Испытания по проверке запуска двигателя

Запуск двигателя является одним из важнейших эксплуатационных свойств, проверяемых при испытаниях. При запуске двигатель должен выходить на режим малого газа за определенный промежуток времени после нажатия кнопки «Запуск» и перевода РУД в положение «Малый газ».

На практике различают земной и высотный запуски. Земной запуск производится в широком диапазоне температур атмосферного воздуха (-60...+60 °С) после длительного нахождения самолета на аэродроме, когда двигатель и все его системы имеют температуру окружающей среды. Высотный запуск должен выполняться до максимальных высот и чисел М полета, характерных для крейсерского полета. Так, например, запуск двигателя транспортного самолета производится до высот Н=8...11 км при числах М=0,7...0,8.

Запуск в значительной мере зависит от режима, предшествующего воспламенению топливовоздушной смеси в основной камере сгорания. При земном запуске пусковым устройством двигатель выводится на частоту вращения, при которой обеспечивается воспламенение смеси в камере. При высотном запуске подача топлива производится на режиме авторотации. Если режим авторотации не обеспечивает условий воспламенения, то, как и при земном запуске, применяется пусковое устройство для увеличения частоты вращения ротора. Как при наземном, так и при высотном запусках исходным для подачи топлива может быть режим снижения частоты вращения после выключения двигателя. Такой запуск называется встречным.

После подачи топлива и его воспламенения разгон двигателя производится с помощью пускового устройства и за счет избыточной мощности турбины. Пусковое устройство может работать до выхода на режим малого газа или отключаться после получения достаточной для дальнейшего разгона избыточной мощности турбины.

Процессы, происходящие при запуске, недостаточно изучены, и поэтому необходимо проводить значительное число доводочных испытаний. Существенное влияние на запуск оказывают внешние условия (давление и температура воздуха на входе в двигатель, его влажность), температура деталей двигателя, температура топлива и масла, программа подачи топлива и др. Поэтому доводочные испытания могут быть проведены на специальных высотных или так называемых климатических стендах. На таких стендах обеспечивается подача воздуха на вход двигателя с необходимыми параметрами по давлению, температуре, влажности, а также необходимое давление окружающей среды. Кроме того, стенд оснащается целым рядом дополнительных систем. Важнейшими из них являются:

- система предварительного охлаждения или подогрева двигателя, топлива и масла для воспроизведения условий запуска после длительного пребывания двигателя в составе силовой установки при низких или высоких температурах атмосферного воздуха;

- системы для создания влажности воздуха, подаваемого на вход двигателя;

- системы отбора воздуха и мощности от двигателя, подачи различных видов энергии, необходимых для запуска, соответствующие самолетным системам;

- системы интенсификации процессов запуска в высотных условиях (подача кислорода, подогрев воздуха, поступающего в воспламенитель и др.).

На наземных стендах при контрольных и сдаточных испытаниях производится только регулировка основных параметров запуска по принятой технологии.

При отработке процессов запуска на высотных стендах выделяется ряд отдельных этапов запуска.

Режим авторотации определяется отношением полного давления на входе в двигатель к давлению окружающей среды:

При отсутствии влияния полетных условий на характеристики элементов двигателя безразмерные или приведенные его параметры зависят от одного критерия подобия - числа М полета. С увеличением числа М полета наблюдается рост приведенных значений частот вращения, давлений и температур в проточной части двигателя до момента достижения критической степени понижения давления в сопле или предела расширительной способности турбины. Число М, при котором это происходит, называется предельным (М_пред). При М³М_пред приведенные параметры двигателя остаются постоянными, т.е. двигатель выходит на максимальную приведенную частоту вращения. На характеристике компрессора режиму авторотации двигателя с неизменными геометрическими размерами соответствует единая ЛРР. При увеличении площади критического сечения сопла ЛРР смещается в сторону больших расходов воздуха и увеличения запасов устойчивой работы, увеличения приведенной частоты вращения.

Сильное влияние на режим авторотации и последующий процесс запуска оказывают отборы мощности и воздуха на самолетные агрегаты. При увеличении этих отборов уменьшается максимальная приведенная частота вращения ротора и сам процесс авторотации начинается не с нулевого значения частоты вращения, а с некоторого конечного, т.е. в диапазоне некоторых чисел М ротор двигателя остается неподвижным.

Безразмерную характеристику авторотации получают путем последовательного выхода двигателя на различные отношения давлений р*_в/р_н.

При этом полное давление и температура торможения воздуха на входе остаются постоянными и соответствуют, обычно, характерным условиям полета. Кроме того, проводятся испытания двигателя при пониженных значениях полного давления и температуры торможения воздуха на входе, соответствующих максимальной высоте полета, при которой двигатель должен запускаться.

Затем оценивается влияние отборов мощности и воздуха от двигателя на параметры авторотации. Для этого на двигатель устанавливаются самолетные агрегаты, генераторы, гидронасосы, а для их загрузки на стенде монтируются специальные системы.

В ряде случаев возникает необходимость определения продолжительности выхода на режим авторотации. При этом различают два случая - выход на режим авторотации при неподвижном роторе в исходном положении и выход после выключения двигателя. В первом случае выход сопровождается увеличением частоты вращения, во втором - ее уменьшением.

