СПОСОБ ЗАПУСКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD OF GAS TURBINE ENGINE START

Изобретение относится к авиационной технике и может быть использовано для запуска газотурбинных двигателей летательных аппаратов.
Известен способ запуска газотурбинного двигателя, заключающийся в раскрутке стартером ротора турбокомпрессора в начале запуска для подачи воздуха в камеру сгорания, подаче топливовоздушной смеси в камеру сгорания, поджигании топливовоздушной смеси и отключении стартера после набора заданной частоты вращения ротора турбокомпрессора, причем в начале запуска совместно с ротором турбокомпрессора раскручивают камеру сгорания и дополнительно осуществляют подачу рабочего тела под давлением в сопловой аппарат на выходе из камеры сгорания в обход последней (см. патент РФ №2050455, кл. Р02С 9/26, 1995 г.).
В результате анализа известного способа необходимо отметить, что он не позволяет обеспечить работу стартера на режиме максимальной мощности в процессе всего периода запуска, что увеличивает время запуска двигателя.
Известен способ запуска авиационного газотурбинного двигателя, включающий разгон вала запускаемого двигателя от турбостартера через обгонную муфту и разгон, по меньшей мере, вала одного гидравлического объемного насоса, сообщенного гидравлически с потребителем, например с системой управления самолетом, причем во время запуска двигателя рабочую жидкость с выхода гидравлического объемного насоса пропускают через гидравлическую систему потребителя, в качестве которой используют обводную гидравлическую линию, для чего у последней соединяют ее вход с выходом гидравлического объемного насоса. При пропускании рабочей жидкости через гидравлическую систему потребителя 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 известного способа необходимо отметить, что при его осуществлении при раскручивании на повышенных частотах вращения вала турбокомпрессора падает его мощность за счет падения мощности турбостартера, что увеличивает время запуска двигателя.
Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение времени запуска газотурбинного двигателя за счет обеспечения заданной мощности, подаваемой через редуктор на ротор компрессора.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе запуска газотурбинного двигателя, включающем кинематическое соединение посредством муфты ротора компрессора двигателя с турбостартером, приведение во вращение ротора компрессора от турбостартера, раскручивание его турбостартером до заданной частоты вращения и разъединение кинематической связи турбокомпрессора и ротора компрессора двигателя посредством отключения муфты, новым является то, что в кинематическую цепь между турбостартером и ротором компрессора включают устройство с регулируемым передаточным отношением, при запуске двигателя в процессе раскручивания турбостартером ротора компрессора измеряют частоту вращения ротора компрессора, по наперед заданной зависимости по отношению частоты вращения свободной турбины и частоты вращения ротора компрессора формируют управляющий сигнал, которым регулируют передаточное отношение устройства с регулируемым передаточным отношением, при этом значение частоты вращения ротора компрессора сравнивают с заданной его частотой и при их равенстве отключают муфту.
Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами, на которых представлены:
- на фиг.1 - схема системы запуска газотурбинного двигателя, посредством которой может быть реализован заявленный способ;
- на фиг.2 - график изменения мощности турбостартера в зависимости от частоты вращения вала его свободной турбины.
Система запуска газотурбинного двигателя 1, реализующая заявленный способ, содержит привод 2 вращения ротора компрессора, кинематически связанный с выходом редуктора 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 его входного элемента по отношению к выходному (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, реализующей способ, 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 ее положением - включена/выключена. 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 и свободной турбины турбостартера, 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 компрессора с наперед заданной величиной, соответствующей значению частоты вращения, при которой отключается турбостартер.
Способ запуска газотурбинного двигателя осуществляют следующим образом.
Для запуска двигателя включают в работу турбостартер 12, начинающий раскручивать свободную турбину 13, вращение с которой передается на устройство 9, передаточное отношение которого в данный момент равно единице, 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 в процессе его раскручивания отслеживается датчиком 6, с которого значение частоты вращения поступает на устройство сравнения 7 и задатчик 11 режима работы устройства 9.
В процессе раскручивания ротора компрессора двигателя посредством устройства 7 осуществляют сравнение заданной (при которой осуществляется подача топлива в камеру сгорания двигателя и его поджиг) и фактической частот вращения, 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.
ст
к
cт
Параллельно, в задатчике 11 по наперед заданной зависимости формируют управляющий сигнал (i) заданного передаточного отношения устройства 9, 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 и оно регулируется таким образом, чтобы поддержать постоянную максимальную 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 двигателя, включают подачу топлива в камеру сгорания, поджиг его и включение в работу двигателя. Ротор компрессора раскручен при этом до рабочей частоты вращения, и соответствующий сигнал с датчика 6 поступает на элемент сравнения, который вырабатывает управляющий сигнал, подает его 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.