна тем, что при ней турбина самостоятельно развивает мощность, достаточную для дальнейшего разгона авиадвигателя с заданным ускорением без участия стартера. Поэтому при этой скорости стартер отключается.
Cтартер отключается, когда скорость достигнет приблизительно 0,7n 0 (n 0 -скорость холостого хода электродвигателя) .
Уравнение движения: М ст +М т – М к = М ст + k т ( - 1) – k к 2 = Jd /dt
Скорость сопровождения для двигателей с центробежным компрессором – 2000 об/мин, с осевым компрессором – 800 об/мин.
(В – от 80 до 500 рад/с, в – 1000 – 2500 об/мин; в – 30-150 рад/сек).
Для сравнения при запуске поршневого авиадвигателя его коленчатому валу необходимо было сообщить значительно меньшую скорость вращения: 50-60 об/мин .
Скорость n 2 обычно составляет 30-40% от рабочей скорости .
Полный цикл работы стартера – от 30 до 120 сек . (Этап 2 – 10-20 сек ).
Самостоятельный выход авиадвигателя на режим малого газа (скорость n мг). Происходит самовращение ротора запускаемого ГТД, а его турбина развивает момент, достаточный для собственного вращения и преодоления всех моментов сопротивлений.
М т – М к = k т ( - 1) - k к 2 = Jd /dt ,
8.4. Параметры авиадвигателей и электростартеров
Характеристики реактивных авиадвигателей отличаются большим разнообразием параметров, существенных для запуска:
Момент инерции вращающихся частей авиадвигателя J д =3-40 кг*м 2 .
Максимальный момент сопротивления М с.макс = 30-350 Н*м ; 30-150 Нм .
Приближенно максимальный момент сопротивления авиадвигателя определяется по формуле
М с.макс = (0.01 – 0.015)J д 2
При этих условиях номинальная мощность стартеров составляет от 3 до 30 кВт . А стартер-генераторов – от 3 до 150 кВт .
8.5. Требования к ЭП
Создание необходимого момента для преодоления статического и динамического момента сопротивления;
Обеспечение вывода авиадвигателя на заданный режим за достаточно короткое время. С одной стороны это время определяет тактические возможности самолетов, с другой не может быть больше некоторого предельного значения, чтобы не допустить перегрева газов в камере сгорания и снижения прочности и ресурса лопаток турбины вследствие повышения температуры (здесь критичным является время разгона авиадвигателя от n 1 до n 2 , то есть время, когда одновременно работают стартер и турбина).
Экономичное и рациональное расходование электрической энергии. Это требование обуславливается ограниченной мощностью источника электрической энергии, в качестве которых для стартеров могут использоваться аккумуляторные батареи, бортовые или аэродромные генераторные установки.
8.6. Типы двигателей для электростартеров
В качестве стартеров используют двигатели постоянного тока параллельного (стартеры типа СТГ ), последовательного или смешанного возбуждения (посл.+парал) . Применение смешанного возбуждения вызвано стремлением увеличить момент на валу на первом этапе запуска .
Заметим, что по одному из классификационных признаков, рассмотренных нами ранее, режим работы стартеров кратковременный.
8.7. Отключение стартера
В период запуска вал электростартера через редуктор соединяется с валом ГТД. Когда ГТД начинает работать самостоятельно, необходимо ГТД и стартер рассоединить, так как их связь приводила бы к износу стартера. Поэтому в промежутках между запусками механическая связь стартера и ГТД отсутствует. Задачу соединения и рассоединения стартера и ГТД выполняет или центробежная храповая муфта или роликовая обгонная муфта .
Принцип их действия основан на том, что пока ведущая часть муфты вращается быстрее, чем ведомая, она контактирует с ней и увлекает ее за собой. Когда ведомая часть начинает вращаться быстрее, механический контакт между частями муфты прекращается, и момент от ведомой части к ведущей не передается.
8.8. Критерии качества работы стартера :
КПД пуска. КПД=А к /А э,
где 2 – угловая скорость стартера при его отключении.
А э – электроэнергия, потребленная стартером при запуске
Время пуска t п.
Равномерность потребления тока. При автономном запуске реактивных двигателей от бортовых аккумуляторных батарей расход их емкости повышается с увеличением неравномерности потребляемого электростартером тока.
8.9. Управление электростартером
Сокращение времени запуска;
Снижение расхода электроэнергии и уменьшение потерь в цепях электростартеров.
Сущность управления:
Изменение напряжения на якоре и потока возбуждения стартера.
Управление производится по заранее заданной программе:
В зависимости от времени;
В функции параметров, определяющих ход процесса запуска;
Комбинированный способ.
Комбинированный способ управления является более предпочтительным, так как позволяет избежать более длительного, чем это необходимо, включения того или иного агрегата. На отдельные операции запуска отводится определенное время. Если в ходе запуска операция окажется выполненной за меньшее время, соответствующий агрегат отключается по сигналу датчика. Если этого не произошло, агрегат отключается по сигналу автомата времени пуска. Это особенно существенно по отношению к агрегатам, имеющим ограниченный ресурс (турбостартеры) или запас энергии или емкости (аккумуляторные батареи).
8.9.1. Пуск электростартера
В начальном положении при запуске ГТД между ведущей и ведомой частями муфт может быть довольно большой свободный ход (люфт): ведущая часть до момента сцепления с ведомой частью поворачивается на некоторый угол. Это может привести к сильному удару частей муфт и их поломке. Чтобы этого избежать в цепь питания в первые секунды запуска включают пусковые резисторы Rп. Момент и скорость вращения стартеров ограничиваются, и осуществляется плавное, без резких ударов, сцепление муфт. После того, как сцепление осуществилось, пусковые резисторы шунтируют, в результате чего стартеры оказываются включенными на полное напряжение .
8.9.2. Способы управления стартерами при запуске ГТД:
Прямой пуск – включение стартера на постоянное напряжение при постоянном потоке.
Рис. 2. Потребляемый электростартером ток
Особенности:
Наиболее простой способ запуска;
Большая неравномерность потребления тока (рис. 2);
Низкий КПД. КПД = 0,35 ;
Время запуска 1.2Т м .
Ступенчатое уменьшение потока возбуждения стартера. Напряжение на якоре стартера в течение всего запуска постоянно и равно номинальному.
 Рис. 3. Потребляемый электростартером ток, поток возбуждения и скорость вращения стартера | На первом этапе стартер работает при максимальном магнитном потоке Ф 1 . При скорости n 1 поток уменьшается до уровня Ф 2 . Как вы знаете, в ДПТ при изменении потока скорость меняется неоднозначно. Все зависит от положения рабочей точки на механической характеристике. В данном случае, скорость n 1 должна быть достаточно близка к угловой скорости идеального холостого хода при потоке Ф 1 . В этом случае уменьшение потока приведет к увеличению скорости. Этим обеспечивается надежное сопровождение авиадвигателя до конца запуска. |
Изменение тока при этом способе управления для АБ благоприятнее, чем при прямом пуске. Основной бросок тока (пусковой ток) на первом этапе быстро затухает. Второй бросок тока значительно меньше первого. Ступенчатое уменьшение Ф в имеет преимущество перед прямым пуском по энергетическим показателям и по времени запуска. КПД = 0,467 . Время запуска 1,1Т м .
Изменение уровня магнитного потока может быть достигнуто за счет шунтирования части последовательной обмотки возбуждения или отключения параллельной обмотки возбуждения .
Плавное уменьшение потока возбуждения стартера при постоянном напряжении питании.
