Критические угловые скорости роторов

Критические угловые скорости роторов

Простейшая схема ротора (рис. 7.1) состоит из невесо­мого вала, вращающегося в двух шарнирных опорах, и диска, закрепленного точно посередине вала, между опорами. Диск обладает массой m, центр масс расположен на расстоянии a относительно оси вала. При вращении ротора вал прогибается на величину y под действием инерционной силы P. При установив­шемся движении существует состояние равновесия между силой P и силой упругости вала: (7.1), где c - коэффициент жесткости валя на изгиб. Для рассматриваемой схемы

Рис. 7.1. Схема простейшего симметричного ротора

 

 

Рис. 7.2. Изменение прогиба симметричного ротора в зависимости от угловой скорости:0 - область «жесткого» ротора; — — область «гибкого» ротора

(7.2)

(7.4)

Как следует из формул (7.4) и (7.2), критическая скорость ротора зависит только от соотношения жесткости вала и массы диска, т. е. от соответствующих конструктивных размеров. По­этому критическая скорость ротора является его динамической характеристикой. Роторы, работающие на скоростях меньших, чем критические, принято называть «жесткими», а роторы, рабо­тающие на скоростях, превышающих критические, — «гибкими». Для «жестких» роторов состояние равновесия является стати­ческим. Для них характерно увеличение прогибов и усилий, действующих на опоры, с увеличением угловой скорости. «Гибкие» роторы находятся в состоянии устойчивого динами­ческого равновесия. Допускать разницу между рабочей и критической скоростью меньше чем ±10 % опасно из-за интен­сивности роста прогиба. Все современные роторы ГТД относятся к гибким. Для таких роторов проход зоны критической скорости при разгоне ротора и торможении должен происходить с большим ускорением и замедлением, для того чтобы время про­хода зоны было минимальным и увеличение прогиба за это время незначительным. Следует обратить внимание на то, что формула (7.4) критиче­ской скорости совпадает с формулой собственной частоты одномассовой системы. Это означает, что критическая скорость численно равна угловой частоте собственных колебаний, а критическая частота вращения ротора равна собственной частоте изгибных колебаний.

 

Определение суммарных напряжений в рабочих лопатках ГТД.

σ_Σ=изгиб. напряж.+ растяг. напряж.+ термич. напряж.+ вибрационных напряж.

значения для каждого узла ГТД зависят от тех или иных составляющих.Например для входа в компрессор преобладают растяг. напряжения, для последних ступеней компрессора наибольшие изгибающие напряж.

Для турбины учитываются термич. напряж. и вибрац. напряж. поэтому суммарные напряжения становятся больше

13 Запас прочности лопаток. Основным критерием прочности лопатки является запас проч­ности по напряжениям. Как известно, запас прочности представ­ляет собой отношение предельного напряжения, при котором про­исходит разрушение материала, к наибольшему напряжению, действующему в каком-либо сечении или точке лопатки. В качестве предельного напряжения здесь принимается предел длительной прочности. Это — напряжение, которое выдерживает материал в течение определенного времени tпри рабочей темпе­ратуре T. Оба индекса указываются при выборе предела длитель­ной прочности. Тогда

Запас прочности может определяться по среднему напряжению в сечении или по местному наибольшему напряжению в отдельных точках сечения.

Среднее напряжение определяется как отношение растяги­вающей центробежной силы к площади поперечного сечения: σ_ср=N/F. Изгибающие моменты и температурные напряжения продольной силы в сечении не создают. Тогда

В турбинных лопатках предел длительной прочности материала изменяется вдоль лопатки соответственно изменению температур. σ^T_t выби-рается по средней температуре сечения. Опасное сечение лопатки, где запас прочности минимальный, не совпадает с сече­нием, где напряжение макси-мально.

