СИСТЕМА ЗАПУСКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Известна система запуска газотурбинного двигателя, на валу ротора турбокомпрессора которого установлен компрессор, имеющий воздуховод, на выходе воздуховода расположен сопловой аппарат и турбина. Система содержит камеру сгорания, являющуюся турбиной активной мощности с сопловым аппаратом на ее выходе. Камера сгорания установлена на своем валу с возможностью вращения относительно ротора турбокомпрессора. Система оснащена стартером, связанным через механическую передачу с валом, на котором установлена камера сгорания, а сам вал связан с валом турбокомпрессора через отключающую муфту.
Для запуска двигателя принудительно вращают ротор турбокомпрессора для подачи воздуха к камере сгорания с целью получения в ней нагретого рабочего тела. Одновременно в камеру сгорания подают топливо для образования топливно-воздушной смеси и осуществляют ее поджиг.
При начале запуска одновременно с принудительным вращением ротора турбокомпрессора осуществляют принудительное вращение камеры сгорания. Это происходит благодаря кинематической связи вала камеры сгорания со стартером через зубчатую передачу. При этом в начале запуска совместно вращаются камера сгорания и ротор турбокомпрессора. Кроме того, вращение камеры сгорания может обеспечиваться сопловым аппаратом, в который подается воздух от компрессора по воздуховоду. Совместное вращение камеры сгорания и ротора турбокомпрессора продолжается до тех пор, пока частота вращения ротора не начнет превышать частоту вращения камеры сгорания. В этот момент частота вращения ротора достаточна для выхода двигателя на режим малого газа, и муфта отсоединяет вал ротора турбокомпрессора от вала (следовательно, от стартера). Далее прекращают принудительное вращение камеры сгорания.
В процессе запуска двигателя в сопловой аппарат камеры сгорания под давлением в обход камеры сгорания по воздушному каналу подают рабочее тело. Это позволяет перевести сопловой аппарат камеры сгорания в режим дозвукового истечения на время запуска, что снижает потери энергии и повышает эффективность запуска двигателя.
(см. патент РФ №2050455, кл. Р02С 9/26, 1995 г.).
В результате анализа известной системы необходимо отметить, что она не позволяет обеспечить работу пускового устройства на режиме максимальной мощности, что увеличивает время запуска двигателя.
Известна реализующая способ система запуска газотурбинного двигателя, содержащая связанный через систему шестерен и обгонную муфту с турбостартером вал запускаемого двигателя. С валом двигателя также кинематически связаны гидравлический насос и электрогенератор. Вход гидравлического насоса соединен с баком рабочей жидкости, а выход - с агрегатами систем управления самолетом. Выход насоса через клапан перепуска соединен с его входом.
В процессе работы системы при запуске двигателя вращение от вала турбостартера через обгонную муфту сообщается валу двигателя и одновременно валу гидравлического насоса. Рабочую жидкость с выхода насоса пропускают через агрегаты систем управления самолетом, при этом снижается уровень потребляемой мощности объемным гидравлическим насосом. При выходе на рабочий режим (например, малого газа), в камеру сгорания подают топливо и осуществляют его поджиг.
Когда частота вращения вала турбостартера становится меньше частоты вращения вала двигателя, обгонная муфта размыкает кинематическую связь турбостартера и вала двигателя, после чего турбостартер отключают.
(см. патент РФ №2168043, кл. Р02С 7/26, 2001 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа известной системы необходимо отметить, что в известной системе на повышенных частотах вращения вала турбокомпрессора падает его мощность, что увеличивает время запуска двигателя.
Техническим результатом настоящей полезной модели является сокращение времени запуска газотурбинного двигателя за счет обеспечения заданной мощности, подаваемой на вал двигателя.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в системе запуска газотурбинного двигателя, содержащей турбостартер, имеющий возможность кинематического соединения через муфту с редуктором ротора компрессора двигателя, новым является то, что система оснащена механизмом управления муфтой, устройством с регулируемым передаточным отношением, установленным между турбостартером и муфтой, задатчиком режима работы устройства с регулируемым передаточным отношением, выход которого связан с механизмом регулирования передаточного отношения устройства, устройством сравнения частоты вращения компрессора с заданной, выход которого связан с механизмом управления муфтой, а входы задатчика и устройства сравнения связаны с датчиком частоты вращения компрессора, причем в качестве устройства с регулируемым передаточным отношением использован вариатор.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых:
- на фиг.1 - представлена схема системы запуска газотурбинного двигателя;
- на фиг.2 - график изменения мощности турбостартера в зависимости от частоты вращения вала его свободной турбины.
