12.3. Системы запуска газотурбинных двигателей

В процессе запуска газотурбинного двигателя, в отличие от поршневого, частота вращения ротора высокого давления должна быть доведена до 3000÷4000 об/мин и более. Это предъявляет высокие требования к стартёру как по мощности, так и по возможности достижения указанных оборотов. В отечественной гражданской авиации применялись и применяются три вида стартёров:

- турбостартёр – небольшой газотурбинный двигатель, устанавливаемый на каждый маршевый двигатель. Он запускался с помощью маломощного электрического стартёра и затем через редуктор и гидромеханическую муфту подключался к запускаемому двигателю. Турбостартёр обеспечивал гарантированный набор необходимой частоты вращения, но приводил к увеличению массы и габаритов двигателя. Турбостартёр использовался для запуска двигателей РД-3М (АМ-3) на Ту-104, НК-12 на Ту-114 и Ан-22.

- электростартёр (как правило стартёр-генератор) – используется для запуска на всех турбовинтовых самолётах (до Ил-114), на большинстве вертолётов, на Ту-134 (без ВСУ).

- воздушный стартёр представляет собой воздушную турбину, на которую подаётся воздух от ВСУ, компрессора запущенного двигателя или УВЗ (наземной установки воздушного запуска – используется на всех современных самолётах и вертолётах, начиная с Ту-134А, Ил-62, Ту-154 и др..

12.4.Особенности электрического запуска гтд

Процесс электрического запуска ГТД очень энергоёмок. При запуске турбовинтового двигателя ток, потребляемый стартёром, может превышать 2000÷2500 А. Это обусловлено значительной массой раскручиваемых элементов двигателя в комбинации с воздушным винтом. Положение усугубляется тем, что по мере роста оборотов происходит падение крутящего момента на валу стартёра. Это имеет следующее объяснение:

Из теории электропривода известно, что крутящий момент на валу стартёра (электродвигателя постоянного тока) пропорционален току якоря.

В начале запуска, когда ротор стартёра ещё неподвижен, ток якоря

Iя= , где U – напряжение питания, а r –сопротивление якоря стартёра.

Как только якорь стартёра начинает вращаться, в его обмотке начинает идуцироваться ЭДС:

E = cФп, которая направлена встречно по отношению к приложенному напряжению и поэтому носит название «противоэдээс». По этой причине ток якоря во вращающемся стартёре:

I я =

Из формулы видно, что с увеличением оборотов п ток якоря стартёра, а следовательно и крутящий момент на валу стартёра уменьшаются. Применяются три способа борьбы с падением крутящего момента (с уменьшением тока якоря):

- переключение источников постоянного тока с параллельного соединения на последовательное – при этом происходит удвоение напряжения питания;

- применение в системе запуска пускорегулирующей коробки ПРК-8МТВ (на самолётах старых выпусков – ПРК-8А), которая, работая совместно со стартёр-генератором, ступенчато поднимает его напряжение до 58÷60 В.

- применение в системе запуска угольного регулятора тока РУТ-400 или РУТ-600, который в процессе роста оборотов плавно уменьшает магнитный поток стартёра Ф, стабилизируя ток якоря и крутящий момент.

Работа ПРК-8МТВ

Пуско-регулирующая коробка работает совместно с генератором ВСУ и обеспечивает в процессе запуска ступенчатый рост напряжения от 20÷26 В до 51÷60 В, которое поступает на стартёр-генератор запускаемого двигателя.

ПРК-8МТВ (ПРК-8А) состоит из угольного регулятора напряжения РН-180 3 и коробки 4 (см. рис. 12.4.). РН-180 крепится к коробке с помощью амортизаторов 2. На корпусе коробки расположены электрические разъёмы для её соединения с программным механизмом запуска двигателя подключения РН-180 в цепь

Рис. 12.4. Внешний вид ПРК-8МТВ (ПРК-8А)

стартёр-генератора (рис. 12.5.).

В коробке находятся электромагнитные реле и резисторы Перед запуском реле Р1 – Р5 обесточены, их контакты замкнуты. Соответственно цепь рабочей обмотки проходит через их замкнутые контакты, в обход резисторов R1 – R5. При этом в цепи рабочей обмотки Lраб. электромагнита РН-180 ток максимальный, что обеспечивает максимальное растяжение угольного столба регулятора, его максимальное сопротивление, минимальный ток возбуждения генератора ВСУ, минимальный магнитный поток Ф генератора и поэтому минимальное

напряжение, которое подаётся на стартёр двигателя, что необходимо для плавного страгивания ротора стартёра.

Рис. 12.5. Упрощённая схема ПРК-8МТВ (ПРК-8А)

По мере увеличения оборотов стартёра в процессе запуска, для компенсации падения тока якоря и крутящего момента на валу стартёра, по команде программного механизма, управляющего запуском, в определённые моменты времени последовательно срабатывают реле Р1, Р2, Р3, Р4, Р5, которые своими контактами расшунтируют резисторы R1, R2, R3, R4, R5, что приводит к ступенчатому уменьшению тока в рабочей обмотке электромагнита, ступенчатому уменьшению растяжения угольного столба и уменьшению его сопротивления, а следовательно к увеличению тока возбуждения генератора ВСУ, увеличению магнитного потока Ф, создаваемого обмоткой возбуждения генератора ВСУ и увеличению напряжения генератора ВСУ, которое подаётся на стартёр запускаемого двигателя.

Таким образом в процессе запуска при росте оборотов якоря происходит эквивалентное увеличение напряжения, подаваемого на стартёр двигателя с генератора ВСУ.

Работа угольного регулятора тока РУТ-400 и РУТ-600

Угольные регуляторы тока РУТ-400 и РУТ-600 так же, как и угольные регуляторы напряжения, имеют угольный столб, электромагнит и пружинную мембрану. Их отличие состоит в том, что пружинная мембрана работает на растяжение угольного столба, а электромагнит – на сжатие. Обмотка электромагнита через шунт подключена в цепь якоря стартёра, то есть ток в ней пропорционален току в якоре стартёра (рис. 12.6.).

Рис. 12.6. Упрощённая схема угольного регулятора тока

В начале запуска ток якоря стартёра максимален. При этом в рабочей обмотке РУТ – также максимальное значение тока, а следовательно при этом – максимальное сжатие угольного столба, максимальный ток возбуждения стартёра и максимальное значение магнитного потока Ф.

В процессе запуска, при падении тока якоря, уменьшается ток в рабочей обмотке РУТ, что приводит к уменьшению сжатия угольного столба, увеличению его сопротивления, уменьшению тока возбуждения и уменьшению магнитного потока Ф для компенсации роста оборотов п.

Угольные регуляторы тока используются во всех системах запуска ВСУ, а также в системах запуска турбовинтовых двигателей и системах электрического запуска вертолётов.