Запас прочности по местным напряжениям определяется по суммарному напряжению в отдельных точках сечения с учетом изгибающих моментов и температурных напряжений:

 

Изгибные формы колебаний

Рис 1. Разновидности хвостовиков рабочих лопаток комп-ров ГТД

Хвостовик типа "ласточкин хвост" получил наибольшее распрост­ранение в компрессорах ГТД (рис. 1,б). Он прост в исполнении, так как имеет всего два рабочие поверхности, имеет малую массу и не­большие геометрические размеры. Хвостовик лопатки 1 устанавливает­ся в паз диска 2 (см. рис. 1,б) в большинстве случаев с зазором 0,01...0,04 мм.

При совместном действии на лопатку статических и динамических сил в хвостовике возникают большие напряжения от изгиба и растяже­ния, а от контактных давлений при перемещении лопатки в процессе колебании возникает фретинг-коррозия. Для уменьшения отрицатель­ного действия фретинг-коррозии на хвостовик наносится покрытие из слоя меди, серебра или двусернистого молибдена толщиной 0,003...0,005 мм.

Хвостовик лопатки типа "проушина" показан на рис. 1.а. В два продольных паза, выполненных в диске 4, устанавливаются проушины 5 хвостовика лопатки. Крепление лопатки осуществляется осью 1, которая в тело диска устанавливается с натягом, а в тело хвостовика - с зазором. Ось 1 фиксируется в осевом направлении шайбой 3 и пи­стоном 2. Такой хвостовик выполняет роль шарнира, благодаря которому лопатка под воздействием газодинамических и инерционных сил, поворачиваясь, располагается не радиально в плоскости вращения, а под некоторым углом к радиусу. Это приводит к снижению вибрацион­ных напряжений при колебаниях лопаток. Свободная подвеска, допускающая покачивание лопатки при работе двигателя, способствует рассеянию энергии. Для уменьшения износа и заедания в шарнире проушину лопатки 5 изнутри и с торцов и наружную поверхность оси 1 покрыва­ют двусернистым молибденом.

Недостатком хвостовика является его сложность, большие габариты и масса, а также дополнительные потери в ступени за счет перетекания воздуха через зазоры в соединении хвостовика с диском, что снижает КПД ступени.

Хвостовик елочного типа используется обычно для крепления сильно нагруженных рабочих лопаток первых ступеней вентилятора ТРДД. Хвостовик имеет малые габариты, способен воспринимать боль­шие нагрузки и позволяет разместить большее число лопаток на рабочем колесе заданного диаметра по сравнению с хвостовиками других типов. На рис.1,в показан хвостовик лопатки 1 вентилятора ТРДД елочного типа с одной парой зубьев. От осевого смещения лопатка (хвостовик) фиксируется винтом 3, который одновременно крепит кок-обтекатель 2. Фиксация лопатки осуществляется также торцом фигур­ного кольца 4, закрепляемого на диске рядом винтов 5. Рабочие тем­пературы хвостовиков лопаток, расположенных на входе в двигатель, невелики. В связи с этим перераспределения нагрузок между зубьями хвостовика за счет пластической деформации материала, как это про­исходит в елочных хвостовиках лопаток газовых турбин, в компрессорах практически не будет. Поэтому число пар зубьев хвостовика лопатки компрессора обычно бывает не более двух. По этой же причине (отсутствие перераспределения нагрузок) зубья хвостовика изготовляются с большей точностью, что удорожает конструкцию.

При работе компрессора на лопатки и их хвостовики действуют газовые и инерционные нагрузки, которые стремятся сдвинуть лопатку в осевом направлении. Учитывая, что, кроме указанных сил, на лопатку воздействуют вибрационные и случайные нагрузки, осевая фиксация лопатки осуществляется в обе стороны, т.е. по полету и против полета.

Все многообразие фиксирующих устройств можно разделить на два основных типа: групповые, когда одним элементом фиксируются все лопатки на диске, и индивидуальные.

