2020-04-12
281
От электростартеров запускают авиадвигатели АИ-20К,-24 на самолетах Ан-12, -24; газотурбинные двигатели ВСУ (ТГ-16, ТА-6, -8) и авиадвигатели на вертолетах. В качестве стартеров используют стартер-генераторы (СТГ) постоянного тока. Необходимость сокращения времени запуска, расхода электроэнергии и уменьшения потерь в цепях стартеров привела к разработке способов управления электростартерами. Их сущность заключается в изменении напряжения на якоре и потока возбуждения стартера для улучшения временных и энергетических показателей запуска.
Все эти способы подчинены общей цели: сделать запуск наилучшим по определенным показателям.
Для улучшения характеристик пуска определяют оптимальное передаточное отношение стартер-авиадвигатель для минимизации времени разгона стартера от какой-то исходной до заданной конечной угловой скорости. Для этого рассматривают выбор передаточного отношения для разгона привода от начала запуска до угловой скорости ω1 при которой вступает в работу турбина. При заданном максимальном (пусковом) моменте стартера М СТ.К = М СТ.МАХ минимизация этого интервала времени позволяет уменьшить потери, общий расход энергии и время запуска. Для упрощения задачи считают, что основным нагрузочным моментом является динамический момент М ДИН = J (dω/dt), а моментом компрессора М К, приведенным к валу стартера, пренебрегают.
|
|
|
Так как СТГ имеет параллельное возбуждение, уравнение его механической характеристики имеет вид:
М СТ = М СТ.К(1 - ω/ω0).
Уравнение движения системы стартер-ротор ГТД записывают так:
J (dω/dt) = М СТ.К(1 - ω/ω0),
откуда
или 
.
В результате интегрирования время разгона от ω = 0 до ω0 = ω1 определяется уравнением
t 1=(J ω0/ М СТ.К)ln[1/(1- ω1/ω0)].
Передаточное отношение и между стартером и авиадвигателем находят из выражения ωСТ= u ωАД, откуда и = ωСТ / ωАД.
Приведенный к валу стартера момент инерции J = J CT + (1/ и 2) J АД. Учитывая, что при использовании для запуска стартер-генераторов передаточное отношение и = 1.35 – 1.42, приведенный к якорю стартера момент инерции авиадвигателя (1/ и 2) J АД>> J CT. Без ущерба для точности принимают, что J CT≈(1/ и 2) J АД.
Время разгона до угловой скорости ω1 с учетом допущений
(13.1)
Для определения передаточного отношения 
, обеспечивающего минимум времени разгона до угловой скорости ω1 уравнение (13.1) исследуем на экстремум:
,
откуда - 
;
ln(1- u ω1АД/ ω0)=0.5 u ω1АД/ ω0(1- u ω1АД/ ω0).
В результате графического решения этого уравнения получают оптимальное передаточное отношение, обеспечивающее минимум времени разгона системы стартер - авиадвигатель до угловой скорости, при которой вступает в работу турбина. Как правило, это отношение
|
|
|
u ОПТ=0.73·ω0/ω1АД.
В электрических системах запуска ротор авиадвигателя разгоняют СТГ, который в полете работает в генераторном режиме, а при запуске - в стартерном. При работе в режиме стартера стартер-генератор должен развивать необходимую механическую мощность для того, чтобы быстро разогнать ротор авиадвигателя. Максимальную мощность СТГ должен развить при угловой скорости ω1 когда момент сопротивления максимален (см. рис. 13.1):
Р СТ = ω1 (М СТ + М ДИН) = М Э.СТ ·ω1,
где М ДИН - динамический момент, необходимый для создания нужного ускорения dω/dt; М Э.СТ - электромагнитный момент стартера.
Электромагнитный момент стартера М = С·I aФМАХ; поток возбуждения в стартерном режиме имеет наибольшее значение. Электромагнитная мощность стартера Р Э.СТ= М Э.СТ ·ω1= 
·ω1АД· М Э.СТ.
После того как запуск произошел, СТГ переходит в генераторный режим, работая с минимальной для этого режима угловой скоростью и тем же максимальным потоком ФМАХ. В данном случае электромагнитные моменты СТГ в стартерном и генераторном режимах равны М Э.Г = МЭ.СТ; минимальной угловой скоростью для генераторного режима является скорость малого газа авиадвигателя ωМГД.
Электромагнитную мощность генератора Р Э.Г= М Э.Г ·ωГ..МIN= М Э.Г ·ωМГД· u Г,где ωМГД угловая скорость малого газа двигателя u Г = ωГ / ωАД.
При работе с минимальной угловой скоростью, номинальным током и максимальным потоком возбуждения СТГ развивает наибольший для генераторного режима момент. Соотношение электромагнитных мощностей в стартерном и генераторном режимах находят, считая, что максимальные электромагнитные моменты машины в стартерном и генераторном режимах равны М СТ.МАХ=МГ.МАХ. Используя это условие и выражения для электромагнитных мощностей в стартерном и генераторном режимах, мощность стартера через мощность генератора и параметры обоих режимов находят так:
Р Э.СТ= Р Э.Г · u СТ ·ω1Д К П/ u Г ·ωМГД. (13.2)
Для оценки возможности использования СТГ для запуска ГТД определяют мощность, которую он может развить, работая в стартерном режиме. С учетом кратковременности стартерного режима (60 - 70 с) ток I СТ якоря стартера при запуске может превышать ток генераторного режима в К П раз (I СТ = К П · I Г, где К П - коэффициент перегрузки, равный 1.3 – 1.4). Для ГТД, запускаемых от стартер-генераторов, передаточные отношения равны:
u СТ=ωСТ/ωАД=1.3-1.4; u Г = ωГ / ωАД.≈0.5; 
≈0.15; 
≈0.5
Подставив эти данные в формулу (13.2), оценивают соотношение мощностей СТГ в стартерном и генераторном режимах. Если учесть, что в современных системах запуска напряжение VCT на якоре СТГ составляет (2 - 2,2)UГ.ПОТ, то Р Э.СТ= Р Э.Г (1.5 – 1.7) Р Э.Г.
В стартер-генераторах, применяемых при запуске ГТТ, для повышения момента используют планетарный редуктор с обгонной муфтой. При работе в стартерном режиме угловая скорость выходного вала стартера, сцепленного с коробкой передач авиадвигателя, примерно в 3 раза меньше скорости вращения якоря СТГ. При работе СТГ в генераторном режиме вращение от коробки передач авиадвигателя передается на якорь помимо редуктора. Изменение передаточного отношения осуществляют за счет обгонной муфты. Она при передаче движения от авиадвигателя к генератору сцепляет ведущий (гибкий) вал с полым валом, на котором посажен пакет якоря. При передаче движения от СТГ к авиадвигателю сцепления полого и гибкого валов не происходит. Передача движения от полого вала к выходному валу осуществляется через планетарный редуктор (рис. 13.2).
|
|
|
|
|
При работе в стартерном режиме момент от якоря 1 через шестерню 8 и сателлиты 5 передается на корпус редуктора 3, который в этом режиме заклинивается храповой собачкой 2 и неподвижен. Сателлиты приводят в движение водило 12. Оно своей шестерней с внутренним зацеплением 4 через шестерню 6 вращает выходной вал, жестко связанный с гибким валом 7. В стартерном режиме муфта свободного хода не заклинена и полый вал связан с гибким через редуктор, уменьшающий угловую скорость гибкого вала в отношении 3.18:1. В генераторном режиме вследствие изменения направления передачи момента (от двигателя к генератору) собачка 2 расцепляет корпус 3 редуктора и корпус стартера, а муфта свободного хода 10 заклинивает, сцепляя гибкий 7 и полый 11 валы помимо редуктора.
Угловая скорость обоих валов одинакова.