 Рис. 4. Потребляемый стартером ток, поток возбуждения и скорость вращения стартера
| На первом этапе запуска поток сохраняет неизменное значение, пока частота вращения не достигнет значения n 1 . На втором этапе с ростом частоты вращения поток возбуждения уменьшают. Закон изменения потока выбирается таким образом, чтобы при нарастании угловой скорости обеспечивалось бы постоянство противоЭДС машины: Е =с 0 Фn . Ток якоря в процессе регулирования остается также постоянным: I =(U ном -E )/R . Отклонение тока якоря от заданного значения воздействует на цепь обмотки возбуждения и ток возбуждения изменяется таким образом, чтобы ток якоря снова вернулся к требуемому уровню. |
Плавные изменения магнитного потока в процессе запуска осуществляется с помощью угольного регулятора тока типа типа РУТ. В отличие от угольного регулятора напряжения (УРН), в РУТ электромагнитные усилия не растягивают, а сжимают угольный столб .
При кратности изменения магнитного потока Ф 1 /Ф 2 =2.5 КПД=0.603, время запуска 1.17Т м .
Способ управления электростартером с плавным изменением магнитного потока сложнее других способов, так как требует наличия регулятора тока, а стартер должен быть сконструирован так, чтобы обеспечить нужные пределы изменения магнитного потока .
Этот способ дает самый высокий КПД процесса запуска, почти вдвое превышающий КПД процесса прямого запуска, и равномерное потребление тока .
Ступенчатое повышение напряжения на якоре стартера.
Пример двухступенчатого повышения напряжения .
В качестве источника питания электростартера используются две аккумуляторные батареи. На первом этапе запуска они соединены параллельно. Когда скорость вращения достигнет значения n 1 , батареи переключаются с параллельного соединения на последовательное, что увеличивает напряжение питания электростартера вдвое (при схеме запуска 24/48 с 24В до 48В ). Возникает новый бросок тока, возрастает ускорение стартера, скорость продолжает нарастать.
Для двухступенчатого изменения напряжения питания:
КПД запуска 0,425 ;
Время запуска 1,55Т м .
5) Плавное повышение напряжения на якоре стартера.
Прямой пуск стартера имеет наихудшие показатели качества и в настоящее время практически не используется. Наиболее высокие показатели получаются в системах с плавным повышением напряжения источника и с автоматической регулировкой тока стартера.
В реальных системах часто используют комбинации различных способов управления электростартерами .
8.10. Типы электростартеров
Электростартеры разделяются на электростартеры прямого действия, стартер-генераторы и электростартеры косвенного действия.
1) Стартеры прямого действия (например, СТ-2, СТ-2-48, СТ-2-48В, СТ-3ПТ и др.) представляют собой четырехполюсные электродвигатели смешанного возбуждения мощностью от 3 до 7 кВт .
2) Стартер-генераторы. Стартер-генератор работает во время запуска реактивного двигателя как стартер (в двигательном режиме), а когда реактивный двигатель запустится, переводится в генераторный режим и, получая механическую энергию от ГТД, работает как источник электроэнергии на борту самолета.
Стартер-генераторы используются на самолетах, где первичным является постоянный ток и мощность генераторов достаточна для их использования в качестве стартера .
Пример стартер-генератора: ГСР-СТ-12/40 – генератор самолетный с раcширенным диапазоном частот вращения, работающий в качестве стартер-генератора мощностью 12 кВт в генераторном режиме и 40 кВт в стартерном режиме (используется на МиГ-29, правда, только в генераторном режиме) .
При применении стартер-генератора достигается значительная экономия в весе, по сравнению со случаем отдельного применения на борту стартера и генератора.
Рис. 7. Структурная схема запуска с использованием стартер-генератора
Назначение элементов схемы.
Редуктор уменьшает скорость вращения вала авиадвигателя по отношению к скорости вращения вала стартера. Поскольку передаваемая мощность с учетом потерь в редукторе уменьшается незначительно, происходит увеличение момента, что необходимо для начального трогания авиадвигателя. Передаточное отношение редуктора – около 3.
ЦХМ - центробежная храповая муфта.
ОМ – обгонная муфта.
Назначение муфт – передача момента только в одном направлении.
Назначение обгонной муфты состоит в передаче момента от авиадвигателя к стартеру. В режиме стартера муфта находится в расцепленном состоянии, а в режиме генератора – в сцепленном.
Назначение ЦХП состоит в передаче момента от стартера к авиадвигателю. В режиме стартера муфта находится в сцепленном состоянии, а в режиме генератора – в расцепленном .
В двигательном режиме энергия передается от стартера через редуктор при сцепленной центробежной храповой муфте. Обгонная муфта находится в расцепленном состоянии. Передаточное отношение 3.
В генераторном режиме энергия передается от авиадвигателя к генератору при расцепленной ЦХМ и сцепленной обгонной муфте. Передаточное отношение 1 .
Направление вращения валов стартера и авиадвигателя в обоих режимах одинаково. Противоположно направление передачи энергии.
Выбор различных передаточных отношений в стартерном и генераторном режимах обуславливается стремлением получить приблизительно одинаковые максимальные скорости вращения вала стартер-генератора в обоих режимах: в режиме стартера, в котором авиадвигатель вращается медленно, и в режиме генератора, когда авиадвигатель вращается с большой скоростью. При выполнении этого условия удается наилучшим образом использовать стартер-генератор как электрическую машину .
Стартер-генераторы, выпускаемые ОАО «Энергомашиностроительный завод» «Лепсе»
| ГС-12ТОК Стартерный режим Напряжение питания от 20 до 30В Средний потребляемый ток 600 А Частота вращения вала в момент отключения, не более – 3000 об/мин Генераторный режим Выходное напряжение от 26,5 до 30В Ток нагрузки 400 А Мощность при U=30В – 12 кВт Диапазон изменения частоты вращения от 5680 до 7000 об/мин Габариты 200х355 мм Масса 31 кг | СТГ-6м Стартерный режим Нагрузочный момент 6 кгс*м Напряжение питания 30 В Потребляемый ток 300 А Генераторный режим Выходное напряжение 28,5 В Ток нагрузки 200А Мощность 6кВт Частота вращения 4500-8500 об/мин Режим работы – продолжительный с принудительным продувом Габариты 190х415 мм Масса 27,5 кг |
3) Стартеры косвенного действия обеспечивают запуск турбостартера, который в свою очередь обеспечивает раскрутку ротора авиадвигателя, Наибольшее распространение получили электростартеры типа СА (например, СА-189Б), представляющие собой двухполюсные электродвигатели постоянного тока, последовательного возбуждения, мощностью 1000-1500 Вт .
8.11. Сравнение различных способов запуска
Основными способами запуска газотурбинного авиационного двигателя являются:
1) Электрический запуск. Осуществляется стартерами прямого действия или стартер-генераторами - ГС, ГСР-СТ, СТГ. В качестве источника энергии используются бортовые аккумуляторные батареи или бортовая турбогенераторная установка (автономный запуск), а также аэродромные источники в виде аккумуляторных тележек или автомобильных передвижных агрегатов .
2) Турбостартерный запуск. Осуществляется сравнительно небольшим газотурбинным пусковым двигателем (турбостартером), установленным на авиадвигателе и имеющим с ним непосредственную кинематическую связь , который, в свою очередь, запускается электростартером . Применяется на МиГ-29 – ГТДЭ .
Основным источником энергии является топливо, поступающее в турбостартер. Для питания электростартера используется энергия аккумуляторной батареи или другого источника .
Достигается высокая мощность при малом расходе энергии.
Особенностью турбостартеров является то, что они могут развить номинальную мощность только при достаточно высокой скорости вращения компрессора и турбины, разгон которой должен совершаться без нагрузки .
