Процесс запуска двигателя

Лекция 2

НЕЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИКА

К нелинейным динамическим процессам относятся нестационарные процессы в двигателе, сопровождающиеся изменением параметров двигателя в широком диапазоне, возникающие на режимах запуска, т.е. в процессе выхода на режим малого газа, на приемистости двигателя т.е. в процессе перехода с режима малого газа на режим близкий к номиналу, а также при действии больших по величине возмущений на входе в двигатель.

На всех этих режимах проявляется существенная нелинейность характеристик двигателя.

ПРОЦЕСС ЗАПУСКА ДВИГАТЕЛЯ

Это процесс, происходящий в соответствии с программой подвода мощности от пускового устройства (ПУ + ВСУ) и законом подачи топлива в КС может быть разбит на этапы:

- раскрутка ротора турбокомпрессора пусковым устройством до начала подачи топлива и его воспламенения;

- раскрутка ротора пусковым устройством и турбиной на участке работы автомата запуска, дозирующего подачу топлива в КС;

- раскрутка ротора ПУ и турбиной при вступлении в работу регулятора частоты вращения с выходом двигателя на режим МГ;

Требования к процессу запуска обычно предъявляются к его времени, что связано с выполнением ТТ к ЛА, с запуском остановленного в полете двигателя и другими. Лимитирующими факторами в этом процессе являются максимальные значения температуры газа перед турбиной, запасы ГДУ компрессора и величина ускорения ротора турбокомпрессора. Значения этих параметров в процессе запуска определяются мощностью ПУ, законами дозирования топлива и возможностью изменения геометрии проточной части двигателя.

Рис.2 Изменение n в процессе запуска в зависимости от времени запуска и мощности ПУ

Зависимость времени запуска от мощности ПУ

Основной параметр пусковой системы – мощность ПУ – определяет запуск. Однако следует учитывать, что масса турбостартеров увеличивается пропорционально их мощности - нужен оптимизированный компромисс. Закон изменения подводимой мощности от ПУ к валу ротора запускаемого двигателя.

N_{ПУ =} 2N_ПУ · max n _пу /n _{пу max} (1-0, 5n _пу /n _{пу max}), где n _пу, n _{пу max} – текущее значение частоты вращения и значение частоты вращения, при которой мощность ПУ достигает максимального значения т.е.

В этом случае имеет место линейная зависимость изменения крутящего момента от частоты вращения:

M_ПУ = M_{ПУ P} · (2 – n_K/n_KP)

M_{ПУ P} – крутящий момент ПУ при частоте вращения, соответствующей расчетной мощности ПУ. Для n _к= 0 M _{ПУ 0} = 2M_{ПУ P}

Снижение уровня превышения Т_Г при увеличении N _ПУ объясняется тем, что при более интенсивной раскрутке ротора и неизменной программе подачи топлива в КС воспламенение и процесс сгорания происходит при большем G_В через двигатель.

Существенное влияние на величину подводимой от ПУ мощности в процессе запуска оказывает передаточное отношение привода от ПУ к валу двигателя.

Значение n _{ПУ ОТКЛ.} (в момент отключения) ограничено обычно из соображения прочности элементов турбины ПУ, но должно обеспечивать надежный выход двигателя на режим МГ. Аналогично мощность изменяется и по частоте вращения ротора турбокомпрессора запускаемого двигателя. Оптимальным передаточным отношением i при заданном n _{к откл.} является

i = f(p_дв), при котором ПУ все время работает при n _ПУ = n _{ПУ Р}. Такой режим может быть обеспечен применением бесступенчатых редукторов или путем ступенчатого изменения передаточного отношения.

Рис.3

Влияние параметров системы управления подачей топлива на характеристики процесса запуска

Процесс запуска в значительной степени зависит от закона подачи топлива в основную камеру сгорания, который выбирается с учетом границ устойчивости работы камеры сгорания по богатой и бедной смеси, обеспечения запасов ГДУ компрессора, максимально допустимой Т_Г и требуемой продолжительности запуска.

