Весна 18 курс 5 / САУ АД / Сикорский / Перспективы развития систем запуска авиационных ГТД

Перспективы развития систем запуска авиационных ГТД

А.А. Старков, ФАИТОП 834 уч. группа

Система запуска включает: пусковую систему, систему запуска основной камеры сгорания и систему зажигания; и осуществляет взаимодействие с топливной системой, САУ и системой энергоснабжения.

Системы раскрутки ротора

Пусковое устройство предназначено для раскрутки ротора двигателя на первом этапе запуска, в связи с этим главной характеристикой пускового устройства является подводимая к ротору двигателя мощность. На рисунке 1 приведена классификация пусковых устройств.

Рисунок 1. Классификация пусковых устройств

По типу привода, устройства раскрутки бывают кинематическими и аэродинамическими (некинематическими). Под кинематическими устройствами подразумеваются такие, в которых передача крутящего момента от ротора пускового устройства осуществляется механически через коробку приводов, либо напрямую на вал ротора ГТД. В случае аэродинамических (некинематических) пусковых устройств, крутящий момент возникает не на роторе ГТД, а именно на рабочих лопатках компрессора или турбины, в результате взаимодействия лопаток с потоком рабочего тела.

В связи с тем, что в настоящее время имеется тенденция к замене гидро- и пневмоприводных агрегатов электроприводными, а также идет внедрение нового поколения аккумуляторных батарей на основе литий-ионных технологий, обладающих неоспоримым преимуществом по сравнению с другими видами электрохимических систем (никель-кадмиевых, свинцово-кислотных, серебряно-цинковых), широкое распространение получили электрические пусковые системы. Подавляющее большинство эксплуатируемых летательных аппаратов использует электрические пусковые системы: на легких ЛА для запуска основных двигателей, для средних и тяжелых – для запуска турбостартеров или вспомогательных силовых установок. Относительная масса электростартеров составляет 1,2…3,8 кг/кВт (для стартеров-генераторов 1,3…4,15 кг/кВт). Одним из главных преимуществ электростартеров является возможность гибкого управления крутящим моментом (выходной мощностью) за счет варьирования частоты тока и напряжения, для обеспечения эффективной раскрутки ротора ГТД и последующее их использование в качестве генераторов электроэнергии на нужды двигателя и летательного аппарата.

Для электрических пусковых устройств, характерно интеграция функций источника мощности, подводимой к ротору ГТД при его раскрутке, и потребителя мощности от ротора ГТД после завершения запуска, для генерирования тока на нужды летательного аппарата (электропитание систем, зарядка АКБ и другие). Такие устройства называются стартер-генераторами. Как правило, для реализации максимальной эффективности стартер-генераторов необходимы различные передаточные числа механизмов сцепления при работе таких устройств в стартерном и генераторном режимах, поэтому в качестве устройства сцепления применяют двухскоростной привод. В условиях отказа от сложных гидро- и пневмомеханических агрегатов, в рамках программ «Более электрический самолет» и «Полностью электрический самолет», наиболее перспективным направлением развития систем раскрутки является применение электромеханизмов (стартеров-генераторов прямого привода) с высокой удельной мощностью, например на базе вентильных двигателей, а в качестве сцепных устройств – электромагнитных муфт, которые не только позволяют осуществлять безударные включения за счет сглаживания пиковых моментов, но и компенсировать перекосы и несоосности между валами ротора ГТД и пускового устройства

Системы зажигания топливовоздушной смеси

Электрические системы зажигания делятся на ряд типов, приведенных на рисунке 2.

Рисунок 2. Классификация электрических систем зажигания

В общем случае искровая система зажигания состоит из агрегата зажигания (генератора напряжения), экранированных кабелей и свечи. Выделяют два основных типа искровых систем зажигания: высоковольтовые, создающие напряжение 12-15 кВ и энергию разряда в межэлектродном промежутке около 50 мДж при частоте разряда 300 Гц, и системы зажигания высокой энергии, с рабочим напряжением 2 кВ и энергией разряда от 2 Дж при частоте 250 Гц до 4…12 Дж при частоте 1 Гц. Указанные системы зажигания наиболее эффективны в комбинации со свечами поверхностного разряда. Такая свеча состоит из центрального и внешнего заземленного электрода, которые разделены керамическим изолятором, преходящим на рабочем торце свечи в тонкий слой полупроводникового материала.