3) Пневматический запуск. Для запуска используется небольшая воздушная турбина или сжатый воздух подается к лопаткам турбины авиадвигателя. Источником энергии являются баллоны со сжатым воздухом или компрессорная установка. Сжатый воздух подается либо от аэродромного источника, либо от бортового турбокомпрессора .
Пневмостартер состоит из пневматического двигателя, установленного на авиадвигателе для его запуска, и специального газотурбинного двигателя, подающего сжатый воздух на пневматический двигатель .
Этот способ менее распространен по сравнению с первыми двумя
Преимущества электрического запуска определяются общими достоинствами электрического привода: простота управления, легкость автоматизации, надежность, быстрота пуска. Важно и то, что электрический запуск не требует специальных источников питания; для него используются существующие источники, необходимые в качестве резерва или работы самолетных систем в аварийных режимах или на стоянке. К этим источникам относятся аккумуляторные батареи и вспомогательные силовые установки .
Недостатком электростартеров является увеличение их массы с ростом мощности. Применение стартер-генераторов позволяет снизить массу, приходящуюся на стартерную часть системы запуска, так как в качестве стартера используется генератор, необходимый для электроснабжения .
Электростартер применяется, если требуется малая пусковая мощность: на поршневых самолетах; на легких реактивных самолетах; для запуска газотурбинных двигателей турбостартеров и пневмостартеров .
Турбостартеры и пневмостартеры.
Достоинства:
1) Высокая надежность запуска: пусковой двигатель может длительно подкручивать вал авиадвигателя .
2) Обеспечивается многократность запуска, т.к. для питания собственно электростартера пускового двигателя требуется небольшой ток аккумуляторной батареи, а запас топлива неограничен .
Преимущество пневмостартера перед турбостартером заключается в том, что один газотурбинный двигатель является источником энергии для нескольких авиадвигателей, которые запускаются поочередно. Возможен и такой вариант, при котором специальный газотурбинный двигатель запускает один авиадвигатель; воздух для запуска остальных отбирается от работающего авиадвигателя. При таком запуске энергия может быть подана и от наземного источника. Все это позволяет снизить массу и расход топлива по сравнению с турбостартерным запуском .
Недостатки:
1) Увеличенное время запуска: сначала необходимо при помощи электростартера запустить турбостартер или газотурбинный двигатель, а затем уже авиадвигатель.
2) Сложность устройства .
Газотурбинные двигатели применяются на самолетах, на которых первичным источником электроэнергии являются генераторы переменного тока или бесконтактные генераторы постоянного тока (поскольку эти машины нельзя использовать в качестве стартера?), а также для запуска мощных авиадвигателей при невозможности их питания от аккумуляторных батарей (так как аккумуляторные батареи должны иметь большую массу). Впервые в мире такие стартеры были применены на самолете Ту-104. Турбостартерный запуск целесообразен на многомоторных (3 и более мотора) самолетах независимо от типа первичных источников электроэнергии, при пусковых мощностях выше 22-30 кВт .
Для запуска поршневых авиационных двигателей использовались электроинерционные стартеры. Стартер в течение 10-20 секунд раскручивает специальный маховик, обладающий большим моментом инерции, сообщая ему запас кинетической энергии, достаточный для запуска авиадвигателя. После сцепления маховика с коленчатым валом маховик отдает запасенную в нем энергию примерно в течение 3-4 секунд. Таким образом, мощность, отдаваемая при торможении маховика, в несколько раз больше мощности, потребленной при его раскрутке .
8.12. Электростартеры переменного тока .
В качестве стартеров переменного тока принципиально могут использоваться асинхронные электростартеры и синхронные стартер-генераторы.
8.12.1.Асинхронные электростартеры
Асинхронные двигатели при использовании их в качестве электростартеров обладают следующими недостатками:
1) Кратность пусковых моментов по отношению к номинальным у АД значительно ниже, чем у стартеров постоянного тока .
2) При пуске асинхронных стартеров возникают большие реактивные токи, превышающие номинальный ток в 3-5 раз .
Большие пусковые токи приводят снижению напряжения в момент запуска и заставляет выбирать номинальную мощность генератора, питающего стартер, значительно превышающую номинальную мощность стартера. Если допустить, чтобы напряжение снижалось не более чем на 10% против номинального, то отношение номинальных мощностей генератора и стартера должно быть не меньше 6,5. Если допустить значительное снижение напряжения во время запуска, то отношение мощностей можно уменьшить до 2,5. Все это влечет за собой увеличение массы генераторов и аппаратуры управления и является основным препятствием к использованию АД в качестве стартеров в военной авиации, где запуск должен быть автономным .
3) Невозможность использования АД в качестве стартер-генератора .
8.12.2. Синхронные стартер-генераторы
Запуск авиадвигателя от синхронного стартер-генератора может выполняться, например, по следующей схеме.
Во время подготовки к запуску авиадвигателя запускается бортовой турбогенератор, состоящий из газовой турбины и генератора переменного тока, питающий стартер-генератор СТГ. При запуске турбогенератора происходит асинхронный разгон вхолостую невозбужденного СТГ, имеющего короткозамкнутую демпферную обмотку. На валу СТГ установлен дифференциально-тормозной привод, состоящий из дифференциального редуктора и электродинамического тормоза. Авиадвигатель на первом этапе неподвижен, а скорость вращения тормоза увеличивается одновременно с увеличением скорости СТГ.
Когда скорость СТГ достигнет значения, близкого к синхронному, производится синхронизация турбогенератора и СТГ, которые образуют друг с другом синхронный электрический вал. Эти две машины вращаются со строго одинаковыми скоростями, а механическая нагрузка на валу СТГ вызывает их расхождение по углу, которое можно сравнить с деформацией кручения обычного вала.
Передача крутящего момента на вал авиадвигателя достигается возбуждением тормоза. Скорость тормоза падает, а скорость авиадвигателя постепенно нарастает. Скорость СТГ сохраняет неизменное значение.
Недостатком способа управления запуском при постоянной частоте являются большие потери в тормозе. Потери могут быть снижены, если использовать синхронный вал при переменной скорости вращения. Для этого перед запуском авиадвигателя устанавливают пониженную скорость вращения турбогенератора. В результате этого тормоз и СТГ разгоняются до меньшей скорости. Синхронизация и формирование синхронного вала происходят при пониженной частоте. Как показали исследования, синхронный вал способен передавать почти полный крутящий момент уже при скорости, составляющей около 25% от номинальной. Так же, как и в предыдущем случае, процесс разгона авиадвигателя начинается возбуждением тормоза.
Третий этап запуска протекает также, но скорость, которую имеет турбина авиадвигателя к концу третьего этапа, недостаточна для его запуска. Необходимое повышение скорости осуществляется путем увеличения скорости вращения турбогенератора. на последнем этапе запуска скорости СТГ и авиадвигателя повышаются, а скорость тормоза остается неизменной. Благодаря тому, что скорости вращения тормоза значительно ниже, чем при постоянной скорости синхронного вала, потери в тормозе и его нагрев снижаются, а КПД процесса запуска увеличивается.
В генераторном режиме управление скоростью вращения СТГ также производится путем изменения тока возбуждения тормоза, что дает возможность получить постоянство скорости вращения СТГ при изменениях скорости вращения авиадвигателя и изменениях нагрузки СТГ
Литература.
1. Б.А.Ставровский, В.И.Панов. Автоматизированный электропривод летательных аппаратов. Киев. 1974. 392с.
2. Д.Н.Сапиро. Электрооборудование самолетов. М., «Машиностроение», 1977, 304с.
3. Д.Э.Брускин. Электрооборудование самолетов. М.Л., «Государственное энергетическое издание», 1956, 336с.
4. http://www.airwar.ru/breo/sz.html
5. Г.С.Скубачевский. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. М.: машиностроение, 1981, 550с.
6. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов. Теория, конструкция и расчет/ В.И.Локай, М.К.Максутова, В.А.Стрункин. – М.: Машиностроение, 1991, 512с.
7. Боргест Н.М., Данилин А.И., Комаров В.А. Краткий словарь авиационных терминов/ Под ред.В.А.Комарова. – М.: Изд-во МАИ, 1992, 224с.
Для запуска газотурбинных двигателей, имеющих большие *п}ги (мощности), применяются системы с турбостартерами. Последние представляют собой малогабаритные высокооборотиые газотурбинные двигатели. Турбостартеры имеют обычно центробежные компрессоры, приводимые в действие одно — или двухступенчатыми турбинами, и отличаются между собой типом и формой камер сгорания, способом передачи крутящего момента на вал запускаемого двигателя, размерами и техническими характеристиками.
Передача крутящего момента от турбостартера к двигателю может осуществляться либо при помощи различных муфт (в том числе и гидравлических), либо за счет газовой связи между двумя турбинами. В последнем случае одна из турбин устанавливается на
ротор стартера, а другая дол жиа быть связана с ротором запускаемого двигателя При запуске двигателя стартером, не имеющим кинематической связи с запускаемым двигателем, турбокомпрессор стартера основную часть времени работает на остановившемся режиме (кроме времени разгона), а турбина, установленная на запускаемом двигателе, работает при непрерывно увеличивающейся частоте вращения, обеспечивая плавную раскрутку ротора двигателя Расход газа при этом через стартовую турбину остается постоянным, а крутящий момент при увеличении частоты вращения уменьшается (кривая 1 на рис 15.6) У турбостартеров, имеющих кинематическую связь с ротором двигателя (гидромуфту), величина крутящего момента при изменении частоты вращения остается постоянной (кривая 2 на рис. 15.6), что обеспечивается топливным насосом-регулятором турбостартера.
К достоинствам систем запуска с газотурбинными стартерами следует отнести- возможность получения при сравнительно небольших габаритах и массе стартера значительной мощности, многократных автономных запусков, что объясняется малыми расходами электроэнергии и пускового топлива. Одиако по надежности работы эти системы запуска, как правило, уступают электрическим. Усложняется и техническое их обслуживание. Объясняется это многообразием агрегатов л сложностью систем запуска в цепом Вся система запуска по существу включает две системы: систему
запуска турбостартера и вывода его на режим рабочей частоты вращения и систему запуска основного двигателя. Система автоматического регулирования процесса запуска двигателя управляет агрегатами многих систем: топливной, масляной, электрической, пневматической и др. Автоматическое регулирование осуществляется по частоте вращения. Так как процессы запуска турбостартера и основного двигателя совершаются последовательно, то общий цикл запуска продолжается обычно не менее 2 мин.
Запуск двигателя турбостартером осуществляется в следующей последовательности (рис 15.7) При нажатии на кнопку запуска 14 ток от бортовой сета через реле максимальных оборотов 13 поступает к электростартеру 1 и одновременно к пусковой катушке и свечам 12 турбостартера 2 Электростартер вступает в работу, начинает вращать ротор турбостартера 2, а следовательно, и топливный насос-регулятор (ТНР) Ю Последний через открытый клапан 11 подает топливо из бачка 15 к форсункам пускового блока, где оно поджигается, в результате чего соадается пусковой факел пламени. По мере повышения частоты вращения ротора турбостартера, а следовательно, я ТНР повышается давление топлива, в результате чего вступают в работу основные (рабочие) форсунка. С этого момента начинает работать турбина, и дальнейшая прокрутка ротора стартера некоторое время продолжается совместно электростартером и турбиной При достижении заданной частоты. вращения. ротора турбостартера реле махсл-
рис 157 Блок-схема системы запуска с турбостартером
мйльиых оборотов ІЗ отключает электростартер и систему зажигания 12 Дальнейшая прокрутка ротора турбостартера до «выхода на рабочий режим производится турбиной. Гидромуфта 3 при определенной частоте вращения постепенно вхлючаясь, обеспечивает сцепление ротора турбостартера и ротора основного двигателя С ротором двигателя жестко соединен тахогенератор 6 напряжение которого пропорционально частоте вращения ротора ГТД
Дальнейший процесс запуска двигателя автоматически правляется при по мощи тахогенератора и коробки реле 7 Тахогенератор по мере увеличения час тоты вращения ротора ГТД повышает создаваемое им напряжение и при дости женин заданных его значений срабатывают определенные реле в коробке 7 ко торые подают соответствующие команды на исполнительные элементы агрегатов системы запуска На ‘первом этапе прокрутки ротора ГТД включается система зажигания 8 «и топливная пусковая система 9 При этом создаются в камерах сгорания пусковые факелы тамени Несколько позже тотнвнын автомат эзпус ка 5 начинает подавать топливо к рабочим форсункам, дозируя его по величине давления воздуха за компрессором Турбина основного двигателя вступает в ра боту, и дальнейший процесс прокрутки ротора производится совместно с турбо стартером. На этом этапе запуска двигателя уже отпадает надобность в работе пусковой системы. Поэтому реле коробки 7 при достижении задаиной чзстош вращения ротора двигателя отключает топливную пусховую систему, г затем с некоторым интервалом отключает и систему зажигания Последняя отключается позже с целью обеспечения «необходимого временя для тренировке свечей, что создает более благоприятные условия для последующего запуска Когда мощность турбины возрастает до такой величины, при которой от падает надобность в работе турбостартера, последний отключается. В этом слу чае от реле «коробки 7 подается команда на закрытие клапана // гоплкэвого «V соса-регулятора Дальнейшее увеличение частоты вращения ротора двигатели н вывод его иа режим малого газа обеспечивается за счет собственной турбюш.
Газотурбинный двигатель содержит электрический стартер-генератор, ротор которого приводится во вращение валом компрессора высокого давления и статор которого установлен на промежуточном картере газотурбинного двигателя. Стартер-генератор закрыт герметичным корпусом, установленным в переднем отсеке газотурбинного двигателя, который находится внутри промежуточного картера и который содержит масло. В герметичный корпус стартера-генератора подается воздух под давлением. Герметичный корпус содержит первые средства соединения с электрическими кабелями, проходящими в конструктивных стойках промежуточного картера. При этом первые средства соединения являются герметичными и расположены внутри камеры, ограниченной корпусом и промежуточным картером и питаемой воздухом под давлением. Стартер-генератор содержит наружный цилиндрический элемент, образующий опору статора, внутренний цилиндрический элемент, коаксиальный с наружным цилиндрическим элементом и образующий опору ротора, и кольцевые крышки, закрепленные на осевых концах наружного цилиндрического элемента и взаимодействующие с внутренним цилиндрическим элементом. На наружном цилиндрическом элементе корпуса установлены изогнутые средства соединения обмоток статора с электрическими кабелями, выходящие в осевом направлении наружу корпуса. Изобретение направлено на облегчение установки и демонтажа встроенного стартера-генератора и упрощение его соединения с электрическими кабелями питания или распределения тока. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 ил.
Настоящее изобретение касается газотурбинного двигателя, такого как авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель, оборудованного электрическим генератором, образующим стартер и установленным в газотурбинном двигателе в осевом направлении, а также стартера-генератора для газотурбинного двигателя такого типа.
В патенте ЕР-А-1382802 предложен газотурбинный двигатель, оборудованный встроенным стартером-генератором, при этом стартер-генератор установлен в отверстии одного или нескольких дисков с подвижными лопатками компрессора газотурбинного двигателя.
Задачей настоящего изобретения является, в частности, усовершенствование такого типа газотурбинного двигателя за счет облегчения установки и демонтажа встроенного стартера-генератора и упрощения его соединений с электрическими кабелями питания или распределения тока.
В этой связи объектом изобретения является газотурбинный двигатель, содержащий электрический стартер-генератор, ротор которого приводится во вращение валом компрессора высокого давления и статер которого установлен на промежуточном картере газотурбинного двигателя, при этом стартер-генератор закрыт герметичным корпусом, установленным в переднем отсеке газотурбинного двигателя, который находится внутри промежуточного картера и который содержит масло, при этом в герметичный корпус стартера-генератора подается воздух под первые средства соединения с электрическими кабелями, проходящими в конструктивных стойках промежуточного картера, при этом первые средства соединения являются герметичными и расположены внутри камеры, ограниченной корпусом и промежуточным картером и питаемой воздухом под давлением.
Расположение в соответствии с изобретением стартера-генератора в переднем отсеке газотурбинного двигателя между компрессором низкого давления и компрессором высокого давления позволяет устанавливать и снимать стартер-генератор путем осевого поступательного перемещения с передней части газотурбинного двигателя, что облегчает операции обслуживания и сокращает их продолжительность.
Кроме того, такое расположение позволяет прокладывать в конструктивных стойках промежуточного картера электрические кабели, соединенные со стартером-генератором, которые являются жесткими кабелями относительно большого сечения.
Поскольку этот передний отсек газотурбинного двигателя содержит масло, установленный в этом отсеке стартер-генератор помещен в герметичный корпус.
Для облегчения электрических соединений стартера-генератора с электрическими кабелями питания/распределения тока этот герметичный корпус окружен камерой, ограниченной промежуточным картером и корпусом и питаемой воздухом под давлением, при этом воздух под давлением может подаваться в герметичный корпус через выполненные в нем впускные отверстия для создания в корпусе высокого давления воздуха, препятствующего попаданию масла.
Герметичный корпус содержит первые средства соединения с электрическими кабелями, проходящими в стойках промежуточного картера, причем эти первые средства соединения герметично проходят через стенку корпуса и расположены внутри камеры, питаемой воздухом под давлением.
Эти первые средства соединения соединены снаружи корпуса со вторыми средствами соединения, герметично проходящими через стенку камеры, питаемой воздухом под давлением, и выходящими наружу этой камеры.
Соединения между первыми средствами соединения, содержащимися в герметичном корпусе, и вторыми средствами соединения находятся, таким образом, в камере, питаемой воздухом под давлением, и защищены от масла, содержащегося в переднем отсеке газотурбинного двигателя.
Предпочтительно первые средства соединения расположены внутри этой камеры параллельно оси ротора и соединены штепсельными разъемами со вторыми средствами соединения.
Это позволяет осуществлять вслепую установку стартера-генератора в газотурбинном двигателе, и электрические соединения реализуются автоматически во время этой установки.
В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения герметичный корпус стартера-генератора содержит наружный цилиндрический элемент, который образует опору статора стартера-генератора и на котором установлены первые средства соединения, внутренний цилиндрический элемент, образующий опору ротора стартера-генератора, и переднюю и заднюю кольцевые крышки, закрепленные на концах наружного цилиндрического элемента и герметично взаимодействующие с внутренним цилиндрическим элементом через вращающиеся прокладки.
Стартер-генератор в соответствии с настоящим изобретением и его герметичный корпус имеют модульную конструкцию, облегчающую их установку и демонтаж и, кроме того, при операциях обслуживания позволяющую извлекать из переднего отсека внутренний цилиндрический элемент с ротором стартера-генератора, оставляя при этом на месте наружный цилиндрический элемент со статором стартера-генератора.
Объектом настоящего изобретения является также стартер-генератор для газотурбинного двигателя вышеописанного типа, содержащий герметичный корпус, содержащий наружный цилиндрический элемент, образующий опору статора, внутренний цилиндрический элемент коаксиальный с наружным цилиндрическим элементом и образующий опору ротора, и кольцевые крышки, закрепленные на осевых концах наружного цилиндрического элемента и взаимодействующие с внутренним цилиндрическим элементом через вращающиеся прокладки, отличающийся тем, что наружный цилиндрический элемент корпуса содержит изогнутые средства соединения обмоток статора с электрическими кабелями, выходящие в осевом направлении наружу корпуса.
Наружный цилиндрический элемент корпуса содержит кольцевую стенку крепления на промежуточном картере газотурбинного двигателя, а внутренний цилиндрический элемент корпуса содержит кольцевой фланец крепления на приводном валу вращения.
В этом стартере-генераторе внутренний цилиндрический элемент содержит средства крепления постоянных магнитов, а наружный цилиндрический элемент содержит средства крепления обмоток.
Оба цилиндрических элемента содержат каналы для циркуляции охлаждающего масла.
Настоящее изобретение и его другие отличительные признаки будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 представляет частичный схематичный вид в осевом разрезе газотурбинного двигателя в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.2 - частичный схематичный вид в осевом разрезе в увеличенном масштабе стартера-генератора, установленного в переднем отсеке газотурбинного двигателя;
Фиг.3 - увеличенный вид средств электрического соединения этого стартера-генератора;
Фиг.4 - вид этих средств соединения в отключенном положении;
Фиг.5 - схематичный вид средств электрического соединения стартера-генератора с силовыми электронными схемами.
На фиг.1 схематично показан промежуточный картер 10 газотурбинного двигателя, такого как двухконтурный турбореактивный двигатель, при этом промежуточный картер находится между компрессором низкого давления, расположенным в передней части и связанным с вентилятором, и компрессором высокого давления, расположенным в задней части и питающим камеру сгорания газотурбинного двигателя.
Промежуточный картер 10 содержит конструктивные стойки 12, которые выполнены радиально в первичном контуре 14 и во вторичном контуре 16 и на наружных концах которых установлен обтекатель вентилятора газотурбинного двигателя.
Промежуточный картер 10 ограничивает изнутри передний отсек 18, в котором установлены передний конец вала 20 компрессора высокого давления и направляющий опорный подшипник 22 этого вала, при этом через отсек 18 в осевом направлении проходит вал 24 турбины, передняя часть которого образует приводной вал для компрессора низкого давления газотурбинного двигателя.
Электрический генератор 26, который может работать также в качестве стартера, установлен в герметичном корпусе 28 внутри отсека 18 и содержит ротор 30, вращаемый валом 20 компрессора высокого давления, и статор 32, установленный на промежуточном картере 10, при этом ротор 30 содержит постоянные магниты, вращающиеся внутри электрических обмоток статора 32.
Эти обмотки соединены с электрическими проводниками 34 распределения тока (работа в режиме генератора) и питания током (работа в режиме стартера), проложенными в конструктивных стойках 12 промежуточного картера 10. Эти проводники соединяют стартер-генератор 26 с силовыми электронными схемами 36, установленными внутри обтекателя вентилятора на выходе промежуточного картера 10.
Электрические проводники 34 являются жесткими кабелями относительно большого сечения (например, порядка 50 мм 2), которые очень трудно или невозможно сгибать и которые следуют вдоль прямолинейных траекторий в конструктивных стойках 12 промежуточного картера. Эти проводники 34 соединены со стартером-генератором 26 и с электронной схемой 36 при помощи изогнутых средств соединения, которые включают первые средства 38 соединения, установленные в герметичном корпусе 28 стартера-генератора 26, вторые средства 40 соединения, установленные в кольцевой стенке 42 промежуточного картера, ограничивающей изнутри первичный контур 14 и охватывающей снаружи передний отсек 18, и третьи средства 44 соединения, установленные на наружных концах конструктивных стоек 12.
