Запуск ГТД на земле и в воздухе

Рис.22.18. Изменение момента сопротивления компрессора М _с и крутящего момента турбины М _т в процессе запуска

 

Запуск ГТД в стартовых условиях требует первоначальной раскрутки одного из его роторов от постороннего источника мощности (стартера), так как самостоятельная работа двигате­ля возможна только при n > n _р, где частота вращения n _р носит название равновесной частоты вращения. Равновесная частота вращения соответствует условию равенства крутящего момента турбины моменту сопротивления ротора компрессора (рис.22.18). Эта особенность ГТД объясняется характером протекания крутящих моментов (развиваемого турби­ной и требуемого для раскрутки компрессора) от частоты враще­ния ротора двигателя.

Рассмотрим условие баланса крутящих моментов примени­тельно к газогенератору высокого давления. На рис.22.18 показано изменение по частоте вращения РВД момента сопротивления компрессора М _с = и крутящего момента турбины М _т. Изменение момента М _т здесь дано при постоянном значении температуры газа перед турбиной = . Момент сопротив­ления компрессора изменяется примерно пропорционально квад­рату частоты вращения, а величина М _т имеет приблизительно линейный характер протекания по частоте вращения ротора, при­чем в области n _ВД < n _ВД.1 турбина крутящего момента (мощно­сти) не развивает из-за низких значений степени понижения дав­ления в ней.

Как видно, момент М _т становится больше момента М _с лишь при значениях частот вращения n _ВД, превышающих равновесную частоту вращения n _ВД.р. После этого уже возможна самостоя­тельная раскрутка РВД от турбины. Раскрутка же РВД при n _ВД < n _ВД.р возможна только с помощью стартера.

При расчетах ускорения ротора при запуске и времени запуска используются уравнения (22.4) и (22.5), согласно (22.1) и (22.2) учитываются характеристики стартера в виде зависимости М _ст (или N _ст) от частоты вращения ротора. В частности, уравнения для определения  и t _зап принимают вид:

= (D М _ст + М _ст) = ;        (22.11)

t _зап = k _t dn;                 (22.12)

где k _t – коэффициент динамичности ротора.

Путем интегрирования уравнения (22.12) производится расчет времени запуска ГТД. Для проведения таких расчетов нужно знать характер протекания крутящего момента стартера М _ст (или N _ст) по частоте вращения ротора. На большинстве совре­менных мощных ГТД для запуска используются турбостартеры. Характерной их особенностью является линейное протекание кру­тящего момента стартера по частоте вращения ротора со сниже­нием величины М _ст с ростом частоты вращения (рис.22.19).

Рис.22.19. Этапы запуска в

стартовых условиях

Для рассмотрения процесса запуска нужно совместить рас­смотренные моментные характеристики всех элементов газогене­ратора. Их удобно представить на одном рисунке. Это сделано на рис.22.19. Стартер должен подбираться таким образом, что­бы при равновесной частоте вращения выполнялось условие М _ст > ; где = М _с – момент сопротивления компрессора.

Как видно из рис.22.19, процесс запуска двигателя в стартовых условиях можно рассматривать состоящим из трех этапов: I – раскрутка ротора только стартером до частоты вращения n ₁ (индексы «ВД» здесь и далее опускают­ся); II – совместная работа стартера и турбины от частоты вращения n ₁ до частоты вра­щения n ₂; III – отключение стартера и самостоятельная раскрутка ротора за счет тур­бины от частоты вращения n ₂ до частоты вращения мало­го газа n _МГ. При n _МГ за счет снижения  до ее значения на режиме малого газа уста­навливается равновесный ре­жим М _т = М _с.

Стартер может отключаться с того момента, когда D М _т = М _т – М _с > 0, но для уменьшения времени запуска он отклю­чается при более высокой частоте вращения n ₂ > n _р, когда избы­точная мощность турбины достигает значительной величины. Заштрихованная на графике область, определяемая суммирова­нием моментов М _т + М _ст – М _с, соответствует моментам, идущим на раскрутку ротора двигателя при запуске для каждого значе­ния частоты вращения.

По данным статистики величина n ₂ составляет (20…30)% от n _МГ, а n ₂ равна (70…80)% от n _МГ. Бóльшие величины отно­сятся к двухвальным двигателям, имеющим повышенную часто­ту вращения РВД на режиме малого газа.

Реализация рассмотренной программы запуска осуществля­ется автоматикой двигателя, обеспечивающей последовательный переход от одного этапа запуска к другому.

Рис.22.20. Режимы работы компрессора в процессе запуска

В процессе запуска ГТД меняются режимы работы каска­дов компрессоров. При этом первостепенное значение имеет обеспечение устойчивой работы КВД. На рис.22.20 показано протекание рабочей линии на характеристике КВД в процессе запуска. На I этапе, когда в камере сгорания горения еще нет и = , рабочая линия на характеристике КВД соответ­ствует кривой 0–1. При воспламенении топлива в начале II этапа запуска температура  резко возрастает и рабочая точка смещается к границе устойчивой работы компрессора (кривая 1– р). В дальнейшем на II и в начале III этапа тем­пература  поддерживается на максимально возможном уровне из условия устойчивой работы КВД (кривая р –2). В конце III этапа температура  снижается до ее значения на режиме малого газа (точка МГ).