Последнее сводится к реализации предельно допустимой избыточной мощности турбины во всем диапазоне частот вращения на пусковых режимах с момента подачи топлива в камеру сгорания. Выбранная программа подачи топлива реализуется автоматом запуска двигателя с двумя коллекторами: при определенной частоте вращения ротора двигателя начинается подача топлива автоматом запуска (АЗ) в камеру сгорания по закону:

G_{T АЗ} = К_АЗ

Р_Т – давление топлива перед форсунками пускового коллектора

Р_Т = Р_ТП + К_{Т АЗ} (Р_К-Р_{Н АЗ} )

Р_ТП = f (Р_Н) – начальное давление топлива

Р_К = f (Р_К^*, Р_Н/ Р_К^*) – редуцированное давление воздуха за компрессором,

следовательно G_{T АЗ} = f (Р_К^*, Р_Н)

Воспламенение топлива в КС приводит к первоначальному превышению Т_Г. В дальнейшем характер ее изменения зависит от G_T, определяемого в том числе коэффициентом К_АЗ. При более интенсивном увеличении G_T автоматом запуска наблюдается более раннее (по n турбокомпрессора) вступление в работу второго топливного коллектора, что приводит к возникновению повторного заброса Т_Г (макс. значение Т_Г достигаемое в период работы АЗ в дальнейшем обозначается Т_Г аз max).

В период работы АЗ вследствие небольших величин давления воздуха за компрессором, пологости напорных ветвей его характеристики на этих режимах реализуются достаточно большие запасы DК_У и ограничение расхода топлива автоматом запуска определяется допустимым уровнем Т_Г. Закон подачи топлива автоматом запуска должен обеспечивать реализацию допустимого уровня Т_Г. При достижении в период работы АЗ величины G_T, соответствующего подключению второго коллектора, начинается его заполнение. До конца заполнения Gт практически остается неизменным, затем возрастает скачкообразно до G_{T min} и дальнейшая дозировка топлива осуществляется автоматом приемистости (АП). Один из возможных законов работы АП:

G_ТАП = f (К_АП, n_К, Р_К^*_, Т_ВХ^*)

Этот этап запуска характеризуется наибольшими уровнями Т_ГАП^*, снижением DК_У, поэтому является наиболее напряженным с точки зрения приближения к границам области допустимых режимов работы.

Рис.4

Увеличение G_T автоматом приемистости существенно влияет на избытки мощности, развиваемые турбиной, и является эффективным средством сокращения времени запуска. Вследствие возрастания p_К^* и G_B через двигатель на этапе работы АП улучшаются условия охлаждения деталей горячей части двигателя, что позволяет допустить на этом этапе больший уровень температур, чем на начальном этапе запуска.

На величину Gт в процессе запуска, а следовательно на характер изменения Т_Г и времени запуска оказывает влияние начальное давление топлива перед форсунками Р_ТО и режим двигателя, на котором начинается подача топлива в камеру сгорания.

При изменении частоты вращения ротора, соответствующей началу подачи топлива в камеру сгорания, время запуска не изменяется, так как на этом этапе турбина практически не развивает положительной мощности и время раскрутки ротора определяется характеристикой ПУ и моментом сопротивления двигателя. ВЫБОР ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ n_к НАЧАЛА ПОДАЧИ ТОПЛИВА ДОЛЖЕН ОПРЕДЕЛЯТЬСЯ ПУСКОВЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ И ДОПУСТИМЫМ УРОВНЕМ НАЧАЛЬНОГО ПРЕВЫШЕНИЯ T_Г^*.

На величину превышения Т_Г* при подключении второго коллектора влияет также процесс его заполнения. С увеличением объема коллектора, а следовательно времени его заполнения, увеличивается время запуска и уменьшается Т_Г* (из-за увеличения G_B во время заполнения). Это должно учитываться при решении вопроса о предварительном заполнении коллектора. Для минимизации времени запуска система управления подачей топлива должна обеспечить процесс с МАКСИМАЛЬНО ДОПУСТИМЫМ УРОВНЕМ Т_Г* с учетом МИНИМАЛЬНО ДОПУСТИМОГО УРОВНЯ ЗАПАСА ГДУ(DК_У). Организация запуска при

Т_Г* = Т_Г*_{ДОП. МАКС.}= const может сократить время запуска на несколько секунд по сравнению с другими законами дозирования.

Рис. 5 Рис. 6

Влияние конструктивных параметров двигателя на

характеристики запуска

Ряд конструктивных параметров влияет на пусковые свойства: