10起动和点火系统解析.ppt
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第10章起动和点火系统,第10.1节起动系统第10.2节点火系统第10.3节典型的起动和点火系统,为了保证航空燃气涡轮发动机能顺利起动,需要有两个相互协调工作的系统:
起动系统和点火系统。
发动机在地面正常起动时,两个系统必须同时工作:
首先由起动系统将发动机转子带转到一定转速,使适量空气进入燃烧室并与燃油喷嘴喷出的燃油相混合;其次再由点火系统点燃燃烧室内的油气混合气。
起动过程中两个系统的工作相互协调,并在循环开始后,由起动控制电路自动调节两个系统的工作。
点火系统还应能单独工作,以实现空中再点火以及恶劣天气情况下为防止发动机熄火而进行的常明灯式的持续点火;起动系统也应能单独工作,以实现“干冷转”和“湿冷转”,用于发动机检查、维修后的试车。
图10-1涡轮喷气发动机的典型起动程序,10.1起动系统起动系统的功用是用来使发动机从静止状态过渡到稳定的慢车工作状态。
所有燃气涡轮发动机的起动程序基本相同,但采用的方法可以不同。
视发动机和飞机的要求不同,对起动系统的要求也不相同。
例如,军用飞机要求发动机能在最短时间内起动,并尽可能不依赖于外部设备;而民用飞机则要求能用最经济的方法起动并对旅客的影响最小。
虽然对起动系统的要求各不相同,但可靠性都是最重要的。
10.1.1起动过程使发动机转子的转速由零增加到慢车转速的过程称为起动过程。
图10-2起动过程的三个阶段,一、起动过程三个阶段:
根据发动机起动过程中,带动转子转动的扭矩与转子阻力矩的变化情况,可以将起动过程分为三个阶段:
第一个阶段:
由起动机开始带动发动机转子转动起(n=0),到涡轮开始发出功率时止(n=n1)。
在这个阶段,带动发动机转子加速的驱动力来自起动机,作用在转子上的加速力矩为起动机输出的扭矩与转子阻力矩(主要包括气动阻力矩、机械摩擦阻力矩以及传动附件的力矩等)之差,即,第二个阶段:
由涡轮开始发出功率时起(n=n1),到起动机脱开时止(n=n2)。
在这个阶段,带动发动机转子加速的驱动力来自起动机和涡轮转子,也就是起动机和涡轮转子共同带动发动机转子加速。
发动机获得的加速力矩为:
第三个阶段:
由起动机脱开时起(n=n2),到发动机进入慢车状态时止(n=ni)。
在这个阶段,带动发动机转子加速的驱动力来自涡轮转子,也就是由涡轮转子单独带动发动机转子加速。
这时发动机获得的加速力矩为:
二、特征转速1.转速n1(涡轮开始发出功率)一般在n=n1时,起动机的扭矩Ms比发动机转子的阻力矩Mf大1.01.5倍。
如果将n1值提高,对燃烧室的点燃与稳定燃烧有利,但起动机的功率要求较高;反之,起动机的功率可以较小,但不利于燃烧室的点燃与稳定燃烧。
2.自维持转速np当MT=Mf时,n=np叫作自维持转速或自持转速,这时Ma=Ms。
当nnp时,MTMf,但转速接近np时,不能脱开起动机,一般起动机脱开转速n2(1.22.0)np。
起动机脱开过早或过晚都不适宜,脱开过早会由于加速力矩小而延迟起动时间,甚至使发动机起动失败;脱开过晚,起动机功率要求大。
4.慢车转速ni慢车转速是指涡轮扭矩等于转子阻力矩时的转速,这时,发动机基本不产生推力,因此,也称为空车转速。
在npni后,在任一转速下,均能使MT=Mf,发动机能稳定工作。
降低慢车转速,可能缩短起动时间和减小起动功率,但慢车转速过低,会使发动机在慢车状态时的涡轮前燃气总温T3*接近最大允许值,从而影响发动机的加速性与恶化慢车时的工作条件。
上述这些特征转速n1,np,n2,ni的数值,取决于起动状态下涡轮与压气机的共同工作特性、起动机特性、燃烧室的工作以及结构与使用因素等。
一般很难用计算的方法确定,可根据现有同类型发动机的数据来选取,然后在发动机调试中予以修正。
10.1.2不正常起动发动机起动过程中,由于各种因素可能造成不正常起动和起动失败,主要有:
不点火、热起动、起动超温、转速悬挂等。
一、不点火在规定的时间限制内(如在喷嘴供油后10秒),排气温度或转速指示不增加,表明发动机未点火,应关断起动电门。
进行冷转排出余油后,可接通该发空中点火电门(或起动电门置“连续”位),检查点火电嘴跳火情况,如跳火正常,可再次起动。
否则,应排除点火故障后再起动。
二、热起动和起动超温热起动:
在起动过程中,EGT(排气温度)上升较快有超温的趋势。
起动超温:
在起动过程中,EGT上升很快,而且超过了规定的最大允许限制值。
这时应立即停车,检查故障原因并排故。
热起动和起动超温一般是由于油气比过富而造成的。
燃油调节器故障、结冰或压气机前部有障碍物都可能造成油气比不正常。
三、转速悬挂起动过程中,在发动机点火以后,转速上升缓慢,甚至停滞而不能达到慢车转速,称为转速悬挂。
操作人员应在EGT超限之前中止起动。
转速悬挂的可能原因有:
空气起动机供气不足(或管道有漏气等);起动机脱开过早;燃油系统调节不当,使供油量过大;压气机有故障;涡轮有故障;场温过高;场压过低。
10.1.3起动机燃气涡轮发动机常用的起动机有:
电动起动机,燃气涡轮起动机和空气涡轮起动机等几种。
一、电动起动机一般采用直流电动机作为电动起动机。
通过减速器与棘爪离合器与发动机转子连接。
发动机起动时,由机上电瓶或地面电源车向起动机供给24伏直流电,电机即带动发动机转子。
当完成起动程序后,断开电源,起动机由棘爪离合器自动与发动机转子断开。
发动机工作时,起动机即变为无用的死重,为此,目前已广泛使用起动-发电机。
起动时,作为直流电动机使用,起动后作为直流发电机,由发动机转子带转,向飞机供给直流电源。
涡喷6、涡喷7、涡喷13、涡桨6等发动机均采用这种型式的起动机。
图10-3电动起动机,电动起动机的主要优点是:
使用、维护方便,尺寸小,易使起动过程自动化。
缺点是:
重量大,起动扭矩不够大,不适用于中、大型发动机,供它所需的机载蓄电瓶较重。
另外,起动机的功率对外界气温与电压的变化比较敏感。
二、燃气涡轮起动机燃气涡轮起动机实际上是一台完整的小型涡轮轴发动机。
一般由单面单级离心式压气机、回流式燃烧室、单级向心式涡轮、单级动力涡轮、减速器、离合器等组成。
除此之外,还应有自己的燃油系统、滑油系统、起动系统等。
起动时,燃气涡轮起动机由自身的电动起动机带动,直到脱开转速,起动和点火系统断开为止。
然后,起动机转速继续增加到工作转速,通过传动比很大的减速器经离合器衔接带动发动机转子旋转,当发动机转速达到自持转速后的脱开转速时,燃气涡轮起动机停止工作,并由离合器脱开,发动机依靠本身的涡轮功率加速到慢车转速。
燃气涡轮起动机的优点是:
起动功率大、不依赖地面电源、可以多次重复使用。
缺点是结构复杂。
图10-4燃气涡轮起动机,三、空气涡轮起动机空气涡轮起动机属于无压气机的涡轮起动机,由单级涡轮,减速器,离合器和传动轴等组成。
空气涡轮所需的空气,可来自地面气源车、辅助动力装置或已起动的发动机。
图10-5空气涡轮起动机,图10-6空气涡轮起动系统,空气涡轮起动机的优点是:
输出扭矩大、重量轻、结构简单、工作可靠、使用方便。
其缺点是需要外界气源,不能单独起动发动机。
目前民用航空发动机大多采用空气涡轮起动机。
10.2点火系统10.2.1概述所有燃气涡轮发动机都采用高能点火装置,而且总是装备双套系统。
点火系统的功用是:
产生电火花,点燃混合气。
燃气涡轮发动机的点火系统由电源、高能点火器、高压导线、点火电嘴等组成。
点火器的电能输出既有高值输出又有低值输出,所以是复合式点火系统。
燃气涡轮发动机的点火系统在下列情况下工作:
(1)地面起动、空中再起动时提供高值电能;
(2)起飞、着路以及恶劣天气,连续提供低值电能;(3)特殊情况,如探测到压气机喘振,为防止熄火,自动提供高值电能到两个电嘴;(4)选择防冰时,提供连续低值电能。
燃气涡轮发动机的点火系统与活塞式发动机的点火系统不同,只在起动点火的过程中工作,只要在燃烧室中形成稳定的点火火源之后,点火系统就停止工作,而活塞式发动机在整个工作过程中都工作。
10.2.2高能点火器根据使用的低压电源不同,高能点火器分为直流高能点火器和交流高能点火器两种。
一、直流高能点火器直流高能点火器分为断续器控制和晶体管控制两种。
1.断续器式直流点火器断续器式直流点火器由断续器机构、感应线圈、高压整流器、储能电容器、扼流线圈、放电间隙、放电电阻和安全电阻等组成。
低压直流电经过断续器机构和感应线圈的共同工作变为脉动高压电,再经高压整流器给储能电容器充电。
当电容器中的电压升高到密封放电间隙的击穿值时,点火电嘴端面即发生放电,产生电火花。
装置中的轭流圈用于延长放电时间,放电电阻用于限制储能电容器的最大储能值,并保证电容器中贮存的电能在系统断开一分钟内被完全释放。
安全电阻则用来保证在高压导线断开或绝缘的情况下也能安全工作。
图10-8断续器式直流点火器,2.晶体管式直流点火器晶体管式直流点火器的工作原理与断续器式直流点火器相似。
区别只是用晶体管断续电路即晶体管脉冲发生器取代直流断续器机构。
在晶体管脉冲发生器的电路中,利用三极管的开关作用产生自激振荡,而通过感应线圈产生脉动高压电。
晶体管脉冲发生器优于断续器机构,因为它没有运动零件,所以其寿命长得多,同时,晶体管式直流点火器尺寸更小、重量更轻。
图10-9晶体管式直流点火器,二、交流高能点火器交流高能点火器由变压器、整流器、储能电容、扼流线圈、放电间隙、放电电阻和安全电阻等组成。
如图10-10所示。
图10-11所示是其工作过程方框图。
交流高能点火器的输入是115伏400Hz交流电。
低压交流电经过变压器变为高压交流电,再经高压整流器给储能电容器充电。
当电容器中的电压升高到密封放电间隙的击穿值时,点火电嘴端面即发生放电,产生电火花。
同直流点火器一样,在交流点火器中也装有放电电阻和安全电阻。
图10-10交流高能点火器,图10-11交流点火系统方框图,10.2.3点火电嘴点火电嘴的功用是产生电火花点燃混合气。
目前航空燃气涡轮发动机上所用的电嘴是一种表面放电式电嘴。
如图10-12所示。
这种电嘴在壳体和中心电极之间充有绝缘材料,中心电极的前端为钨电极头,外面包有一层碳化硅半导体材料。
图10-12电嘴,点火系统工作时,高能点火器的高压电通过高压导线输至电嘴,中心电极上的高压电使中心电极和壳体间的半导体绝缘材料表面产生电离作用,为储存在电容器中的电能提供一条低电阻通路。
放电采取从电极到壳体高电压跳火的形式,形成高强度的火化。
电嘴应经常检查是否牢固、损坏、漏气,高压导线连接是否可靠。
当拆卸时,电嘴应做检查是否有热损坏、裂纹和表面腐蚀。
电嘴正常是不清洗的,但是如果积碳使得不可能检查雷管时,可去除积碳,小心不要损坏半导体绝缘材料表面。
当必需安装新电嘴时,制造厂有时规定应检查电嘴伸入燃烧室的深度。
这是借助于类似于空塞子的专用工具实现并通过选择适当厚度的垫片放在电嘴壳体下面做调整。
当更换电嘴时必须装新的封严垫圈。
按照制造厂的规定将电嘴螺纹处润滑并扭到维护手册中说明的扭矩值。
第10.3节典型的起动和点火系统本章介绍JT8D发动机的起动和点火系统。
10.3.1起动系统JT8D发动机的起动系统所使用的起动机为空气涡轮发动机。
起动机使用的低压气源来自:
机载的辅助动力装置(APU)、己工作的另一台发动机或地面气源车(GPU)。
起动系统主要附件为起动机与空气控制活门。
一、空气涡轮起动机空气涡轮起动机主要由单级气动涡轮、减速器、离合器、传动轴和壳体等部分组成,如图10-13所示.气动涡轮包括涡轮导向器和涡轮转子两部分,在涡轮转子轴的输出端装有一个小齿轮,作为减速器的主动齿轮。
减速器是一个两级齿轮传动装置。
主动齿轮与环绕的三个双重齿轮的大齿轮相齿合,三个双重齿轮的小齿轮与一个大的环形齿轮的内齿相啮合,通过这两级齿轮减速,减速比可达1020:
1。
扭矩可相应增大2030倍。
气动涡轮扭矩经过减速齿轮传动环形齿轮,再由环形齿轮的外伸轴经离合器传至输出轴,输出轴通过外部齿轮箱传动装置带动发动机转子。
图10-13JT8D发动机的空气涡轮起动机,离
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