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.

Запуск газотурбинного реактивного авиадвигателя выполняется автоматически, в соответствие с программой запуска и разделяется на следующие этапы:

1. 
   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.

1. 
   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 ).

1. 
   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

1. 
   Создание необходимого момента для преодоления статического и динамического момента сопротивления;
2. 
   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).

1. 
   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 :

1. 
   КПД пуска. КПД=А к /А э,

где  2 – угловая скорость стартера при его отключении.

А э – электроэнергия, потребленная стартером при запуске

1. 
   Время пуска t п.
2. 
   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:

1. 
   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 .

1. 
   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 уровня магнитного потока может быть достигнуто за счет шунтирования части последовательной обмотки возбуждения или отключения параллельной обмотки возбуждения .

1. 
   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 .

1. 
   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»

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.

Несмотря на многообразие систем запуска газотурбинных двигателей, они все имеют стартер, обеспечивающий предварительную прокрутку ротора двигателя, источник энергии, необходимый для работы стартера, устройства, обеспечивающие подачу топлива и зажигание горючей смеси в камерах сгорания, агрегаты, обеспечивающие автоматизацию процесса запуска. Наименование систем запуска определяется типом стартера и источником питания.

К системам запуска предъявляются следующие основные требования, которые направлены на обеспечение:

надежного и устойчивого запуска двигателя на земле в диапазоне температур окружающего воздуха от - 60 до +60 °С. Допускается предварительный подогрев ТРД при температуре ниже - 40 °С, аТВД - ниже - 25 °С;

надежного запуска двигателя в полете во всем диапазоне скоростей и высот полета;

продолжительности запуска ГТД, не превышающей 120 с, а для поршневых 3...5 с;

автоматизации процесса запуска, т. е, автоматического включения и выключения всех устройств и агрегатов в процессе запуска двигателя;

автономности системы запуска, минимальных затрат энергии на один запуск;

возможности многократного запуска;

простоты конструкции, минимальных габаритных размеров и массы, удобства, надежности и безопасности в эксплуатации.

В настоящее время наибольшее применение находят системы запуска, в которых для предварительной прокрутки ротора двигателя используются электрические и воздушные стартеры. Соответственно и системы получили название - электрические и воздушные. Источники энергии стартеров могут быть бортовыми, аэродромными и комбинированными.

Автоматизация процесса запуска двигателей может осуществляться по временной программе независимо от внешних условий, по частоте вращения ротора двигателя и по комбинированной программе, где одни операции выполняются по времени, а другие по частоте вращения.

При выборе типа системы запуска для того или иного двигателя учитываются многие факторы, наиболее существенными из которых являются: мощность стартера, масса, габаритные размеры и надежность системы запуска.

Электрическими системами запуска двигателей называются такие системы, в которых в качестве стартеров используются электродвигатели. Для запуска ГТД применяются электростартеры прямого действия, у которых осуществляется непосредственная связь через механическую передачу с ротором двигателя. Электростартеры рассчитаны на кратковременную работу. В последнее время получили широкое применение стартер-генераторы, которые при запуске двигателя выполняют функцию стартеров, а после запуска - функцию генераторов.

Электрические системы запуска достаточно надежны в работе, просты в управлении, позволяют легко автоматизировать процесс запуска, а также просты и удобны в обслуживании. Они используются для запуска двигателей, имеющих сравнительно небольшие моменты инерции, или когда время вывода их на режим малого газа сравнительно велико. Для запуска двигателей с большими моментами, инерции или при сокращенном времени выхода на режим малого газа требуется увеличение мощности стартеров. Для электрических систем характерно значительное увеличение их массы и габаритных размеров при увеличении мощности стартера, что вызывается как увеличением массы самих стартеров, так и источников питания. В этих условиях массовые характеристики электрических систем могут оказаться значительно хуже других систем запуска.

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.

Изобретение относится к стартер-генераторам газотурбинных двигателей. Технический результат заключается в создании стартер-генератора, в котором не требуется замыкание накоротко роторной индукционной катушки при запуске, а также в повышении надежности машины. Стартер-генератор содержит главную электрическую машину, содержащую статор и ротор с роторной индукционной катушкой и демпфирующими стержнями, образующими клетку, и блок возбуждения, содержащий статорную индукционную катушку и ротор с роторными обмотками, соединенными с роторной индукционной катушкой главной электрической машины через вращающийся выпрямитель. Во время первого этапа фазы запуска главную электрическую машину переводят в режим асинхронного двигателя посредством подачи переменного тока в ее статорные обмотки, при этом момент запуска создают только при помощи демпфирующих стержней. Во время второго этапа фазы запуска главную электрическую машину переводят в режим синхронного двигателя посредством подачи переменного тока в ее статорные обмотки с одновременным питанием ее роторной индукционной катушки постоянным током через блок возбуждения, при этом команду на переход от первого этапа к второму этапу фазы запуска подают, когда скорость вращения вала достигает заранее определенного значения. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

Рисунки к патенту РФ 2528950

Область техники

Настоящее изобретение относится к стартерам-генераторам газотурбинных двигателей.