Групповая фиксация лопаток может осуществляться трактовыми кольцами в роторах дискового типа. Для группо­вой фиксации используется также разрезное кольцо 1 (рис.2, е) прямоугольного сечения. Это пружинящее кольцо располагается в канавке, проточечной в диске и хвостовике лопатки, и прижимается к хвостовику центробежными силами.Групповая фиксация лопаток может осуществляться и кольцами круглого сечения.

Индивидуальные фиксаторы лопаток должны обладать простотой конструкции, удобством монтажа и надежностью. В практике двигателестроения нашли применение различные конструкции фиксаторов, имеющие примерно одинаковую надежность; некоторые из них показа­ны на рис; 2,а...2,д. Осевые штифты 1 (рис. 2, а) устанав­ливаются в глухие отверстия, которые сверлятся после установки лопатки; оставшиеся отверстия завальцовываются. Вместо гладкого штифта может использоваться резьбовой штифт. Широко применяются радиальные штифты 1 (рис.2,в и 2,г), запрессованные в диски, в которые упираются лопатки. Если штифты 1 имеют большие размера (рис.2,д), то в них могут вворачиваться винты 2, поддерживаю­щие профильные кольца 3, которые играют роль балансировочных грузиков. Широко используются пластинчатые контровки различных конструкций.

На рис.2,б показана такая контровка 1 с раздвоенными концами, ко­торые отгибаются на диск и лопатку. На рис.2,в пластинчатая контровка 3 приварена к штифту 2. Комбинированная фиксация лопатки с помощью радиального штифта 1 и разжимного кольца 2 показана на рис.2,г.

РОТОРЫ ОСЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ

По конструкции элементов, к которым крепятся рабо­чие лопатки, различают следующие типы роторов осевых компрес­соров: барабанный (а), дисковый (б) и смешанный — барабанно-дисковый (в) (см. рис. 3.23).

Рис. 3.23. Типы роторов компрессора

Ротор барабанного типа

Ротор барабанного типа представляет собой барабан, на ко­тором крепятся лопатки и две боковые крышки с цапфами, с по­мощью которых ротор опирается на подшипники (рис. 3.24, а). В зависимости от закона профилирования проточной части бара­бан может иметь цилиндрическую или коническую форму. Для крепления лопаток на его поверхности прорезаются кольцевые или продольные фасонные пазы (рис. 3.24, б, в). При продольных пазах число лопаток во всех ступенях одинаковое, что не позво­ляет обеспечить максимальную напорность в каждой ступени. Однако такое расположение лопаток удобно для их монтажа и демонтажа, а изготовление продольных пазов проще, чем коль­цевых. Расстояние между лопатками обеспечивается специальными проставками 3.

 

 

Ротор барабанного типа:а — принципиальная схема; б — крепление ло­паток, установленных в кольцевые пазы; в — крепление лопаток, установленных в продольные пазы: 1— барабан; 2 — рабочая лопатка; 3, 4 — проставка; 4' — проставка до постановки в паз; 5 — отверстие

Достоинство ротора барабанного типа: простота конструкции и, следовательно, простота изготовления, большая поперечная (изгибная) жесткость и, как следствие, высокая критическая частота вращения.

Недостатком ротора данного типа является его низкая несу­щая способность, допускающая окружные скорости на среднем диаметре лопаток не более 200... 250 м/с. Следовательно, ротор барабанного типа — тихоходный, и для получения необходимой степени повышения давления в компрессоре должно быть большое число ступеней. Это ведет к увеличению массы, что противо­речит одному из основных требований, предъявляемых к компрессорам, — обеспечению минимальной удельной мас­сы .

Передача крутящего момента в роторах дискового типа. Пере­дача крутящего момента от вала к дискам возможна несколькими способами: при помощи шлиц, трения и призонных болтов.

Для фиксирования осевого положения дисков относительно вала используются кольцевые буртики, проставки — трактовые кольца и другие элементы.