Как видно, главным фактором, ограничивающим количество подаваемого топлива в камеру сгорания при запуске, является не прочность турбины, а запас устойчивости КВД. При чрез­мерно высоких забросах температуры  может возникнуть срыв потока в КВД, приводящий к так называемому «горяче­му зависанию частоты вращения», когда, несмотря на рост , частота вращения перестает увеличиваться. При недостаточной подаче топлива в камеру сгорания из-за малого значения D М _т разгон двигателя в процессе запуска становится вялым и мо­жет наступить «холодное зависание», т. е. прекращение рас­крутки РВД. Все это требует точной дозировки подачи топли­ва на режимах запуска.

Пути сокращения времени запуска можно установить из анализа формулы (22.12). В эту формулу в качестве множителя входит коэффициент динамичности ротора k _t, который зависит от момента инерции ротора. Следовательно, время запуска со­кращается при уменьшении момента инерции ротора. Время за­пуска может быть сокращено также при увеличении мощности стартера и повышении избыточной мощности турбины .

 

В условиях полета при выключении камеры сгорания рото­ры двигателя не останавливаются полностью, а продолжают вращаться под воздействием скоростного напора набегающего потока. Двигатель переходит на установившийся режим рабо­ты, называемый режимом авторотации.

Рис.22.21. Изменение частот вращения авторотации ВРД и РНД от числа М полета

 

Приведенные частоты вращения роторов на режиме авторо­тации n _а.р зависят от числа М полета, причем n _{ВД а.р} > n _{НД а.р}, как показано на рис.22.21. От высо­ты полета приведенная частота авторотации зависит слабо. Она несколько уменьшается с ростом Н вследствие влияния снижения чисел Re на КПД каскадов компрессоров и турбин и возрастания относительной доли мощности, затрачиваемой на преодоление трения и привод агрегатов.

Следовательно, если в усло­виях полета частота вращения ротора на режиме авторотации выше равновесной частоты вра­щения, для запуска следует толь­ко включить зажигание и подачу пускового топлива, которое дол­жно подаваться в соответствии с расходом воздуха, проходящего через двигатель в данных услови­ях полета.

На условия запуска двигателя в полете в сильной степени влияет режим полета – число М полета и, особенно, высота по­лета. От величин М_н и Н существенно зависят условия на вхо­де в камеру сгорания двигателя. Величины параметров  и  на входе в камеру сгорания значительно уменьшаются с ростом высоты полета, что отрицательно влияет на условия воспламенения и устойчивого горения топливовоздушной смеси. Другим неблагоприятным фактором, затрудняющим запуск дви­гателя в полете, является увеличение скорости воздуха на вхо­де в камеру сгорания на режимах авторотации по сравнению со скоростью с _к у работающего двигателя при той же частоте вращения. Это обусловлено повышением расхода через тур­бину в случае, когда через нее вместо горячего газа проходит неподогретый воздух, имеющий более низкую температуру. В результате этого с ростом числа М полета вместе с увеличением частоты вращения авторотации повышается скорость воздушного потока на входе в камеру сгорания. Это влияет на пределы воспламенения топливовоздушной смеси.

Пределы воспламенения топливовоздушной смеси при запуске ТРД в зависимости от скорости и высоты полета показаны на рис.22.22. Как видно, имеются пределы воспламенения при каждом числе М полета по a_min и a_max. Они существенно сокращаются с ростом высоты полета. При высоких значениях чисел М полета наступает предел воспламенения по скорости с _к.max на входе в камеру сгорания. С увеличением высоты поле­та эта граница достигается при меньших М_н.

С увеличением высоты и уменьшением скорости полета ухудшается также процесс горения топлива: уменьшается ско­рость горения, снижается полнота сгорания, сокращается диа­пазон устойчивого горения по a. Возможно «холодное зависа­ние» частоты вращения из-за недостаточного повышения температуры в камере сгорания.

В условиях полета на больших высотах увеличивается также время запуска. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, уменьшается избыточная мощность турбины как из-за снижения через нее расхода газа, так и уменьшения максимально допустимой температуры  в процессе запуска вследствие сни­жения запаса устойчивости ком­прессора по причине уменьшения чисел Рейнольдса. Во-вторых, увеличивается частота вращения ротора на режиме малого газа при некотором снижении частоты вращения ротора на режиме авто­ротации, что повышает диапазон частот вращения, обеспечиваемый процессом запуска. Если запуск длится более 40…60 с, он квали­фицируется как незапуск.

Рис.22.22. Область режимов полета, в которой разрешен запуск двигателя

 

Все указанные факторы существенно сужают диапазон ре­жимов полета, в котором гарантируется надежный высотный запуск двигателя. Этот диапазон для каждого конкретного дви­гателя обычно задается по величинам минимальной V _пр..min максимальной V _пр..max приборных скоростей и по граничной вы­соте запуска Н _гр.зап (рис.22.22).