В варианте выполнения для соединения стартера-генератора 26 с электронными схемами 36 предусмотрены четыре комплекта первых, вторых и третьих средств 38, 40 и 44 соединения, причем эти четыре комплекта отстоят друг от друга на 90° вокруг оси А газотурбинного двигателя, при этом каждое из третьих средств 44 соединения соединено проводниками вышеуказанного типа с силовыми электронными схемами 36.
Как показано на фиг.2, корпус 28 стартера-генератора 26 содержит внутренний цилиндрический элемент 46, на котором установлены постоянные магниты, образующие ротор 30 стартера-генератора и который установлен с возможностью осевого перемещения на опорном валу 48, установленном на переднем конце вала 20 компрессора высокого давления, при этом корпус 28 содержит также наружный цилиндрический элемент 50, коаксиальный с внутренним цилиндрическим элементом 46, с установленным на нем статором 32 стартера-генератора и переднюю 52 и заднюю 54 кольцевые крышки, закрепленные на осевых концах наружного цилиндрического элемента 50 и герметично взаимодействующие через вращающиеся прокладки 56 с осевыми концами внутреннего цилиндрического элемента 46.
Передний конец внутреннего цилиндрического элемента 46 содержит внутренний кольцевой фланец 58 крепления при помощи винтов на опорном валу 48, неподвижно соединенном с валом 20 компрессора высокого давления. Передняя кольцевая крышка 52 крепится при помощи винтов, доступных спереди, на переднем конце наружного цилиндрического элемента 50 корпуса 28.
В наружном элементе 50 выполнены каналы 60 циркуляции охлаждающего масла, питаемые маслом с переднего конца через трубопровод, соединенный с масляной магистралью, проходящей в отсеке 18. Своими задними концами каналы 60 соединены с системой смазки переднего направляющего опорного подшипника 22 вала 20.
Каналы 66 циркуляции охлаждающего масла выполнены также во внутреннем цилиндрическом элементе 46 и выходят задним концом в отсек 18 со стороны опорного подшипника 22.
Наружный цилиндрический элемент 50 корпуса 28 содержит наружную кольцевую стенку 68 крепления при помощи винтов на кольцевой стенке 42 промежуточного картера 10, при этом кольцевая стенка 68 ограничивает вокруг наружного цилиндрического элемента 50 камеру 70, закрытую с задней стороны кольцевой стенкой 72, связанной с кольцевой стенкой 42 и заканчивающейся на своей внутренней периферии цилиндрической опорной поверхностью, в которую герметично заходит задний конец наружного цилиндрического элемента 50 корпуса 28.
Камера 70, окружающая наружный цилиндрический элемент 50, питается воздухом под давлением из первичного контура 14 через отверстия кольцевой стенки 42, которые выходят в камеру 70. Каналы, выполненные в наружном цилиндрическом элементе 50, выходят внутрь корпуса 28 и подают воздух под давлением внутрь этого корпуса вокруг стартера-генератора, чтобы помешать попаданию масла в корпус 28 из переднего отсека 18 газотурбинного двигателя.
Как показано на фиг.3 и 4, первые средства 38 соединения, установленные в герметичном корпусе 28, и вторые средства 40 соединения, установленные в кольцевой стенке 42 промежуточного картера, выходят в камеру 70 таким образом, чтобы не допустить любого загрязнения электрических соединений между этими средствами соединения маслом, содержащимся в отсеке 18.
В частности, первые средства 38 соединения содержат трубку 74, изогнутую под углом 90° и неподвижно соединенную с наружным цилиндрическим элементом 50 корпуса, при этом изогнутая трубка 74 выходит внутрь корпуса 28 своим радиально внутренним концом и со своего радиально наружного конца закрыта соединителем 76, образующим розетку, закрепленную при помощи винтов на наружном конце трубки 74.
В представленном примере соединитель 76 содержит цоколь из диэлектрического материала, в котором установлены три трубчатых проводника 78, в передние концы которых заходят три проводника 80, соединенные с обмотками статора стартера-генератора, и в задние концы которых должны заходить штырьки 82, установленные в цоколе 84 из диэлектрического материала штепсельного соединителя 86, являющегося частью вторых средств 40 соединения.
Проводники 78 розетки первых средств 38 соединения расположены параллельно оси стартера-генератора 26 так же, как и штырьки 82 штепсельного разъема вторых средств соединения, и находятся на одной линии в осевом направлении с этими штырьками. Размер цоколя 84 штепсельного разъема вторых средств 40 соединения определяют таким образом, чтобы он плотно заходил в розеточный цоколь 76 первых средств 38 соединения. Таким образом, когда наружный цилиндрический элемент 50 с первыми средствами 38 соединения устанавливают на место путем осевого поступательного перемещения от входа к выходу, розеточный цоколь 76 заходит непосредственно на штепсельный цоколь 84 и соединители 76 и 86 автоматически соединяются друг с другом, при этом штырьки 82 заходят в трубчатые проводники 78 соединителя 76.
Во время демонтажа стартера-генератора 26, наоборот, осевое поступательное перемещение наружного цилиндрического элемента 50 от выхода к входу автоматически приводит к разъединению соединителей 76 и 84, как показано на фиг.4.
Вторые средства 40 соединения установлены в кольцевой стенке 42 промежуточного картера 10 и герметично проходят через эту стенку. В основном они состоят из описанного выше штепсельного соединителя 86, который проходит от стенки 42 внутрь камеры 70, и розеточного соединителя 76, идентичного розеточному соединителю первых средств 38 соединения и выходящего наружу кольцевой стенки 42 в первичный контур 14. Оба соединителя 86 и 76 вторых средств 40 соединения соединены между собой наружными кольцевыми фланцами, закрепленными при помощи винтов на кольцевой стенке 42 промежуточного картера со стороны камеры 70.
В трубчатые проводники 78 соединителя 76 вторых средств 40 соединения заходят жесткие проводники 88, в количестве трех, которые установлены в экранирующей оболочке 90 и проходят радиально наружу внутри стойки 12 промежуточного картера.
Своими радиально наружными концами эти проводники 88 соединены (фиг.5) при помощи третьих средств 44 соединения и проводников 34 с силовыми электронными схемами 36, показанными на фиг.1.
Третьи средства 44 соединения содержат трубку 92, изогнутую под углом 90°, на концах которой установлены розеточные соединители 76 описанного выше типа, соединенные между собой внутри трубки 92 при помощи проводников 94.
Установку стартера-генератора производят в следующем порядке:
Сначала на вал компрессора высокого давления газотурбинного двигателя устанавливают опорный вал 48 ротора стартера-генератора;
Затем путем осевого поступательного перемещения от входа к выходу устанавливают на место наружный цилиндрический элемент 50 с задней крышкой 54 и его наружную кольцевую стенку 68 закрепляют на промежуточном картере; электрическое соединение между первыми и вторыми средствами 38, 40 соединения происходит автоматически, как и соединение масляного трубопровода для смазки опорного подшипника 22;
После этого производят соединение средств подачи масла в каналы 60 наружного цилиндрического элемента 50;
Затем путем осевого поступательного перемещения в направлении от входа к выходу устанавливают внутренний цилиндрический элемент 46 с ротором 30 стартера-генератора и его кольцевой фланец 58 закрепляют винтами или болтами на опорном валу 48;
После этого устанавливают на место переднюю крышку 52 и закрепляют ее при помощи винтов на наружном цилиндрическом элементе 50.