Ротор дискового типа

Ротор дискового типа состоит из последовательно расположен­ных дисков, непосредственно не связанных между собой (рис. 3.27). На внешней части дисков (ободе) крепятся рабочие лопатки. Диски имеют центральные отверстия и из условий прочности выполняются с развитой ступицей (часть полотна диска около отверстия).

Ступица служит для соединения с валом, от которого крутя­щий момент с турбины передается каждому диску отдельно. Та­ким образом, ротор дискового типа состоит из дисков 8, лопа­ток 1 и вала 5.

Полотно диска специальным образом профилируется — утоньшается к ободу — для получения минимальной массы при обес­печении необходимой долговечности. Иногда для упрощения производства полотно диска выполняют постоянной толщины.

Рис. 3.27. Ротор дискового типа: а — конструктивная схема ротора; б — фиксация трактовых колец от проворачивания в окружном направлении; / — рабочая лопатка; 2 — трактовое кольцо; 3 — лопатка направляющего аппарата; 4, 7 — гайки, стягивающие диски; 5 — вал; 6 — шлицы; в — диски; 9 — штифт, фиксирующий трактовое кольцо от проворачивания.

Кроме того, уменьшение массы и хорды лопаток, а следовательно, и обода дисков от первых к последним ступеням компрес­сора позволяет уменьшить также и толщину дисков в этом же направлении. Для увеличения вибропрочности дисков последних ступеней толщина их полотна может быть увеличена.

Достоинства дисковых роторов:

— дисковые роторы обладают большей несущей способностью, чем барабанные, и допускают на среднем диаметре лопаток окруж­ные скорости 400... 450 м/с, т. е, дисковый ротор является высоко­напорным;

— диаметр турбины хорошо согласуется с диаметром компрес­сора, что способствует получению двигателем приемлемых диа­метральных габаритных размеров;

— число лопаток на разных ступенях выбирается оптималь­ным. Недостатки дисковых роторов:

— малая изгибная и крутильная жесткость. Для ее увеличе­ния вал необходимо выполнять значительного диаметра, а, сле­довательно, увеличивать толщину ступиц дисков и утяжелять конструкцию ротора в целом;

— вследствие малой жесткости повышенная склонность к возбуждению колебаний дисков.

— меньшая, чем у барабана, жесткость конструкции требует обязательного применения двух опор для ротора компрессора.

Опоры роторов

В опорах современных ГТД применяют подшипники качения, нередко ограничивающие надежность и ресурс работы. Подшип­ники роторов работают при значительных нагрузках, больших угловых скоростях и повышенных температурных режимах.

Подшипники, применяемые в ГТД. В ГТД применяют, несмотря на некоторые недостатки (боль­шие радиальные размеры и большая масса), исключительно подшипники качения, обладающие по сравнению с подшипни­ками скольжения рядом преимуществ: способностью работать при больших частотах вращения, малыми размерами по длине, значи­тельно меньшими коэффициентами трения. Меньшее трение в под­шипнике требует и меньшего количества смазочного масла для его охлаждения. Для роторов авиационных двигателей используют шариковые и роликовые подшипники средних, легких и сверх­легких серий, классов точности 4 и 5. В опорах компрессоров и турбин применяются преимущественно шариковые и роликовые подшипники с точеными неразъемными сепараторами, разделяю­щими шарики и ролики по окружности1, что исключает трение непосредственно между ними.

Под действием осевой силы в подшипнике образуется угол контакта α, которым определяется допустимая величина вос­принимаемой подшипником осевой силы.

Рис. 4.49. Типы применяемых однорядных шариковых и роликовых подшипни­ков (подвод и отвод масла): а — шариковый двухточечный подшипник с буртиком; б — трехточечный подшипник с пазами на наружном кольце; в — четырехточечный подшипник с отверстиями для под­вода масла; г — подшипник с технологическим буртиком под съемник; д, е — ролико­вые подшипники с центрированием сепаратора по наружному кольцу, ж — с центри­рованием сепаратора по внутреннему кольцу; э — подшипник с крепежным фланцем; и — график работоспособности подшипников при различных способах отвода масла

Подшипники, приведенные на рис. 4.49, б, в, имеют разъемные кольца – наружное либо внутреннее. Разъем позволяет увели­чить число шариков, углубить беговые дорожки и использовать неразъемный более прочный сепаратор. Увеличение числа ша­риков уменьшает контактные напряжения в точках контакта, большая глубина канавок в кольцах дает возможность иметь увеличенный угол контакта α, а следовательно, и возможность воспринимать большую осевую силу по сравнению с подшипни­ками двухточечного контакта при прочих равных условиях.

Роликовые подшипники, используемые в ГТД (рис. 4.49, д, е, ж, з), различаются тем, что буртики, удерживающие ролики от осевого перемещения внутри подшипника, выполнены на на­ружном или внутреннем кольце. Такая конструкция подшипни­ков дает возможность перемещения одного кольца по отношению к другому при различном удлинении ротора и корпуса двигателя при изменении их теплового режима работы. В подшипниках с фиксацией роликов во внутреннем кольце имеет место меньшее гидравлическое сопротивление выходу масла из подшипника, благодаря чему рабочая температура подшипника обеспечи­вается при меньшем количестве подаваемого на охлаждение масла.

Для уменьшения диаметральных размеров и массы подшип­ника иногда внутреннее кольцо подшипника отсутствует. В этом случае ролики катятся по цементированным или азотированным поверхностям вала, выполняемым с высокой точностью.

Внутреннее кольцо роликового подшипника на валу РВД уста­новлено через промежуточную втулку, под которой выполнена магистраль подвода масла к подшипнику. Часть масла, по­даваемая из форсунки и прошедшая через подшипник, раз­брызгивается импеллером на поверхности, образующие полость за опорой, в том числе и корпуса, тем самым еще раз участвуя в поддержании необходимого теплового режима подшипника.

Система масляных и воздушных уплотнений обеспечивает герметизацию масляных полостей.

СИСТЕМА СМАЗКИ ГТД

Шариковые и роликовые подшипники опор роторов и приводов ГТД испытывают в авиационных двигателях высокие нагрузки в условиях повышенных рабочих температур и требуют для обеспечения своей работоспособности надежного смазывания и охлаждения.

Помимо подшипников качения, в конструкции любого двига­теля имеется немало нагруженных элементов, требующих смазы­вания. Это зубья шестерен, шлицы рессор, сферические элементы соединительных муфт. Их смазывание необходимо для снижения потерь мощности на трение, повышения надежности их работы.Масло отводит тепло, уносит продукты изнашивания с тру­щихся поверхностей, уменьшает трение и изнашивание деталей, предохраняет поверхности от наклепа.

Устройство системы смазки

Применяются две принципиальные схемы смазки ГТД:

— циркуляционная, в которой все масляные полости являются замкнутыми и масло используется многократно для смазывании и охлаждения деталей, вновь возвращаясь к ним после откачки отделения воздуха, очистки и охлаждения;

— разомкнутая (нециркуляционная), в которой масло используется однократно и после смазывания и охлаждения деталей выбрасывается в атмосферу через сопло двигателя.

Для малоресурсных ГТД разового применения, в подъемны двигателях СВВП с кратковременным циклом работы часто при меняют разомкнутую схему смазки. Эта схема отличается от циркуляционной большей простотой (ряд агрегатов отсутствует), меньшей массой, но значительно большим расходом масла, которое подается порционно.

В ГТД разового применения с разомкнутой системой смазки иногда вместо масла может подаваться керосин, являющийся одновременно основным топливом.

Циркуляционная система смазки любого двигателя состоит из трех подсистем: нагнетания, откачивания и суфлирования (рис. 12.1).

Для нагнетания масла и подачи его в требуемые места масло из бака 1 поступает по всасывающей магистрали 2 к нагнетающему маслонасосу 3, далее проходит через фильтр тонкой очи­стки 5 и по трубопроводам поступает к масляным форсункам.

Давление и температура масла за маслонасосом постоянно контролируются посредством устанавливаемых датчиков 6.

Использованное масло самотеком стекает в маслоотстойники опор роторов и в поддоны коробки приводов агрегатов, откуда откачивающими маслонасосами 7 по трубопроводам 8 достав­ляется обратно в бак, проходя по пути воздухоотделитель 9, удаляющий воздух из вспененного масла, и радиатор 10, снижа­ющий температуру масла.

Рис. 12.1. Схема циркуляционной системы смазки: 1 — масляный бак; 2 — всасывающая магистраль; 3 — нагнетающий маслонасос; 4 — редукционный клапан; 5 — фильтр тонкой очистки; 6 — датчики замеров давления и температуры масла; 7 — откачивающие маслонасосы; 8 — откачивающая магистраль; 9 — воздухоотделитель; 10 — радиатор; 11 — суфлирующая магистраль; 12 — центробежный суфлер; 13 — баростатический клапан; 14 — обратный клапан; 15 — маятнико­вый заборник масла; 16 — воздухоотделитель; 17 — перепускной клапан; 18 — масля­ные полости двигателя

В большинстве двигателей с целью повышения высотности масляной системы суфлирующие системы выполняют закрытыми, что означает поддерживание в масляных полостях, включая маслобак, некоторого избыточного давления. Это достигается установкой на суфлер баростатического клапана 13, который автоматически управляет выходной площадью суфлера.

22 Основные требования к КС

Камера сгорания авиационного газотурбинного двигателя яв­ляется одним из важнейших узлов, от степени совершенства которой во многом зависят основные данные всего двигателя, его экономич­ность, надежность и ресурс.

Основное назначение камеры сгорания - преобразование химической энергии топлива в тепловую, что приводит, к увеличению температуры рабочего тела. В современных двигателях температура газов на выходе из камер сгорания доходит до 1550...1670 К при уровне давлений до 2,5...3,5 МПа.

К камерам сгорания предъявляются следующие основные требования:

1. Устойчивый процесс горения во всем эксплуатационном диа­пазоне по составу топливовоздушной смеси, изменения давления и температуры на входе в камеру сгорания.

2. Высокая полнота сгорания топлива; h_г= 0,97...0,98.

3. Малые потери полного давления; d=4...8%.

4. Минимальные габариты и вес.

5. Заданная эпюра температур по радиусу на выходе из камеры сгорания при минимальной окружной неравномерности температуры.

6. Минимальная дымность и токсичность выхлопных газов.

7. Надежный запуск камеры сгорания на земле и в воздухе.

8. Высокая надежность при заданном ресурсе.

9. Технологичность, ремонтопригодность.

Камера сгорания авиационного газотурбинного двигателя (ГТД) является сложным и ответственным узлом, от сте­пени совершенства которого во многом зависят основные данные всего двигателя, его надежность и ресурс.

Условно рабочий процесс в камере сгорания можно разделить на несколько эле­ментарных процессов, основными из которых являются: смесеобразование, зажигание и горение топливо–воздушной смеси, стабилизация пламени, смешение продуктов сгорания со вторич­ным воздухом, охлаждение воздухом горячих стенок жаровой трубы.

Камеры сгорания авиационных ГТД могут иметь различную форму проточной части и конструктивное выполнение. Наиболь­шее распространение получили камеры сгорания трех основных схем: трубчатая, трубчато–кольцевая и кольцевая (рис. 8.1).

В трубчатой камере сгорания цилиндрическая жаровая труба расположена внутри цилиндрического корпуса (рис. 8.1, а). В авиационных ГТД камеры такой схемы выполняются в виде блока из нескольких трубчатых камер (рис. 8.1, б). Отдельные камеры сгорания соединяются между собой специальными патрубками для выравнивания давления воздуха и газа, а также переброса пламени между жаровыми трубами при запуске. Выходная часть жаровых труб объединена в общий газосборник с кольцевым выходом на турбину.