Система запуска газотурбинного двигателя 1 содержит привод 2 вращения ротора компрессора, кинематически связанный с редуктором 3, один из выходов которого связан с внешней нагрузкой 4 (например, насосами, вентиляторами системы охлаждения и пр.).
На входе редуктора 3 установлена муфта 5.
к
Система оснащена датчиком 6 частоты вращения ротора компрессора двигателя (n), связанным с устройством сравнения 7, выход которого связан с механизмом 8 управления муфтой 5.
Через муфту 5 входной элемент (вал) редуктора 3 имеет возможность кинематического соединения с устройством 9 с регулируемым передаточным отношением (например, вариатором). Устройство 9 управляется механизмом 10, вход которого связан с задатчиком 11 передаточного отношения устройства 9.
Система оснащена турбостартером 12, скомпонованным со свободной турбиной 13, связанной с входом (входным валом) устройства 9.
Для комплектации системы используются стандартные блоки, устройства и механизмы.
Турбостартер со свободной турбиной и редуктор являются стандартными агрегатами.
В качестве устройства с регулируемым передаточным отношением наиболее целесообразно использовать вариатор, управляемый например гидропереключателем.
Муфту наиболее целесообразно использовать электромагнитную, оснащенную механизмом управления. В качестве механизма управления может быть использован, например, электромагнит с сердечником.
В качестве задатчика 11 может быть использован электронный блок, реализующий наперед заданное отношение частот вращения ротора компрессора двигателя и свободной турбины устройства, так чтобы после достижения частоты вращения свободной турбины значения соответствующего максимальной мощности, частота вращения свободной турбины оставалась постоянной.
В качестве устройства сравнения может быть использован электронный блок в котором сравнивается частота вращения ротора двигателя с наперед заданной величиной, соответствующей значению частоты вращения, при которой отключается муфта.
Система управления запуском газотурбинного двигателя работает следующим образом.
Для запуска двигателя включают в работу турбостартер 12, приводящий во вращение свободную турбину 13, вращение с которой передается на устройство 9 и далее - через включенную муфту 5 на редуктор 3, который начинает раскручивать ротор компрессора двигателя и подсоединенные к выходу редуктора 3 нагрузки 4. Частота вращения ротора компрессора двигателя отслеживается датчиком 6, с которого значение частоты вращения поступает на устройство сравнения 7 и задатчик 11 передаточного отношения устройства 9.
В устройстве 7 осуществляется сравнение заданной (при которой в камеру сгорания подают топливо и осуществляют его поджиг) и фактической частот вращения ротора компрессора и пока измеренная частота вращения ротора компрессора не превысила заданную, на механизм 8 управления муфтой выдается сигнал, в соответствии с которым муфта остается во включенном положении и передает вращение от свободной турбины 13 турбостартера 12 через редуктор 3 на привод 2 вращения ротора компрессора двигателя.
cт
к
ст
Параллельно, в задатчике 11 формируется управляющий сигнал (i), который характеризует отношение (i=n/n), где n - частота вращения вала свободной турбины турбостартера. Данный сигнал поступает на механизм 10 управления устройством 9 для регулирования его передаточного отношения.
В процессе запуска двигателя частота вращения вала свободной турбины турбостартера постепенно увеличивается (см. фиг.2) и постепенно увеличивается частота вращения ротора компрессора. При достижении определенной частоты вращения вала свободной турбины турбостартера, ее мощность начинает уменьшаться (штриховая линия на фиг.2), следовательно, уменьшается мощность раскрутки ротора компрессора, что увеличивает время запуска. Чтобы этого не произошло, задатчик 11 формирует управляющий сигнал, который подается на механизм 10 управления передаточным отношением устройства 9, которое регулируется таким образом, чтобы поддержать постоянную мощность, подаваемую на ротор компрессора двигателя (горизонтальная линия графика на фиг.2), что и позволяет сократить время запуска двигателя.
При достижении компрессором заданных оборотов, достаточных для розжига камеры сгорания, включается подача топлива в камеру сгорания, поджиг его и включение в работу двигателя. Ротор компрессора при этом раскручен до заданной (рабочей) частоты вращения и соответствующий сигнал с датчика 6 поступает на устройство сравнения 7, которое вырабатывает управляющий сигнал на механизм 8 управления муфтой 5 и отключает ее, разъединяя кинематическую цепь, связывающую турбокомпрессор 12 с редуктором 3 двигателя. Отключают турбокомпрессор. Процесс запуска двигателя закончен.
Таким образом, за счет оптимального использования мощности свободной турбины турбостартера обеспечивается минимально возможное время запуска двигателя.