Широкое применение свечей поверхностного разряда обуславливается их значительным ресурсом и надежностью, подтвержденными опытом многолетней эксплуатации в составе газотурбинных двигателей различных типов и назначений. Несмотря на широкое применение искровых систем зажигания, существуют и разрабатываются в настоящее время и альтернативные системы зажигания, например, плазменные. Основным отличием плазменной свечи зажигания является то, что между центральным и внешним электродами отсутствует керамический изолятор, вместо него через промежуток в свече продувается воздух, который при разряде ионизируется и превращается в факел плазмы, который в свою очередь и 28 поджигает топливовоздушную смесь. Кроме продувки воздухом, возможен вариант продувки свечи кислородом, для повышения высотности запуска за счет обеспечения необходимого соотношения топлива и окислителя в условиях разряженного воздуха. Недостатками таких систем являются незначительная продолжительность непрерывного действия, что исключает возможность работы в режиме «дежурного зажигания», то есть длительного сопровождения низких режимов работы ГТД, сбросов и других, негативных с точки зрения стабильности работы камеры сгорания, процессов. В настоящее время проводятся исследования альтернативных систем зажигания, так фирмами AVL и CTR (Австрия) была разработана лазерная система зажигания, которая позволяет осуществлять розжиг бедных топливовоздушных смесей, что позволяет значительно снизить эмиссию загрязняющих веществ. Кроме того, показано, что лазерная система зажигания позволяет фокусировать место розжига в необходимой точке камеры сгорания (в ядре конуса распыла). На настоящий момент сведений о применении лазерных систем зажигания в составе ГТД в открытой печати нет, однако, известно, что в составе ЖРД применение лазерной системы зажигания оказалось успешным, что подтверждено испытаниями двигателя РД0146Д (разработка ОАО «КБХА» и ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша») с системой зажигания ЛТИ-140/10/10. В Технологическом институте г. Карлсруэ (Германия) была разработана свеча зажигания с шаровым разрядом (лабораторные испытания – Etatech (США), экспериментальные свечи изготовлены фирмой BERU (Герамния)). Особенностью СВЧ-свечей зажигания является отсутствие бокового электрода, электрический разряд возникает посредством СВЧ-энергии, которую генерирует магнетрон. Анализ показал, что основными направлениями развития электрических систем зажигания являются:

 разработка эффективной штатной диагностики систем зажигания, обеспечивающей автоматическое определение технического состояния, упрощенную локализацию отказов и эксплуатацию по состоянию;

 совершенствование управления системами зажигания, в части управления накопленной энергией и частотой разряда в зависимости от внешних условий и вида запуска;

 повышение ресурса систем зажигания для обеспечения режима «дежурного зажигания» для поддержания устойчивого горения в камере сгорания при выполнении сбросов, на взлете, при посадке, при полете в турбулентной атмосфере и других негативных с точки зрения горения ситуациях.

Системы топливопитания двигателя на запуске

В прошлом, некоторые газотурбинные двигатели оборудовались автономной системой подачи пускового топлива в камеру сгорания. При достижении определенной частоты вращения ротора или после определенного времени работы она автоматически отключалась. В настоящее время, подача пускового топлива выполняется той же системой, что и подача топлива на рабочих режимах. Топливная система состоит из следующих устройств: топливного бака, насоса-дозатора (насоса-регулятора), распределителя топлива, коллекторов, форсунок, воспламенителей и фильтров.

Насос-дозатор – основной агрегат топливной системы, обеспечивающий поступление в камеру сгорания необходимого для выполнения текущей программы управления расхода топлива с нужными параметрами, а также подающий топливо под высоким давлением в каналы гидромеханического управления проточной частью (функция может выполняться отдельным агрегатом).

Общим недостатком широко применяемых в настоящее время гидромеханических агрегатов топливной системы является значительное изменение их эффективности в широком диапазоне эксплуатационных режимов работы: низкая производительность в области запуска на земле (высокие расходы топлива при малой частоте вращения приводящего ротора), и избыточная при запуске в полете (низкие расходы топлива при высокой частоте вращения приводного ротора).

Перспективными направлениями развития системы топливопитания являются:

 применение электроприводных топливных насосов-дозаторов, для исключения зависимости его производительности от частоты вращения ротора (то есть ограничений по производительности в процессе запуска) и потерь, связанных с перегревом топлива и отказа от коробки приводов;

 разработка средств встроенной диагностики технического состояния агрегатов системы запуска, в том числе прогнозирующих их остаточный ресурс.