Стартер-генератор в соответствии с настоящим изобретением имеет следующие преимущества:
Его модульная конструкция облегчает его установку и демонтаж в газотурбинном двигателе;
Статор стартера-генератора, установленный на наружном цилиндрическом элементе 50, может оставаться неподвижным на промежуточном картере во время демонтажа вала компрессора высокого давления в ходе операций обслуживания;
Средства электрического соединения стартера-генератора расположены в находящемся под давлением воздушном отсеке снаружи переднего отсека 18 газотурбинного двигателя;
Соединительные электрические кабели 34 защищены внутри конструктивных стоек 12 промежуточного картера;
Средства 38, 40, 42 соединения предварительно собраны и герметизированы и позволяют использовать экранированные кабели или проводники, которые являются жесткими и прямолинейными и которые нет необходимости сгибать;
Электрические соединения между первыми и вторыми средствами 38, 40 соединения производят вслепую с высокой степенью надежности путем осевого поступательного перемещения.
1. Газотурбинный двигатель, содержащий электрический стартер-генератор (26), ротор (30) которого приводится во вращение валом (20) компрессора высокого давления и статор (32) которого установлен на промежуточном картере (10) газотурбинного двигателя, отличающийся тем, что стартер-генератор (26) закрыт герметичным корпусом (28), установленным в переднем отсеке (18) газотурбинного двигателя, который находится внутри промежуточного картера и который содержит масло, при этом в герметичный корпус (28) стартера-генератора подается воздух под давлением, причем герметичный корпус (28) содержит первые средства (38) соединения с электрическими кабелями (34), проходящими в конструктивных стойках промежуточного картера, при этом первые средства соединения являются герметичными и расположены внутри камеры (70), ограниченной корпусом (28) и промежуточным картером и питаемой воздухом под давлением.
2. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что первые средства (38) соединения соединены снаружи корпуса (28) со вторыми средствами (40) соединения, герметично проходящими через стенку (42) камеры (70), питаемой воздухом под давлением, и выходящими наружу этой камеры в конструктивные стойки (12) промежуточного картера.
3. Газотурбинный двигатель по п.2, отличающийся тем, что первые средства (38) соединения расположены внутри камеры (70) параллельно оси ротора и соединены осевыми разъемами со вторыми средствами (40) соединения.
4. Газотурбинный двигатель по п.3, отличающийся тем, что снаружи корпуса первые средства (38) соединения содержат соединитель (76) розеточного типа, соединяемый с осевым штепсельным разъемом соединителя вторых средств (40) соединения.
5. Газотурбинный двигатель по п.2, отличающийся тем, что первые и вторые средства (38, 40) соединения выполнены изогнутыми.
6. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что герметичный корпус (28) содержит наружный цилиндрический элемент (50), который образует опору статора (32) стартера-генератора и на котором установлены первые средства (38) соединения, внутренний цилиндрический элемент (46), образующий опору ротора (30) стартера-генератора, и переднюю и заднюю кольцевые крышки (52, 54), закрепленные на концах наружного цилиндрического элемента (50) и герметично взаимодействующие с внутренним цилиндрическим элементом (46) через вращающиеся прокладки (56).
7. Газотурбинный двигатель по п.6, отличающийся тем, что наружный цилиндрический элемент (50) корпуса содержит кольцевую стенку (68) крепления на промежуточном картере и выполнен с возможностью установки и демонтажа путем осевого поступательного перемещения с передней части отсека (18).
8. Газотурбинный двигатель по п.6, отличающийся тем, что внутренний цилиндрический элемент (46) закреплен своим передним концом на опорном валу (48), вращаемом валом компрессора высокого давления, и выполнен с возможностью установки и демонтажа на этом валу путем осевого поступательного перемещения с передней части отсека (18).
9. Газотурбинный двигатель по п.6, отличающийся тем, что внутренний (46) и наружный (50) цилиндрические элементы корпуса охлаждаются циркуляцией масла.
10. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что герметичный корпус (28) содержит несколько первых средств (38) электрического соединения, соединенных осевым разъемом с несколькими вторыми средствами (40) соединения, установленными на промежуточном картере (10), и третьи средства (42) соединения, установленные на промежуточном картере (10), соединенные при помощи кабелей (34) с силовыми электронными схемами (36), установленными в обтекателе вентилятора газотурбинного двигателя.
11. Стартер-генератор для газотурбинного двигателя по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что содержит герметичный корпус (28), содержащий наружный цилиндрический элемент (50), образующий опору статора, внутренний цилиндрический элемент (46), коаксиальный с наружным цилиндрическим элементом и образующий опору ротора, и кольцевые крышки (52, 54), закрепленные на осевых концах наружного цилиндрического элемента (50) и взаимодействующие с внутренним цилиндрическим элементом (46) через вращающиеся прокладки (56), причем на наружном цилиндрическом элементе (50) корпуса установлены изогнутые средства (38) соединения обмоток статора (32) с электрическими кабелями, выходящие в осевом направлении наружу корпуса.
12. Стартер-генератор по п.11, отличающийся тем, что наружный цилиндрический элемент (50) корпуса содержит кольцевую стенку крепления на промежуточном картере газотурбинного двигателя.
13. Стартер-генератор по п.11, отличающийся тем, что внутренний цилиндрический элемент (46) содержит кольцевой фланец (58) крепления на приводном валу вращения.
14. Стартер-генератор по п.11, отличающийся тем, что внутренний цилиндрический элемент (46) содержит средства крепления постоянных магнитов, образующих ротор стартера-генератора, а наружный цилиндрический элемент (50) содержит средства крепления обмоток, образующих статор стартера-генератора.
15. Стартер-генератор по п.11, отличающийся тем, что внутренний (46) и наружный (50) цилиндрические элементы корпуса содержат каналы (60, 66) для циркуляции охлаждающего масла.
Похожие патенты:
В зависимости от требуемой мощности и условий применения используются различные стартеры, из которых наибольшее распространение получили три типа: электрический, газотурбинный и воздушный.
Электростартер (ЭСТ). Электростартер представляет собой электрический двигатель постоянного тока, питаемый от аккумуляторных батарей или от газотурбинной вспомогательной установки с электрогенератором. Ротор электростартера через зубчатую передачу соединяется при запуске с ротором двигателя. В электростартере при постоянном напряжении питания по мере увеличения n из-за уменьшения силы тока существенно понижается крутящий момент. Силу тока, а, следовательно, и крутящий момент при увеличении n можно повысить, увеличив напряжение питания. Для этого используют переключение аккумуляторных батарей с параллельной схемы на последовательную: в начале запуска осуществляют питание электростартера напряжением 24 В, а затем 48 В. В результате не возникает чрезмерно большой ток в начале запуска и увеличивается мощность стартера при повышенной n. Система питания 24/48 В несколько усложняет аппаратуру включения и приводит к более быстрой разрядке аккумуляторных батарей, но позволяет ускорить запуск.
Помимо электростартеров широкое применение нашли электрические стартеры-генераторы, которые на запуске работают как стартеры, а на основных режимах-как генераторы, приводимые от двигателей. Это позволяет иметь один электрический агрегат вместо двух и снизить массу системы. Электростартер, или стартер-генератор, состоит из двух основных узлов: неподвижного статора и вращающегося ротора-якоря.
Возможности электрических устройств сильно расширяются, если в качестве источника питания вместо батарей используется специальный энергоузел (вспомогательная силовая установка), состоящий из электрогенератора, вращаемого небольшим газотурбинным двигателем. Преимуществами подобного способа питания являются неограниченная возможность повторных запусков и уменьшение количества батарей; это во многих случаях оправдывает его недостатки-усложнение системы питания и более длительный запуск двигателя из-за необходимости предварительного вывода на рабочий ре энергоузла.. Роторы электростартера и двигателя соединяются через шестеренчатую передачу, служащую для согласованияих частот вращения. Чтобы соединять роторы при запуске и разъединять их после отключения питания стартера, эта передача включает механизм сцепления-осевую (или центробежную) храповую муфту или обгонную роликовую муфту. Расцепление муфты происходит после выключения электростартера, когда его частота вращения начинает уменьшаться, частота вращения ротора двигателя продолжает возрастать. Газотурбинные стартеры обеспечивают автономность системы запуска, не требуют мощных аккумуляторных батарей, не ограничивают возможную величину пусковой мощности и число последовательных запусков. Недостатком такой системы является ее удорожание, увеличение времени запуска из-за необходимости предварительного запуска и вывода на режим стартера, необходимость применения на каждом двигателе своего сложного и дорогого стартера со всеми его системами.