Трубчатые камеры сгорания использовались в турбореактивных двигателях ранних конструкций. В газотурбинных двига­телях малой мощности применение одиночной трубчатой камеры сгорания может оказаться выгодным и в настоящее время.

В трубчато-кольцевой камере сгорания несколько цилиндри­ческих жаровых труб устанавливается внутри кольцевого корпуса (рис. 8.1, в). Жаровые трубы соединены между собой патрубками, выполняющими те же функции, что и в блоке трубчатых камер. Газосборники жаровых труб конструктивно выполняются двух типов: индивидуальными (секторными) и общими кольцевыми.

Рис. 8.1. Схемы камер сгорания: а — трубчатая (одиночная); б — трубчатая (с большим числом жаровых труб); в — трубчато-кольцевая; г — кольцевая

В кольцевой камере сгорания жаровая труба кольцевой формы расположена концентрично в кольцевом пространстве, образо­ванном наружным и внутренним корпусами (рис. 8.1, г).

Трубчатая. Достоинства: Хорошая механическая прочность, Хорошее согласование полей течения топлива и воздуха, Небольшой расход воздуха при автономной обработке

Недостатки: Большие габаритные размеры и масса,Значительные потери полного давления, Требуются соединительные патрубки, Трудности с осуществлением переброса пламени

Трубчато – кольцевая Достоинства: Хорошая механическая прочность, Хорошее согласование полей течения топлива и воздуха, Небольшой расход воздуха при автономной обработке отдельных жаровых труб, Малые потери полного давления, Меньше, чем у трубчатой камеры, длина и масса

Недостатки: Меньшая, чем у кольцевой, компактность камеры, Требуются соединительные патрубки, Трудности с осуществлением переброса пламени

Кольцевая Достоинства: Минимальные длина и масса, Минимальные потери полного давления, Быстрое распространение пламени Недостатки: Большие напряжения во внешней обечайке жаровой трубы, При автономной отработке камеры требуется расход воздуха, равный расходу в двигателе, Трудно согласовать поля течения топлива и воздуха, Трудно обеспечить стабильность поля температуры на выходе

Пусковые системы ГТД

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.

.

Назначение ВУ

Выходное устройство ГТД - часть газотурбинной силовой уста­новки, включающая реактивное сопло, шумоглушитель, отклоняющее и реверсивное устройства, устройство для подавления инфракрасного излучения, сопло ТВД.

Реактивное сопло - основной элемент выходного устройства, предназначено для преобразования тепловой и потенциальной энер­гии газов в кинетическую анергию вытекающей струи с целью созда­ния реактивной тяги. В реактивном сопле в результате падения давления скорость рабочего тела увеличивается.

Классификация По форме проточной части реактивные сопла делятся на два больших класса:

а) суживающиеся - используются при докритическом и неболь­шом сверхкритическом отношениях давлений в сопле, что соответст­вует числам М полета не более 1,5...1,6;

б) суживающиеся-расширяющиеся - применяются пря сверхкри­тических отношениях давлений, что соответствует большим сверхзвуковым скоростям полета.

Суживающиеся сопла могут быть выполнены по одной из следующих схем (рис.2.2.1):

1. Нерегулируемое, коническое.

2. Нерегулируемое, с плавным контуром.

3. Регулируемое путем перемещения центрального тела.

4. С газодинамическим регулированием.

5. Регулируемое со створками,

6. Регулируемое с кормовым эжектором.

Рисунок 2.2.1 Суживающиеся реактивные сопла:нерегулируемые: а - коническое; б - с плавным контуром;регулируемые: в - с центральным телом; г - с газодинамическим регулированием; д -со створками;е- с кормовым эжектором

Суживающиеся-расширяющиеся сопла могут быть следующих типов (ряс.2.2.2):