Проблемы с запуском двигателя при отрицательных температурах и пути их решения

Проблемы с запуском двигателя при отрицательных температурах и пути их решения

Наверное нет в нашей стране автомобилиста, который хотя бы раз не сталкивался с проблемой запуска двигателя при отрицательных температурах и в случае разрядки аккумуляторной батареи. А между тем эта проблема была успешно решена еще в годы Великой Отечественной Войны!

Для примера привожу краткий обзор системы запуска двигателя БТР-50 выпуска 1952 года (более старых описаний не нашел, хотя достоверно известно, что именно воздушным пуском двигателя оборудовались все советские истребители, стартер отсутствовал как таковой, а аккумулятор решал задачу исключительно искры в свечах).

Конструкция системы запуска двигателя у БТР-50ПК представляет собой совокупность двух взаимозаменяемых подсистем. Это система запуска двигателя при помощи аккумуляторных батарей и система запуска двигателя сжатым воздухом. При нормально прогретом двигателе стартер должен проворачивать коленчатый вал со скоростью не менее 200-250 об/мин. А это возможно при ёмкости аккумуляторных батарей не менее 75% номинальной. При эксплуатация аккумуляторных батарей в зимних условиях и при неправильной их эксплуатации ёмкость может опускаться менее номинальной. В этом случаи применяется система запуска сжатым воздухом, как дублирующая система.

Назначение, состав системы запуска двигателя воздухом.
Система воздушного запуска предназначена для запуска двигателя сжатым воздухом в случае отказа в работе стартера.
Она состоит из баллона со сжатым воздухом, крана редуктора с манометром и зарядным штуцером для зарядки баллона в бронетранспортере, воздухораспределителя, воздухе проводов и шести пусковых клапанов. Баллон крепится к лобовой части корпуса хомутами; емкость его 10 л. На баллоне имеется запорный вентиль, посредством которого баллон соединяется с воздухопроводом, идущим к крану-редуктору.
Кран-редуктор установлен на кронштейне справа от механика-водителя и предназначен для регулирования давления воздуха поступающего в цилиндры двигателя. На корпусе крана-редуктора остановлен манометр на 250 кг/с.к2, предназначенный для определения давления воздуха в баллоне. Трубопровод, идущий от крана редуктора к воздухораспределителю, имеет разъемное устройство, используемое при консервации двигателя.

Работа системы воздушного запуска.
При открытии запорного вентиля воздушного баллона и крана-редуктора рукояткой сжатый воздух из баллона устремляется через кран-редуктор в воздухораспределитель. Через овальное окно в диске воздух попадает к пусковым клапанам, открывает их и поступает в цилиндры. Сжатый воздух, расширяясь в цилиндрах, перемещает поршни, вследствие чего коленчатый вал провертывается. Одновременно провертывается и диск распределителя, осуществляя подачу сжатого воздуха в цилиндры в соответствии с порядком их работы. Если при этом будет в цилиндры подаваться топливо, двигатель быстро запустится.

Система запуска двигателя сжатым воздухом на БТР-50 не является основной, но позволяет более эффективно использовать аккумуляторные батареи. Так, если при первом запуске двигателя в зимних условиях нагрузка на аккумуляторные батареи максимальна, то в этот период эффективнее использовать систему запуска двигателя сжатым воздухом. А уже при повторном запуске использовать аккумуляторные батареи. Эффективное использование системы запуска двигателя сжатым воздухом достигается при соблюдении правил её эксплуатации и своевременного технического обслуживания.

Пневматический пуск дизеля

Пневматический пуск применяется в качестве вспомогательного на дизель-электрическом тракторе ДЭТ-250М для дизеля В-31 с рабочим объемом 38,88 л. Сущность данной системы пуска заключается в том, что сжатый воздух с помощью специальной воздухораспределительной системы подается непосредственно в цилиндры двигателя и под действием давления на поршни приводит во вращение коленчатый вал.

Воздухораспределитель пневматической системы пуска имеет корпус 1, в котором выполнено двенадцать (по числу цилиндров) каналов. В каждом канале сделано резьбовое отверстие, в которое ввертывается зажим 2, крепящий поворотный угольник 16, от которого идет трубка 17, подводящая воздух в цилиндр двигателя. Распределительный диск 14, имеющий золотниковое отверстие, расположен на шлицах втулки 13, которая, в свою очередь, находится на шлицах валика 10. Золотниковое отверстие на распределительном диске овальной формы и выполнено по дуге 60. Радиус расположения золотникового отверстия равен радиусу расположения отверстий каналов 18 в корпусе 1. Распределительный диск прижат к корпусу пружиной 11, с обеих сторон которой установлены упорные шайбы 5. Одна из шайб упирается в распределительный диск 14, а другая удерживается на валике штифтом 9. Полость А закрывается колпачком 3. В колпак ввернут зажим 8, крепящий поворотный угольник 7, к которому подводится воздух от баллона со сжатым воздухом, заряженным под давлением 15 МПа. Валик 10 соединен с одной из шестерен 19, вращающейся в 2 раза медленнее коленчатого вала. В головки цилиндров ввернуты пусковые клапаны.

Рис. Воздухораспределитель пневматической системы пуска: 1 — корпус; 2 — зажим; 3 — колпачок; 4, 15 — прокладки; 5 — упорные шайбы; 6 — крышка; 7, 16 — поворотные угольники; 8 — зажимы: 9 — штифт; 10 — валик; 11 — пружина; 12 — стопор; 13 — регулировочная втулка; 14 — распределительный диск; 17 — воздухораспределительные трубки; 18 — канал; 19 — шестерня; А — полость.

Рис. Пусковой клапан:
1 — клапан; 2 — корпус клапана; 3 — пружина; 4 — гайка; 5 — шплинт; 6 — колпак; 7 — угольник; 8 — уплотнительное кольцо; а — впускные отверстия

Соединение угольников 16 воздухораспределителя трубками 77 с угольниками пусковых клапанов производится по схеме, обеспечивающей поочередную подачу сжатого воздуха в соответствии с порядком работы цилиндров.

Регулировка воздухораспределителя должна быть такой, чтобы подача воздуха в цилиндр начиналась в конце такта сжатия за 5-10 до ВМТ (по углу поворота коленчатого вала). Полное открытие наклонных каналов 18 в корпусе 1 соответствует 25-30″ после ВМТ в такте расширения. Регулировка воздухораспределения производится изменением положения распределительного диска 14 относительно валика 10. При этом устанавливают необходимый момент подачи воздуха в цилиндр с точностью до 1″.

Пневматический пуск осуществляется следующим образом. При открытии запорного вентиля баллона сжатого воздуха и перепускного крана воздух поступает к поворотному угольнику 7 и затем в полость А воздухораспределителя. В зависимости от положения золотникового отверстия в распределительном диске воздух поступает в один из пусковых клапанов. Клапан 1 под давлением воздуха отходит от седла, и воздух поступает в соответствующий цилиндр. Причем по манометру наблюдают, чтобы давление в системе пуска было не более 9 МПа. Благодаря высокому давлению воздуха на поршень коленчатый вал начинает вращаться. Воздух поступает в цилиндры двигателя соответственно порядку работы цилиндров. Прокручивание двигателя производят в течение 1-2 с, после чего нажатием педали подают топливо в цилиндр. Как только двигатель начинает самостоятельно работать, закрывают перепускной кран и вентиль воздушного баллона.

Согласно инструкции к трактору ДЭТ-250М перед пуском дизеля В-31 при температуре не выше 5 С производят его предпусковой подогрев. При стабильном процессе сгорания давление в цилиндрах на такте расширения возрастает и под его действием клапан 1 прижимается к седлу, а давление воздуха в системе пуска становится недостаточным для открытия пускового клапана, вследствие этого воздух из пневматической системы пуска не поступает в цилиндры.

На отечественных автомобилях-самосвалах БелАЗ грузоподъемностью до 170 т для дизелей 9-26 ДГ и Д-12А-375-Б в качестве основного применяется пневматический пуск. Для пуска используют два баллона со сжатым воздухом объемом по 130 л каждый и при давлении до 6 МПа. Для заполнения баллонов в эксплуатации используются специальные передвижные компрессорные установки.

Достоинством пневматического пуска является экономия дефицитных материалов — свинца и меди. В некоторых случаях такая система легче электростартерной. К недостаткам ее относятся:

• ограниченный запас энергии, которого хватает только на 10-20 пусков
• возможность утечки воздуха через неплотности
• усложнение конструкции двигателя
• переохлаждение стенок цилиндров и камер сгорания при расширении вводимого в них сжатого воздуха
• трудность размещения пусковых клапанов при малых размерах цилиндров
• коррозия деталей двигателя при влажном воздухе

У бензиновых двигателей перегрев клапанов приводит к детонации.

В связи с указанными недостатками пневматический пуск с непосредственной подачей сжатого воздуха в цилиндры применяется преимущественно на дизелях большого рабочего объема, для которых электростартерная система пуска громоздка. Кроме того, пуск таких дизелей разрешается при положительной температуре (5-10 С»), когда не проявляются недостатки пневматической системы, связанные с длительным прокручиванием.

Воздушная система

Воздушная система самолёта обеспечивает запуск двигателя, уборку и выпуск шасси, управление посадочным щитком, а также управление тормозами колес шасси.

Воздушная система состоит из двух автономных систем: основной и аварийной, связанных общей магистралью зарядки.

Питание сжатым воздухом каждой системы осуществляется от индивидуальных бортовых баллонов:

• основной системы — от одиннадцатилитрового шарового баллона ЛМ375Я-П-50;
• аварийной системы — от трехлитрового — шарового баллона ЛМ375Я-3-50.

Зарядка баллонов производится через общий зарядный штуцер 3509С59 от аэродромного баллона сухим (с точкой росы не выше — 50°С) сжатым воздухом. Рабочее давление воздуха в обеих системах 50 кг/см 2 . В полете баллон основной системы подзаряжается от компрессора АК-50А, установленного на двигателе.

Зарядный штуцер расположен на левом борту фюзеляжа между шпангоутами 10 и 11.

Давление в основной и аварийной системах контролируется по показаниям двухстрелочных манометров 2М-80, установленных на левых панелях приборных досок в обеих кабинах.

Баллоны основной и аварийной системы установлены на правом борту фюзеляжа между шпангоутами 10 и 11.

Магистрали зарядки и подзарядки состоят из зарядного штуцера, компрессора, фильтра 31ВФЗА, фильтра — отстойника ФТ, обратных клапанов 636100М, предохранительного клапана.

Предохранительный клапан предохраняет воздушную систему от перегрузки, стравливая воздух через отверстия в своем корпус в атмосферу при давлении в системе более 70

10 кг/см 2 , на которое оттарирована его пружина.

Проводка воздушной системы состоит из жестких трубопроводов, рукавов оплеточной конструкции и соединительной арматуры.

Агрегаты воздушной системы

1. Компрессор АК-50Т
2. Электропневмоклапан ЭК-48
3. Подъёмник главной ноги шасси
4. Аварийный клапан
5. Тормозное колесо К141/Т141
6. Фильтр-отстойник ФТ
7. Вентильный кран 992АТ-3 аварийного выпуска шасси в первой кабине.
8. Цилиндр замка убранного положения главной ноги шасси.
9. Стравливающий клапан 562300.
10. Цилиндр замка убранного положения передней ноги шасси.
11. Баллон аварийной системы.
12. Вентильный кран 992АТ-3 аварийного выпуска шасси во второй кабине.
13. Кран 625300М уборки-выпуска шасси в первой кабине.
14. Командный кран уборки-выпуска шасси во второй кабине.
15. Подъёмник передней ноги шасси.
16. Предохранительный клапан.
17. Воздушный фильтр 31ФЗА
18. Обратный клапан 636100М.
19. Сдвоенный манометр сжатого воздуха 2М-80 в первой кабине.
20. Сдвоенный манометр сжатого воздуха 2М-80 во второй кабине.
21. Редукционный клапан У139 (ПУ-7).
22. Электромагнитный клапан УП53/1М.
23. Дифференциал У135 (ПУ-8).
24. Зарядный штуцер 3509С50.
25. Баллон основной системы.
26. Цилиндр выпуска-уборки посадочных щитков.
27. Кран 625300М выпуска уборки посадочного щитка в первой кабине.
28. Кран сети 992АТ-3 (вентельный).
29. Кран 625300М выпуска-уборки посадочного щитка во второй кабине.

Рис. 1 Командный кран шасси

1 — корпус; 2 — штифт; 3 — крышка; 4 — кольцо; 5 — золотник; 6 — пружина; 7 — седло; 8 — шарик; 9 — сектор; 10 — ручка; 11 — гайка; 12 — проходник; 13 — угольник; 14 — винт; 15 — шайба; 16 — ось.

Основная система

Основная воздушная система состоит из основного баллона ЛМ375Я-11-50, магистралей зарядки и подзарядки системы, крана сети 992АТЗ, установленного на левом пульте в первой кабине, крана шасси 625300М, командного крана шасси кранов щитка 625300М, электропневмоклапана ЭК-48, редукционного клапана У139 (ПУ-7), клапана растормаживания УП53/1М, дифференциала У135 (ПУ-8) и цилиндра щитка двумя аварийными клапанами

При нажатии кнопки запуска двигателя, установленной на левой панели приборной доски в первой и второй кабинах, срабатывает электропневмоклапан ЭК-48, установленный на шпангоуте 0, и воздух подается в распределитель воздуха для запуска двигателя.