Предшествующий уровень техники

В частности, областью применения изобретения являются стартеры-генераторы для авиационных тяговых газотурбинных двигателей или для вспомогательных газотурбинных силовых установок или APU ( Auxiliary Power Unit), установленных на летательных аппаратах. Вместе с тем изобретение можно применять и для других типов газотурбинных двигателей, например, для промышленных турбин.

Такой стартер-генератор или S/G ( Starter/Generator) обычно содержит главную электрическую машину, которая образует главный электрический генератор, работающий в синхронном режиме после запуска и зажигания соответствующего газотурбинного двигателя. Главная электрическая машина содержит роторную индукционную катушку и статорные обмотки, которые в режиме синхронного генератора выдают переменную электрическую энергию в бортовую сеть летательного аппарата через линию питания, на которой установлен линейный контактор. Переменное напряжение, выдаваемое главным генератором, регулируют при помощи блока регулирования генератора или GCU ( Generator Control Unit), который питает постоянным током статорную индукционную катушку блока возбуждения, роторные обмотки которого соединены с роторной индукционной катушкой главной электрической машины через вращающийся выпрямитель. Электрическую энергию, необходимую для питания индукционной катушки блока возбуждения можно получать от вспомогательного электрического генератора, такого как синхронный генератор с постоянными магнитами, или можно отбирать из бортовой электрической сети летательного аппарата.

Роторы главной электрической машины, блока возбуждения и, возможно, вспомогательного генератора установлены на общем валу, механически связанном с валом газотурбинного двигателя, и образуют двух- или трехкаскадный стартер-генератор, работающий без щеток (или brushless).

Для обеспечения запуска газотурбинного двигателя, как известно, приводят в действие главную электрическую машину в режиме синхронного электрического двигателя, обеспечивая питание ее статорных обмоток переменным напряжением из линии питания через линейный контактор или обеспечивая питание роторной индукционной катушки через блок возбуждения. Поскольку первоначально вал стартера-генератора является неподвижным, необходимо подать через GCU переменное напряжение в статорную индукционную катушку блока возбуждения, чтобы получить на его роторных обмотках переменное напряжение, которое после выпрямления питает роторную индукционную катушку главной электрической машины.

Для обеспечения подачи требуемого переменного напряжения с целью получения момента, необходимого для запуска, GCU должен быть спроектирован с параметрами, намного превышающими параметры, необходимые для питания блока возбуждения постоянным током в режиме генератора.

Для решения этой задачи в документе GB 2443032 было предложено изменить блок возбуждения для его работы в режиме вращающегося трансформатора, чтобы получать ток возбуждения роторной индукционной катушки главной электрической машины, когда она работает на запуск в синхронном режиме. Это изменение, а также необходимость пропускания повышенной мощности через статор блока возбуждения при запуске на малой скорости предопределяют недостаток этого решения по причине увеличения массы и габаритных размеров.

Было также предложено обеспечивать запуск за счет работы главной электрической машины в режиме асинхронного двигателя, а не в режиме синхронного двигателя. В этой связи можно указать документы US 5055700, US 6844707 и ЕР 2025926. Согласно документу US 5055700 при запуске статорные обмотки главной электрической машины получают питание переменным напряжением через контактор запуска при помощи схемы инвертора, управляемой с постоянным отношением напряжения к частоте. Ротор главной электрической машины оборудован демпфирующими стержнями, которые образуют «беличью клетку», позволяющую приводить во вращение ротор, тогда как роторную индукционную катушку главной машины периодически замыкают накоротко при помощи специального выключателя, чтобы избежать вредных скачков напряжения. Согласно документу US 6844707 при запуске статорные обмотки главной электрической машины получают питание переменным напряжением через контактор запуска при помощи схемы инвертора, управляемой по напряжению и по частоте. Роторную индукционную катушку главной машины замыкают накоротко при помощи первоначально замкнутого специального выключателя. Замыкание накоротко роторной индукционной катушки позволяет привести во вращение ротор вместе с демпфирующими стержнями, связанными с роторной индукционной катушкой и частично образующими «беличью клетку». Размыкание выключателя короткого замыкания управляется током, получаемым из роторных обмоток блока возбуждения по время перехода стартера-генератора в режим электрического генератора. В документе ЕР 2025926 также описана работа главной электрической машины в режиме асинхронного двигателя при запуске, при этом момент запуска обеспечивают за счет перевода роторной индукционной катушки в замкнутый контур при последовательном соединении с резистором посредством выключателя с возможным участием демпфирующих стержней.