Воздушный турбостартер. Основным элементом воздушного стартера является воздушная турбина, питаемая сжатым воздухом от вспомогательной силовой установки (ВСУ) или (в многодвигательной силовой, установке) откомпрессора уже работающего двигателя. ВСУ может быть наземной (аэродромной) или бортовой, если требуется автономность запуска. В многодвигательной силовой установке одна бортовая ВСУ обслуживает все двигатели, на которых устанавливаются только воздушные турбины. Лопатки рабочего колеса изготовлены за одно целое с диском. Корпус турбины объединен в одном агрегате с клапаном подвода воздуха, снабженном регулятором постоянного давления, что позволяет поддерживать требуемое давление поступающего воздуха независимо от давления в магистрали.
Турбокомпрессорный стартер. Турбокомпрессорный стартер представляет собой небольшой газотурбинный двигатель, раскручивающий ротор основного двигателя; обычно он расположен в коке (в носке) основного двигателя. Поскольку турбокомпрессорный стартер работает кратковременно, только во время запуска, то к его экономичности требования не предъявляются. Он должен быть компактным, легким, простым, дешевым и обладать быстрым и надежным собственным запуском. Соответственно этим требованиям турбокомпрессорный стартер
выполняют
с простыми элементами и низкими
параметрами цикла. Запуск турбокомпрессорного
стартера производится электростартером,
питаемым от аккумуляторных батарей.
Так как частота вращения ротора
турбокомпрессорного стартера высока
(30000-80000 об/мин), то в его конструкцию
всегда включен редуктор. Две
схемы турбокомпрессорных стартеров
приведены на рис. 20.7:
Рис. 20.7. Схемы газотурбинных стартеров:
а
-одновальный
с гидромуфтой; б
-
со
свободной турбиной;
/-центробежный компрессор; 2-
камера
сгорания;
3-турбина; 4
-редуктор;
5
-гидромуфта;
б
-выводной
валик стартера; 7-
свободная
турбина; 5-турбина
компрессора
Газотурбинный двигатель ВСУ обычно выполняется одновальным с отбором воздуха за компрессором.
Рис. 20,9. Схема газотурбинной вспомогательной силовой установки с отбором сжатого воздуха за компрессором:1-корпус приводов с агрегатами; 2- центробежный компрессор: 3--патрубок отбора воздуха с заслонкой; 4- камера сгорания; 5-турбина.
Термины и определения.
Пусковая система ГТД (ПС) (НДП - система запуска ГТД) - совокупность устройств предназначенных для принудительной раскрутки ротора ГТД при запуске.
ПС с непосредственной подачей сжатого воздуха .НДП - система запуска с непосредственно подачей сжатого воздуха) (ПСНП) - пусковая система ГТД, в которой пусковым устройством является турбина компрессора, работающая при его запуске вследствие подачи сжатого воздуха на рабочие лопатки турбины.
Пусковое устройство ПУ) (НДП - стартер) - устройство, предназначенное для принудительной раскрутки ротора ГТД в процессе запуска.
Электростартер Э СТ) - электрический двигатель, используемый в качестве пускового устройства ГТД.
Стартер-генератор (НДП - генератор-стартер) - электрический генератор, используемый в качестве пускового устройства при запуске ГТД.
Турбокомпрессорный стартер (ГКС) - ГТД, используемый в качестве пускового устройства при запуске основного ГТД.
Турбокомпрессорный стартер - энергоузел ГГКСЭ) - ГТД, используемый в качестве пускового устройства при запуске основного ГТД, а также в качестве источника энергии для питания бортовых систем ЛА.
Воздушный турбостартер ГВТС) (НДП - воздушная турбина) - турбина, работающая на сжатом воздухе и используемая в качестве пускового устройства для запуска ГТД.
Запуск авиационных газотурбинных двигателей можно осуществлять следующим образом:
Наибольшее распространение получили пневматический, турбостартерный и электрический способы запуска.
На современных летательных аппаратах с газотурбинными двигателями тягой более 30 000 Н используются турбостартерные системы запуска с турбокомпрессорными стартерами, работающими на топливе двигателя летательного аппарата, и с турбостартерами ограниченного запаса рабочего тела (воздушными, пороховыми, жидкостными).
Турбокомпрессорный стартер (ТКС) представляет собой сравнительно небольшой газотурбинный двигатель с ограниченной продолжительностью работы (до 90-100 с) в стартерном режиме и мощностью от 50 до 200 кВт.
Впервые в мире ТКС для запуска авиационных ГТД были изготовлены в Советском Союзе в начале 50-х годов. ТКС запускаются от электрического стартера. После выхода на рабочий режим ТКС раскручивает ротор запускаемого двигателя за счет избыточной мощности, раскручиваемой турбины турбостартера. Основными элементами ТКС являются генератор газа, силовая турбина и редуктор. Вращающий момент от турбостартера к валу запускаемого двигателя передается:
- - механическим путем;
- - через гидромуфту;
- - за счет газодинамической связи.
Электрический стартер, предназначенный для запуска турбостартера, соединяется с валом турбостартера через фрикционную муфту и муфту свободного хода.
Достоинством турбостартера по сравнению с другими системами запуска является:
сравнительно небольшой расход энергии на запуск самого стартера, а следовательно, и большая автономность системы;
возможность получения при небольших габаритах стартера значительной мощности, что обеспечивает ускоренный запуск двигателя;
отсутствие специального рабочего тела, так как ТКС работает на том же топливе, что и основной двигатель.
Однако использование турбостартеров усложняет производство и эксплуатацию ГТД, увеличивает общее время запуска, так как ко времени запуска ГТД добавляется время запуска турбостартера.
Системы запуска с электрическими стартерами отличаются:
простотой устройства и управления;
надежностью в работе;
обеспечивают многократное повторение запуска;
Операции запуска легко автоматизируются. Однако область эффективного использования электрических систем запуска ограничиваются сейчас выходной мощностью 18 кВт, а в отдельных случаях 40 кВт, так как для данных систем характерно значительное увеличение их массы с увеличением их мощности. Поэтому для двигателей с большой тягой электрические системы запуска менее пригодны, чем системы запуска с турбостартерами.
Необходимо отметить, что большинство летательных аппаратов имеют на борту электрические системы запуска. На легких самолетах и вертолетах эти системы используются для запуска основных ГТД, а на средних и тяжелых - для запуска ГТД вспомогательных силовых установок, которые в свою очередь запускают основные ГТД летательного аппарата.
Для запуска ГТД на летательных аппаратах применяются электрические стартеры и стартеры-генераторы четырех типов:
- - стартеры прямого действия типа СТ;
- - стартеры-генераторы типа ГСР-СТ; у них якорь машины соединен с приводом ГТД через двухскоростной редуктор;
- - стартеры-генераторы типа СТГ со встроенным планетарным двухскоростным редуктором;
- - обычные самолетные генераторы типа ГСР и ГС, применяемые в стартерном и генераторном режимах с постоянным передаточным числом редуктора, расположенного в приводе ГТД. Своего дополнительного редуктора в этом случае ГСР и ГС не имеют.