При выпуске или уборке шасси сжатый воздух через краны шасси, установленные на приборных досках в обеих кабинах, поступает в цилиндры замков и подъемники шасси. Оба крана соединены между собой трубопроводами. Кран шасси второй кабины является командным краном.

При установке ручки командного крана в нейтральное положение можно выпускать и убирать шасси из первой кабины.

При ошибке в управлении шасси из первой кабины летчик во второй кабине, исправляя ошибку, устанавливает ручку командного крана в нужное положение, при этом одновременно отключается от системы сжатого воздуха кран шасси первой кабины. После этого шасси может быть убрано или выпущено только из второй кабины.

При выпуске или уборке щитка сжатый воздух через краны 625300М поступает в цилиндр. Давление от кранов 1 и 2 кабины подводится к двум полостям цилиндра щитка через аварийные клапаны.

При торможении колес сжатый воздух через клапан У139 (ПУ-7), где давление воздуха редуцируется с 50 кг/см 2 до 8+ 1 кг/см 2 через клапан растормаживания УП53/1М, который соединен с ручкой управления второй кабины, поступает в дифференциал У135 (ПУ-8), откуда распределяется в тормоза правого и левого колес главных ног шасси.

Редукционный клапан управляется от рычагов, установленных на ручках управления самолетом в обеих кабинах. Клапан У139 (ПУ-7) установлен на стенке шпангоута 7 под полом второй кабины.

Дифференциал У135 (ПУ-8), управляемый педалями ножного управления, обеспечивает раздельное торможение колес. Дифференциал крепится к стенке шпангоута 5 клапан растормаживания УП 53/IM — к стенке шпангоута 6.

Аварийная система

Воздухом из баллона аварийной системы пользуются в случае отказа основной системы.

Аварийная система состоит из аварийного баллона ЛМ375-3-50, магистрали зарядки и подзарядки системы, двух кранов аварийного выпуска шасси, установленных на правых пультах обеих кабин, стравливающего клапана 562300 и аварийных клапанов

При выпуске шасси сжатый воздух из баллона аварийной системы попадает в цилиндры замков и через аварийные клапаны в подъемники шасси. Одновременно сжатый воздух подходит к редукционному клапану, обеспечивая торможение колес шасси от аварийной системы.

Стравливающий клапан 562300 устраняет явление противодавления в подъемниках шасси во время их работы от основной системы при негерметичности закрытых аварийных кранов 992АТЗ.

При открытии крана аварийного выпуска (при давлении более 5 кг/см 2 ) стравливающий клапан закрывает выход в атмосферу.

Стравливающий клапан расположен в фюзеляже самолёта и крепится с помощью хомута к стенке шпангоута 4.

Рис. 2 Принципиальная схема воздушной системы:

1 — фильтр-отстойник ФТ; 2 — обратные клапаны; 3 — редукционный клапан; 4 — зарядный штуцер; 5 — баллон аварийной системы; 6 — баллон основной системы; 7 — фильтр 31ВФЗА; 8 — трехходовой кран 625300М; 9 — электропневмоклапан ЭК-48; 10 — командный кран шасси; 11, 12 — манометры 2М-80; 13 — кран 992АТ (зарядка сети); 14, 15 — краны 992АТ-3 аварийного выпуска шасси; 16 — стравливающий клапан 562300; 17 — подъемник; 18 — аварийные клапаны; 19 — цилиндр открытия замка передней опоры шасси; 20 — подъемник основных опор шасси; 21 — цилиндры открытия замков; 22 — редукционный клапан ПУ-7 (У139); 23 — клапан УП53/1М; 24 — дифференциал ПУ-8 (У135); 25 — тормозные колеса основных опор шасси; 26, 27 — трехходовые краны 625300М; 28 — цилиндр уборки и выпуска посадочных щитков.

Воздушная система запуска малоразмерного газотурбинного двигателя

Полный текст:

• Статья
• Об авторе
• Cited By

Аннотация

Ключевые слова

Для цитирования:

Калиниченко А.И. Воздушная система запуска малоразмерного газотурбинного двигателя. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2016;(3):61-66. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2016-3-61-66

For citation:

Kalinichenko A.I. Air starting system of small-size gas turbine engine. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2016;(3):61-66. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2016-3-61-66

В настоящее время перспективным БЛА не­обходим компактный малой массы газотур­бинный двигатель, способный к быстрому запуску и развитию высокой удельной тяги в широком диапазоне условий эксплуатации. Масса и размеры системы запуска могут со­ставлять значительную часть двигателя, в осо­бенности если требуется ускоренный многоразовый запуск.

Основными требованиями, предъявляе­мыми к системе запуска ГТД БЛА, являются:

• мгновенный или ускоренный запуск до максимального режима;
• надежность запуска в различных ус­ловиях;
• малая масса;
• компактность;
• удобство обслуживания;
• безопасность применения;
• низкая стоимость.

Существующие маршевые ГТД, имею­щие одноразовый ускоренный запуск, обору­дованы пиротехнической системой запуска, соответствующей большей части предъявляе­мых требований за исключением требований по безопасности, возможности многократного использования системы и ГТД на БЛА, а также низкой себестоимости.

В АО «Омское мотостроительное кон­структорское бюро» (АО «ОМКБ») в качестве альтернативного варианта, соответствующего указанным требованиям, разработана система воздушного запуска с непосредственной подачей сжатого воздуха на рабочие лопатки турбины.

Задача усложнена тем обстоятельством, что исходя из особенностей применения ГТД на БЛА масса системы запуска должна быть минимальной. Это накладывает ограничения на допустимый объем баллона для сжатого воздуха.

При проведении работ были поставлены следующие задачи:

• установить зависимость оборотов рас­крутки ротора от объема баллона и давления воздуха;
• рассчитать минимальную частоту рас­крутки ротора, при которой осуществляется надежный и безопасный запуск изделия;
• определить мощности турбины и ком­прессора на различных частотах вращения при их совместной работе без подачи топлива в камеру сгорания (на режимах так называемой холодной прокрутки);
• вычислить мощность, подводимую к ротору от пускового устройства.

Для отработки технических решений была изготовлена установка, позволяющая ис­пользовать металлокомпозитные баллоны типа БК-2-300С различной емкости.

В данной работе были последовательно использованы баллоны емкостью 0,007, 0,004, 0,003 и 0,002 м 3 . Воздушная система испыта­тельного стенда позволяла заряжать баллоны воздухом с давлением до 24,5 МПа. Работа по проверке запусков от воздушной систе­мы проводилась на газогенераторе двигателя ТРДД-50БЭ

Программа работ была построена таким образом, что перед каждым запуском двигателя проводилась холодная прокрутка (ХП) ротора (результаты ХП двигателя показаны на рис. 1). Полученные материалы показывают ожидае­мую качественную зависимость оборотов мак­симальной раскрутки ротора от емкости балло­на и давления содержащегося в нем воздуха.

Для количественной оценки максималь­ной частоты вращения в зависимости от объ­ема баллона (рис. 2) рассмотрено влияние объема баллона на максимальные обороты раскрутки ротора при фиксированном давлении в нем 19,6 МПа. Полученная зависимость была аппроксимирована уравнением

n_max19,6 = — 0,3401V 2 + 5,934V + 9,2326. (1)

Рис. 2. Зависимость максимальных оборотов рас­крутки от объема баллона

Для оценки влияния давления в баллоне на максимальные обороты раскрутки ротора на рис. 3 приведены указанные величины в от­носительных единицах. Здесь по оси абсцисс отложено относительное давление в баллоне р_отн = р_бал /19,6, по оси ординат — отношение частоты вращения при заданном давлении к частоте вращения при давлении в баллоне Р_бал = 19,6 МПа. По данным рис. 3 все экспериментальные точки достаточно плотно ложат­ся на линию, описываемую уравнением

Рис. 3. Зависимость частоты вращения от давления воздуха

Приведенные материалы позволяют про­гнозировать максимальную частоту раскрутки ротора при произвольных значениях объема баллона и начальном давлении воздуха.

Например, если объем баллона равен 0,0045 м 3 , а давление воздуха в нем равно 17,6 МПа, расчет по формуле (1) и (2) показы­вает, что относительная частота вращения составит n_отн = 0,914.

Выборка материалов по удачным запу­скам газогенератора от баллонов емкостью 0,007, 0,004 и 0,003 м 3 приведена в табл. 1, в нее также включены данные по одному удачному запуску от баллона емкостью 0,002 м 3 .

Экспериментальные и расчетные значения параметров, при которых обеспечивается надежный запуск