Поскольку работа в асинхронном режиме ухудшается по сравнению с работой в синхронном режиме, эти решения не подходят для случая стартеров-генераторов S/G, связанных с газотурбинными двигателями, требующими при запуске повышенной мощности, в частности, в случае тяговых авиационных газотурбинных двигателей.

Кроме того, эти известные решения требуют применения управляемого выключателя, параллельно или последовательно соединенного с роторной индукционной катушкой главной электрической машины, что является фактором, существенно влияющим на надежность.

Кроме того, уже давно известно обеспечение запуска в асинхронном режиме синхронных электрических двигателей, оборудованных индукционными катушками или стержнями, образующими беличью клетку. Фаза запуска вплоть до достижения скорости синхронности происходит только в асинхронном режиме. В этой связи можно указать документы US 3354368 и GB 175084.

Объект и сущность изобретения

Настоящее изобретение призвано предложить стартер-генератор газотурбинного двигателя, не имеющий вышеупомянутых недостатков, и в этой связи одним из объектов изобретения является стартер-генератор, содержащий:

Главную электрическую машину, выполненную с возможностью работы в режиме синхронного электрического генератора после запуска газотурбинного двигателя и с возможностью работы в режиме электрического двигателя во время фазы запуска газотурбинного двигателя, при этом главная электрическая машина содержит статор со статорными обмотками и ротор с роторной индукционной катушкой и демпфирующими стержнями, образующими клетку, будучи соединенными друг другом своими концами,

Блок возбуждения, содержащий статорную индукционную катушку и ротор с роторными обмотками, соединенными с роторной индукционной катушкой главной электрической машины через вращающийся выпрямитель, при этом роторы главной электрической машины и блока возбуждения установлены на общем валу, предназначенном для механического соединения с валом газотурбинного двигателя,

Блок регулирования генератора, соединенный со статорной индукционной катушкой блока возбуждения для подачи постоянного тока на статорную индукционную катушку блока возбуждения, когда главная электрическая машина работает в режиме электрического генератора, и

Блок регулирования стартера, соединенный со статорными обмотками главной электрической машины через контактор запуска для подачи переменного тока на статорные обмотки главной электрической машины, когда она работает в режиме электрического двигателя;

согласно изобретению:

Блок регулирования стартера содержит первую схему-регулятор запуска в режиме асинхронного двигателя, вторую схему-регулятор запуска в режиме синхронного двигателя, инвертор для подачи переменного тока на статорные обмотки главной электрической машины через контактор запуска, переключатель режима двигателя для управления инвертором через первую или вторую схему-регулятор запуска и схему управления переключателем режима двигателя для обеспечения начала фазы запуска в режиме асинхронного двигателя и для перехода от режима асинхронного двигателя к режиму синхронного двигателя во время фазы запуска, когда скорость вращения вала превышает заранее определенный порог, и

Клетка, образованная демпфирующими стержнями, выполнена с возможностью самостоятельного обеспечения запуска в режиме асинхронного двигателя без существенного участия роторной индукционной катушки главной электрической машины в создании момента запуска.

Такая конструкция особенно предпочтительна в случае стартеров-генераторов, связанных с авиационными газотурбинными двигателями, при этом переход в режим асинхронного двигателя задается при пороге скорости, сверх которого работа в режиме асинхронного двигателя уже не может гарантировать получение момента запуска, достаточного для таких газотурбинных двигателей. Изобретение примечательно также тем, что конструкция демпфирующих стержней способствует работе в режиме асинхронного двигателя и не требует при этом замыкания накоротко роторной индукционной катушки при запуске.

Предпочтительно демпфирующие стержни распределены по существу равномерно в угловом направлении, при этом угловой шаг Р между двумя соседними демпфирующими стержнями рассчитан таким образом, чтобы 0,8Pm

Согласно отличительному признаку стартера-генератора он содержит датчик углового положения, соединенный с второй схемой-регулятором запуска для передачи в нее информации об угловом положении ротора главной электрической машины.

Предпочтительно каждая схема-регулятор запуска соединена с датчиками, выдающими данные, характеризующие значения силы тока в статорных обмотках главной электрической машины, и каждая схема-регулятор запуска содержит вычислительный блок для оценки получаемого реального момента запуска на основании данных, характеризующих значения силы тока в статорных обмотках, и для формирования сигналов управления инвертором с целью автоматического регулирования реального момента запуска по записанному в памяти заданному значению момента.