Режим работы двигателя от пускового устройства без подачи топлива в камеру сгорания называется режимом холодной прокрутки. На характеристике компрессора режимы холодной прокрутки располагаются выше режимов авторотации. С увеличением числа М полета линии холодной прокрутки смещаются вправо по напорным ветвям и при числах М³0,8 вырождаются в режимы авторотации. При испытаниях по исследованию режимов холодной прокрутки и авторотации фиксируется коэффициент скорости на входе в камеру сгорания l_к, определяющий, наряду с другими параметрами, пусковые свойства камеры сгорания. На режимах холодной прокрутки величина l_к располагается значительно ниже, чем на режимах авторотации (рис. 5.12).

Важной характеристикой холодной прокрутки является потребляемая мощность. Зависимость мощности прокрутки от частоты вращения близка к параболической. У каждого типа двигателей, а в ряде случаев и у отдельных экземпляров двигателей в количественном отношении зависимость мощности от частоты различна и плохо поддается обобщениям. При низких температурах атмосферного воздуха мощность холодной прокрутки существенно меняется вследствие возрастания мощности трения в трансмиссии двигателя.

Для запуска авиационных двигателей применяются пусковые устройства различного типа. Наиболее распространены электрические пусковые устройства для двигателей малой размерности и воздушные и газотурбинные - для двигателей средней и большой размерности. Каждому пусковому устройству свойственна определенная механическая характеристика, представляемая обычно в виде изменения крутящего момента в зависимости от частоты вращения. При испытаниях проводится проверка зависимости механической характеристики пускового устройства от состояния источников питания, которые могут менять свои параметры под влиянием окружающей среды.

Известны различные способы воспламенения топливовоздушной смеси в камере сгорания, например от свечи зажигания до применения самовоспламеняющихся пирофорных топлив. Пусковая характеристика камеры сгорания, определяющая совокупность параметров, при которых происходят воспламенение и последующее устойчивое горение топлива, зависит от большого числа факторов и подробно исследуется при автономных испытаниях камеры сгорания. Для камер сгорания, работающих в системе двигателя, переменными являются условия на входе в камеру сгорания и расход топлива или коэффициент избытка воздуха.

Зависимости пусковых характеристик весьма сложны, поэтому при исследованиях применяются методы планирования эксперимента, подобия и

Рис. 5.13. Пусковая характеристика камеры сгорания (заштрихована граница воспламенения)

характеристику часто представляют в координатах а_о-р_к/с_к, где а_о - размерности. Так, пусковую коэффициент избытка воздуха; р_к - давление; с_к - скорость на входе в камеру сгорания (рис. 5.13). В результате экспериментов получают граничную кривую а_о=f(р_к/с_к), которая делит область на две части, в одной из которых обеспечиваются устойчивое воспламенение и горение топлива. При выходе двигателя на исходный режим запуска, авторотации или режима холодной прокрутки необходимо обеспечить попадание в устойчивую область пусковой характеристики.

Рис. 5.14. Основные процессы запуска на характеристике компресс-сора:

линия 1-2 – холодная прокрутка; линия 2-3 – воспламенение топлива; линия 3-4 – выход на линию рабочих режимов; линия 4-5 – разгон с сопровождением пускового устройства; линия 5-6 – разгон без пускового устройства; линия 4-7 – линия установившихся режимов (заштрихована область неустойчивой работы компрессора)

Успешность запуска камеры сгорания обеспечивается циклограммой временного механизма, выбор которой является важной задачей экспериментальной отработки процесса запуска. Продолжительность одного цикла работы временного механизма зависит от следующих составляющих:

t_ц= t_x.x+ t_з.м+ t_в.п+ t_в.о,

где t_х.х - время холостых ходов временного механизма; t_з.м - время заполнения топливных магистралей; t_в.п - время задержки воспламенения пускового топлива; t_в.о - время задержки воспламенения основного топлива.

При этом должна работать система зажигания и подачи пускового топлива, т.е. временной механизм определяет последовательность включения системы зажигания, клапана пускового топлива, открытие крана основного топлива.

После воспламенения топливовоздушной смеси в основной камере сгорания происходит разгон двигателя при работающем пусковом устройстве или без него. Линия разгона на характеристике компрессора располагается выше линии рабочих установившихся режимов и приближается к границе устойчивой работы (рис. 5.14). Регулировка системы автоматического управления на заключительном этапе запуска должна обеспечить выход двигателя на режим малого газа без холодного и горячего зависания. Холодное зависание, т.е. когда практически прекращается разгон двигателя, свидетельствует о недостаточной подаче топлива, горячее зависание получается, когда компрессор попадает в область неустойчивой работы при избыточно большой подаче топлива.

Вопросы для самоконтроля

1. Зачем в дополнение к стандартным атмосферным условиям вводятся расчетные атмосферные условия?

2. Насколько целесообразно принятое условие для САУ, что абсолютное влагосодержание d=0?

3. Что в наибольшей степени вызывает нарушение подобия работы двигателя?

4. Какими способами можно уменьшить поправки к измеренной тяге двигателя на закрытом наземном стенде?

5. При каких условиях измеренная сила при испытаниях двигателя по схеме с присоединенным трубопроводом будет равна полетной тяге?

6. Как формы представления результатов испытаний двигателя зависят от вида характеристики - дроссельной, скоростной, высотной?

7. Для определения каких параметров рабочего процесса используется уравнение энергии?

8. Какие пути используются для нахождения параметров рабочего процесса и характеристик узлов?

9. Какова роль математической модели в анализе результатов испытаний?

10. Каковы особенности испытаний ТВД?

11. На каких принципах основаны способы определения запасов газодинамической устойчивости двигателя?

12. Какие элементы двигателя определяют его запуск и какие в связи с этим требуются измерения?