Кроме того, блок регулирования запуска может быть соединен с датчиком, выдающим информацию о скорости вращения вала, и может содержать цепь для передачи в первую и вторую схемы-регулятора запуска заданного значения момента на основании заранее записанного в память профиля изменения момента запуска в зависимости от скорости вращения вала.

Объектом изобретения является также газотурбинный двигатель, оборудованный описанным выше стартером-генератором.

Еще одним объектом изобретения является способ управления стартером-генератором газотурбинного двигателя во время фазы запуска газотурбинного двигателя, при этом стартер-генератор содержит: главную электрическую машину, содержащую статор со статорными обмотками и ротор с роторной индукционной катушкой и демпфирующими стержнями, образующими беличью клетку и соединенными электрически друг с другом своими концами, и блок возбуждения, содержащий статорную индукционную катушку и ротор с роторными обмотками, соединенными с роторной индукционной катушкой главной электрической машины через вращающийся выпрямитель, при этом роторы главной электрической машины и блока возбуждения установлены на общем валу;

согласно изобретению:

Во время первого этапа фазы запуска первоначально газотурбинный двигатель не работает, главную электрическую машину переводят в режим асинхронного двигателя посредством подачи переменного тока в статорные обмотки главной электрической машины, при этом при помощи демпфирующих стержней создают момент запуска практически без участия роторной индукционной катушки электрической машины в создании момента запуска,

Во время следующего, второго этапа фазы запуска главную электрическую машину переводят в режим синхронного двигателя посредством подачи переменного тока в статорные обмотки главной электрической машины с одновременным питанием роторной индукционной катушки главной электрической машины постоянным током посредством подачи постоянного тока в статорную индукционную катушку блока возбуждения, и

Команду на переход от первого этапа к второму этапу фазы запуска подают, когда скорость вращения вала достигает заранее определенного значения.

Предпочтительно используют главную электрическую машину, ротор которой содержит демпфирующие стержни, по существу равномерно распределенные в угловом направлении с таким угловым шагом Р между двумя соседними демпфирующими стержнями, при котором 0,8Pm

Во время фазы запуска предпочтительно стартером-генератором управляют таким образом, чтобы он автоматически регулировал момент, создаваемый главной электрической машиной, по заранее определенному заданному значению в зависимости от скорости вращения вала.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания, представленного в качестве неограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - упрощенная схема авиационного газотурбинного двигателя;

фиг.2 - схематичный вид варианта выполнения стартера-генератора в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.3 - схематичный вид в радиальном разрезе варианта выполнения ротора главной электрической машины в стартере-генераторе, показанном на фиг.2;

фиг.4 - схематичный вид с торца ротора, показанного на фиг.3;

фиг.5 - схематичный вид в радиальном разрезе другого варианта выполнения ротора главной электрической машины в стартере-генераторе, показанном на фиг.2;

фиг.6 - схема варианта выполнения блока регулирования запуска стартера-генератора, показанного на фиг.2.

Подробное описание вариантов выполнения

Описание изобретения представлено в рамках его применения для стартера-генератора авиационного тягового газотурбинного двигателя, пример которого очень схематично показан на фиг.1.

Вместе с тем изобретение можно применять для стартеров-генераторов других газотурбинных двигателей, в частности для турбин вертолетов, промышленных турбин или турбин вспомогательных силовых установок (APU).

Газотурбинный двигатель, показанный на фиг.1, содержит камеру 1 сгорания, при этом газы, выходящие из камеры 1, приводят во вращение турбину 2 высокого давления (ВД) и турбину 3 низкого давления (НД). Турбина 2 связана валом с компрессором ВД 4, питающим камеру 1 сгорания сжатым воздухом, тогда как турбина 3 связана другим валом с вентилятором 5 на входе двигателя.

Трансмиссионная коробка 6 или коробка приводов агрегатов соединена механическим устройством 7 отбора мощности с валом турбины и содержит набор шестерен для приведения во вращение различных устройств, в частности насосов и, по меньшей мере, одного электрического стартера-генератора 10 (называемого в дальнейшем S/G).

На фиг.2 схематично показан трехкаскадный S/G 10, а именно содержащий главную электрическую машину 20, блок 30 возбуждения и вспомогательный генератор 40, роторы которых установлены на общем валу 12, механически соединенном с валом авиационного газотурбинного двигателя, показанного на фиг.1.

Главная электрическая машина 20 содержит на роторе роторную индукционную катушку 22 и на статоре - статорные обмотки 24а, 24b, 24с, которые могут быть соединены звездой. Блок 30 возбуждения содержит на статоре индукционную катушку 34 и на роторе роторные обмотки 32а, 32b, 32с, которые могут быть соединены звездой. Переменные токи, генерируемые на роторе блока 30 возбуждения, выпрямляются вращающим выпрямителем 36, таким как вращающийся диодный мост, для питания роторной индукционной катушки главной электрической машины. Вспомогательный генератор 40 является, например, синхронным генератором с постоянными магнитами с ротором 42, на котором установлены постоянные магниты, и со статорными обмотками 44а, 44b, 44с, которые могут быть соединены звездой.

В режиме генератора после запуска и зажигания газотурбинного двигателя главная электрическая машина 20 образует электрический синхронный генератор, который выдает на статор электрическое трехфазное напряжение (в этом примере) через линию 26 питания, на которой установлен линейный переключатель 28. Линия 26 питания подает электрическое напряжение в бортовую сеть (не показана) самолета. Регулирование производимого напряжения обеспечивает блок регулирования генератора или GCU 50, который управляет подачей постоянного тока в индукционную катушку 34 блока возбуждения для автоматического регулирования напряжения U ref в контрольной точке на линии 26 по заданному значению. Для этого в блок GCU 50 поступает информация, характеризующая моментальное значение напряжения U ref . Электрическая энергия, необходимая для питания блока 30 возбуждения, поступает от вспомогательного генератора 40, при этом блок GCU 50 получает и выпрямляет переменное напряжение, подаваемое на статор вспомогательного генератора 40. В варианте питание блока GCU 50 может происходить от бортовой электрической сети самолета. Такая работа S/G в режиме генератора хорошо известна.

В режиме стартера главная электрическая машина 20 образует электрический двигатель, который создает момент, необходимый для приведения во вращение газотурбинного двигателя. Во время фазы запуска статорные обмотки 24a, 24b, 24c главной электрической машины получают переменный ток от блока 60 регулирования запуска, содержащего инвертор, соединенный с обмотками 24a, 24b, 24c через линию 62, к которой подключен контактор 64 запуска.

На первом этапе фазы запуска первоначально газотурбинный двигатель не работает, и электрическая машина 20 работает в режиме асинхронного двигателя, используя демпфирующие стержни, связанные с роторной индукционной катушкой 22 главной электрической машины 20. Как известно, при работе в режиме синхронного генератора эти демпфирующие стержни должны обеспечивать механическую прочность ротора, повышать коэффициент синусоидальной формы с одновременным обеспечением равномерности магнитного поля в рабочем пространстве, уменьшать последствия плохо распределенных трехфазных нагрузок и демпфировать вибрации во время переходных нагрузок.

Согласно отличительному признаку изобретения демпфирующие стержни прежде всего выполнены, чтобы способствовать созданию повышенного момента запуска.

Как показано на фиг.3 и 4, демпфирующие стержни 222 предпочтительно распределены в угловом направлении по существу равномерно и соединены электрически друг с другом своими концами, образуя «беличью клетку». В представленном примере ротор главной электрической машины выполнен с выступающими полюсами 224, на которых находятся роторные обмотки 226 индукционной катушки 22. Стержни 222 расположены параллельно оси ротора вблизи конца полюсов 224, при этом оси стержней 222 находятся на одной цилиндрической поверхности. На одном из своих осевых концов стержни 222 соединены венцом 228 (фиг.4). На своих других осевых концах стержни точно так же соединены аналогичным венцом. В данном случае под по существу равномерным угловым распределением стержней 222 следует понимать такое расположение, при котором угловой шаг Р между двумя стержнями отвечает отношению 0,8Pm

Кроме оптимизации работы в асинхронном режиме преимуществом по существу равномерного распределения демпфирующих стержней является то, что оно позволяет избегать больших колебаний момента, которые обычно появляются в результате неравномерного распределения.

Вместе с тем по существу равномерное распределение стержней требует относительного уменьшения расстояния между полюсами 224 на их концах, которое обязательно должно быть меньше шага Р. В результате между полюсами появляется утечка, но она относительно ограничена и почти не влияет на работу главной электрической машины 20 в синхронном режиме. В примере, показанном на фиг.3, полюсы 224 выполнены в количестве 6, и число стержней равно 21 с чередованием 3 стержней и 4 стержней на полюс. Следует отметить, что угловое расположение стержней не обязательно должно быть симметричным относительно оси, проходящей через центр полюсов.

Можно предусмотреть другое расположение, например, выполнить ротор с четырьмя выступающими полюсами и с числом стержней, равным 18, чередуя 4 стержня и 5 стержней на полюс, как показано на фиг.6.

Разумеется, можно предусмотреть и другое число стержней в отличие от представленных примеров, в частности, в зависимости от предусмотренного варианта применения.

Для получения повышенного момента в режиме асинхронного двигателя с использованием клетки 220 предпочтительно электрическое сопротивление клетки должно быть сведено к минимуму. Действительно, если электрическое сопротивление клетки, образованной стержнями 222 и венцами 228, является слишком высоким, то может оказаться невозможным индуцировать достаточный ток в стержнях, чтобы достичь желаемого уровня момента с имеющимся в наличии уровнем напряжения питания инвертора блока регулирования запуска. Кроме того, слишком высокое сопротивление приводит к большим потерям по причине эффекта Джоуля, которые сказываются на производительности и приводят к перегреву. В связи с этим предпочтительно демпфирующие стержни 222 и соединяющие их концы венцы 228 выполняют из материала, являющегося хорошим проводником электричества, например из меди, и они имеют сечение, превышающее значение, которое необходимо для стержней, выполняющих только функцию демпфирования.

Кроме того, предпочтительно выполнять стержни 228 с прямоугольным сечением, а не с круглым, при равной площади, чтобы максимально снизить влияние на сечение прохождения магнитного потока.

Следует отметить, что момент запуска в режиме асинхронного двигателя получают полностью при помощи клетки 220 без участия роторных обмоток, которые не являются замкнутыми.

Когда значение скорости вращения вала 12 достигает порогового значения, при котором главная электрическая машина, работающая в режиме асинхронного двигателя, больше не может гарантировать получение требуемого момента, подают команду на переключение режима асинхронного двигателя на режим синхронного двигателя для осуществления второго и последнего этапа фазы запуска. Блок возбуждения вращается, и GCU 50 подает постоянный ток на индукционную катушку 34 блока возбуждения, чтобы питать постоянным током индукционную катушку 22 через вращающийся выпрямитель 36. В это же время на статорные обмотки 24a, 24b, 24c главной электрической машины подают переменный ток при помощи блока 60 регулирования запуска, обеспечивая при этом оптимальную ориентацию статорного потока по отношению к положению ротора.

Классически, когда момент, производимый газотурбинным двигателем, становится достаточным и можно обойтись без S/G, контактор 64 запуска размыкают и GCU 50 подает команду на замыкание линейного контактора 28, когда скорость S/G и, следовательно, его частота оказываются достаточными.

Инвертор 602 запуска, управляемый по напряжению и частоте при помощи схемы 604 управления инвертором, выдает напряжение, питающее статорные обмотки главной электрической машины. Электрическая энергия, необходимая для генерирования необходимого напряжения инвертором 602 и для работы различных компонентов блока 60 регулирования стартера, поступает через линию питания (не показана) от бортовой сети самолета, питаемой при помощи APU или наземной генераторной установки.

В зависимости от положения переключателя 606 режима двигателя схему 604 управления инвертором соединяют на входе со схемой-регулятором 608 запуска в асинхронном режиме или со схемой-регулятором 610 запуска в синхронном режиме.

Схема 614 содержит входы, соединенные с датчиками тока 620a, 620b, 620c, подключенными к проводам линии 62 для выдачи в схемы 608 и 610 данных, характеризующих силу фазовых токов в статорных обмотках главной электрической машины.

Схема 616 содержит вход, соединенный с датчиком 14 (фиг.2), установленным на валу 12 стартера-генератора S/G для выдачи в схемы 608 и 610 информации о скорости вращения вала 12. Схема 618 содержит вход, тоже соединенный с датчиком 14 для выдачи в схему 610 информации об угловом положении вала 12, то есть информации, характеризующей угловое положение ротора главной электрической машины 20. Датчик 14 является, например, хорошо известным датчиком углового положения, позволяющим выделять из сигналов датчика информацию о положении и информацию о скорости.

От датчика углового положения можно отказаться, если это положение можно вычислить на основании измерения зависящих от него электрических величин.

Блок 60 регулирования запуска работает следующим образом.

В ответ на команду запуска St цифровой блок 600 управления подает команду на замыкание контактора 64 и на перевод переключателя 606 режима двигателя в положение соединения схемы-регулятора 608 запуска в асинхронном режиме со схемой 604 управления инвертором.

Как схематично показано на фиг.6, таблица 612 содержит данные, характеризующие заданное значение момента запуска С в зависимости от скорости вращения N вала S/G. В данном случае требуемое значение момента по существу является постоянным с самого начала фазы запуска и уменьшается в конце этой фазы. Цифровой блок 600 управления получает от схемы 616 информацию о скорости вращения N и считывает в таблице 612 заданное значение момента Cs для его передачи в схему 608. Кроме того, схема 608 содержит вычислительный блок для вычисления, в частности, величины, характеризующей реальный момент, создаваемый главной электрической машиной, и для передачи в схему 604 управления напряжением и частотой инвертора заданных значений напряжения и частоты, в частности, с целью автоматического регулирования значения реального момента по заданному значению Cs в зависимости от скорости.

Для этого на основании значений силы фазовых токов в статорных обмотках можно вычислить ток момента Iq и ток потока Id электрической машины при помощи известного способа. Ток Iq, который характеризует реальный момент, автоматически регулируется по заданному значению, соответствующему заданному моменту Cs. Ток потока Id является характеристикой роторного потока и может автоматически регулироваться по своему максимальному значению перед насыщением.

При увеличении скорости максимальный момент, который может производить машина, работающая в режиме асинхронного двигателя, уменьшается, начиная от определенной скорости. При этом существует скорость вращения N 1 , начиная от которой машина не может производить требуемый заданный момент. Это значение N 1 зависит от характеристик машины.

При достижении значения N 1 цифровой блок 600 управления подает команду на переориентацию переключателя 606 режима двигателя для соединения схемы-регулятора 610 запуска в синхронном режиме со схемой 604 управления инвертором и подает команду в GCU 50 для подачи постоянного тока на роторную обмотку блока 30 возбуждения. Как и в предыдущем случае, цифровой блок 600 управления считывает таблицу 612 для выдачи заданного значения момента Cs в схему 610 в зависимости от скорости.

Так же, как и схема 608, схема-регулятор запуска в синхронном режиме содержит средства для вычисления реального момента. Схема 610 выдает в схему 604 управления инвертором заданные значения напряжения и частоты для автоматического регулирования реального момента по заданному значению Cs в зависимости от скорости, одновременно обеспечивая оптимальное положение статорного потока по отношению к угловому положению ротора. Для этого, как и в предыдущем случае, вычисляют токи Iq и Id. Ток Iq автоматически регулируется по заданному значению, соответствующему заданному моменту Cs. Ток потока может автоматически регулироваться по нулевому значению. Со стороны блока возбуждения на статор поступает ток, при котором уровень индуцирующего потока является максимальным на уровне главной электрической машины, чтобы максимально уменьшить статорный ток главной электрической машины при данном производимом моменте. Когда скорость повышается, ток индукционной катушки блока возбуждения понижается, чтобы уменьшить поток в главной электрической машине и чтобы избежать чрезмерного увеличения электродвижущей силы по отношению к напряжению питания инвертора 602.

Блок 600 управления подает команду на размыкание контактора 64 запуска, когда скорость вращения достигает заранее определенного значения.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Стартер-генератор газотурбинного двигателя, содержащий:

главную электрическую машину (20), выполненную с возможностью работы в режиме синхронного электрического генератора после запуска газотурбинного двигателя и с возможностью работы в режиме электрического двигателя во время фазы запуска газотурбинного двигателя, при этом главная электрическая машина содержит статор со статорными обмотками (24a, 24b, 24c) и ротор с роторной индукционной катушкой (22) и демпфирующими стержнями (222), образующими клетку, будучи электрически соединенными друг с другом своими концами,

Блок (30) возбуждения, содержащий статорную индукционную катушку (34) и ротор с роторными обмотками (32a, 32b, 32c), соединенными с роторной индукционной катушкой главной электрической машины через вращающийся выпрямитель (36), при этом роторы главной электрической машины и блока возбуждения установлены на общем валу (12), предназначенном для механического соединения с валом газотурбинного двигателя,

блок (50) регулирования генератора, соединенный со статорной индукционной катушкой блока возбуждения для подачи постоянного тока на статорную индукционную катушку блока возбуждения, когда главная электрическая машина работает в режиме синхронного электрического генератора, и

блок (60) регулирования стартера, соединенный со статорными обмотками главной электрической машины через контактор (64) запуска для подачи переменного тока на статорные обмотки главной электрической машины, когда она работает в режиме электрического двигателя;

отличающийся тем, что:

блок (60) регулирования стартера содержит первую схему-регулятор (608) запуска в режиме асинхронного двигателя, вторую схему-регулятор (610) запуска в режиме синхронного двигателя, инвертор (602) для подачи переменного тока на статорные обмотки главной электрической машины через контактор запуска (64), переключатель (606) режима двигателя для управления инвертором (602) через первую или вторую схему-регулятор запуска, и схему (600) управления переключателем (606) режима двигателя и контактором запуска (64), и блок (600) управления, получающий информацию о скорости вращения вала (12), выполненный с возможностью: запирания контактора (64) запуска в ответ на команду запуска; начала запуска газотурбинного двигателя главной эклектической машиной (20), работающей в режиме асинхронного электродвигателя с помощью схемы-регулятора (608) для запуска в асинхронном режиме; продолжения запуска с помощью главной электрической машины (20), работающей в режиме синхронного электродвигателя с помощью схемы регулятора (610) для запуска в синхронном режиме, причем переход от режима асинхронного двигателя к режиму синхронного двигателя производится, когда скорость вращения вала превышает заранее определенный порог; и открывания контактора (64) запуска после запуска и поджига газотурбинного двигателя с возможностью обеспечения функционирования главной электрической машины (20) в режиме электрического синхронного генератора;

клетка, образованная демпфирующими стержнями (222), выполнена с возможностью обеспечения запуска в режиме асинхронного двигателя без участия роторной индукционной катушки главной электрической машины в создании момента запуска, в режиме короткого замыкания.

2. Стартер-генератор по п.1, отличающийся тем, что демпфирующие стержни (222) распределены по существу равномерно в угловом направлении, при этом угловой шаг Р между двумя соседними демпфирующими стержнями рассчитан таким образом, чтобы 0,8Pm

3. Стартер-генератор по п.1, отличающийся тем, что содержит датчик (14) углового положения, соединенный с второй схемой-регулятором (610) запуска для передачи в нее информации об угловом положении ротора главной электрической машины.

4. Стартер-генератор по п.1, отличающийся тем, что каждая схема-регулятор (608, 610) запуска соединена с датчиками (620a, 620b, 620c), выдающими данные, характеризующие значения силы тока в статорных обмотках главной электрической машины, и каждая схема-регулятор запуска содержит вычислительный блок для оценки получаемого реального момента запуска на основании данных, характеризующих значения силы тока в статорных обмотках, и для формирования сигналов управления инвертором (602) с целью автоматического регулирования реального момента запуска по записанному в памяти заданному значению момента.

5. Стартер-генератор по п.4, отличающийся тем, что блок (60) регулирования запуска соединен с датчиком (14), выдающим информацию о скорости вращения вала, и содержит цепь для передачи в первую и вторую схемы-регуляторы (608, 610) запуска заданного значения момента на основании заранее записанного в память профиля изменения момента запуска в зависимости от скорости вращения вала.

6. Газотурбинный двигатель, оборудованный стартером-генератором по любому из пп.1-5.

7. Способ управления стартером-генератором газотурбинного двигателя во время фазы запуска газотурбинного двигателя, при этом стартер-генератор содержит: главную электрическую машину, содержащую статор со статорными обмотками и ротор с роторной индукционной катушкой и демпфирующими стержнями (222), образующими клетку и соединенными электрически друг с другом своими концами, и блок (30) возбуждения, содержащий статорную индукционную катушку и ротор с роторными обмотками, соединенными с роторной индукционной катушкой главной электрической машины через вращающийся выпрямитель (36), при этом роторы главной электрической машины и блока возбуждения установлены на общем валу (12), механически связанном с валом газотурбинного двигателя;

отличающийся тем, что:

Первоначально газотурбинный двигатель не работает, главную электрическую машину (20) переводят в режим асинхронного двигателя посредством подачи переменного тока в статорные обмотки главной электрической машины, при этом при помощи демпфирующих стержней (222) создают момент запуска без участия роторной индукционной катушки электрической машины в создании момента запуска путем короткого замыкания;

Главную электрическую машину (20) переводят затем в режим синхронного двигателя посредством подачи переменного тока в статорные обмотки главной электрической машины с одновременным питанием роторной индукционной катушки главной электрической машины постоянным током посредством подачи постоянного тока в статорную индукционную катушку блока (30) возбуждения, причем

команду на переход от первого этапа к второму этапу фазы запуска подают, когда скорость вращения вала достигает заранее определенного значения, после чего, как только газотурбинный двигатель запущен и подожжен, главная электрическая машина (20) работает в режиме электрического синхронного генератора, и прекращают подачу переменного тока на статорные обмотки главной электрической машины.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что используют главную электрическую машину, в которой демпфирующие стержни по существу равномерно распределены в угловом направлении с таким угловым шагом Р между двумя соседними демпфирующими стержнями, при котором 0,8Pm

9. Способ по любому из пп.7 или 8, отличающийся тем, что во время фазы запуска стартером-генератором управляют таким образом, чтобы он автоматически регулировал момент, создаваемый главной электрической машиной, по заранее определенному заданному значению в зависимости от скорости вращения вала.

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.