книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 3 Зубчатые передачи и муфты. Пусковые устройства. Трубопроводные и электрические коммуникации. Уплотне

электрическим стартером запускается ТКС, ко­ торый, в свою очередь, запускает маршевый ГТД самолета.

С целью снижения массы и габаритов конст­ рукция всех авиационных стартеров отличается высокой степенью удельных нагрузок. Так, на­ пример, если в промышленных генераторах плот­ ность тока в обмотках якоря равна 3...8 А/мм2, то в авиационных стартерах и стартерах-гене­ раторах она составляет 15...25 А/мм2. Абсо­ лютная температура нагрева обмоток и щеток при этом достигает 150...200 °С. Все это вызы­ вает необходимость широко использовать для их изоляции материалы повышенной теплостойко­ сти. Кроме того, максимальная частота вращения электростартера составляет 170...350с-1, для стар­ теров-генераторов 130...200 с-1. В то время как для промышленных генераторов и двигателей той же мощности она равна 25...50 с-1.

Для запуска маломощных ГТД, к которым относится большое количество ТКС и мало­ мощных ВСУ, применяются электростартеры прямого действия [11.3] без специального уп­ равления магнитным потоком, которые пред­ ставляют собой электродвигатели постоянного тока с последовательным возбуждением, снаб­ женные муфтой свободного хода. Данные пуско­ вые устройства имеют низкий КПД. Однако этот недостаток компенсируется относительно малой массой, простотой конструкции и управ­ ления, высокой эксплуатационной надежностью.

При повышении потребной мощности пуско­ вого устройства возникает необходимость при­ менять специальные меры для увеличения КПД

ирасширения диапазона регулирования скорости выше принятой. Это реализуется введением до­ полнительной коммутационной и регулирующей аппаратуры. Применение бортовых аккумуля­ торных источников для питания пускового уст­ ройства мощностью более 15...20 кВт, ввиду их большой массы, становится нецелесообразным,

ив этом случае переходят на использование ВСУ в качестве бортового источника питания. Структурная схема системы запуска дополня­ ется в данном случае генератором ВСУ и эле­ ментами регулирования напряжения и тока ис­ точника питания, которые предотвращают воз­ можные перегрузки на электростартере.

Для снижения общей массы электрических систем запуска и энергопитания широко исполь­ зуются стартеры-генераторы постоянного тока, не требующие постановки на ГТД отдельного генератора.

Сцелью снижения ударных нагрузок в нача­ ле запуска на 1 ...2 с электростартер или стар­ тер-генератор обычно включается через пуско­

11.2. Электрические пусковые устройства ГТД

вой резистор, значительно снижающий напряже­ ние. Для повышения мощности в процессе рас­ крутки применяют переключение напряжения питания электростартера или стартера-генера­ тора с 24 на 48 В.

На рис. 11.1 показана конструкция электри­ ческого стартера постоянного тока с редукто­ ром [11.4].

Корпус электростартера 1 состоит из непос­ редственно корпуса, полюсов 2 с обмотками 3, щеткодержателя 4, клеммной коробки 5, пере­ дней 6 и задней 7 крышек. На передней крышке статора имеется фланец 8, которым стартер крепится на ГТД.

Ротор стартера состоит из вала 9, на кото­ рый устанавливаются якорь 10 и коллектор 11. В пазы якоря заложена обмотка. Ротор враща­ ется на подшипниках качения. Вал ротора сое­ диняется с ведущей шестерней 12 редуктора.

Редуктор планетарного типа. Сателлиты 13 установлены на осях водила 14 и вращаются на подшипниках качения. Для исключения про­ хождения чрезмерного крутящего момента в ава­ рийных ситуациях в конструкции редуктора предусмотрена предохранительная фрикционная муфта 15.

Фрикционная муфта представляет набор че­ редующихся стальных и бронзовых дисков. Брон­ зовые диски своими наружными шлицами со­ единены с обоймой, жестко закрепленной в кор­ пусе. Стальные диски 16 имеют внутренние зубья и в сумме образуют колокольную шестер­ ню. При увеличении крутящего момента, пере­ даваемого редуктором, выше расчетного сталь­ ные диски, образующие колокольную шестерню, проворачиваются. Момент срабатывания фрикци­ онной муфты настраивается усилием поджатия фрикционных дисков через пружины 17.

Масляная полость редуктора уплотняется манжетами 18 и 19.

Выходной крутящий момент снимается с во­ дила и поступает на храповик 20 муфты сво­ бодного хода храпового типа с торцовыми зу­ бьями, который, перемещаясь по винтовой втул­ ке 21, обеспечивает автоматическое соединение и рассоединение с ГТД в процессе раскрутки его ротора.

Провода электропитания стартера подсоеди­ няются к клеммам 22.

На рис. 11.2 представлена конструкция стар­ тера-генератора [11.5].

Сочетание стартера и генератора в одном аг­ регате основано на свойстве обратимости элек­ трических машин. Использование этого свойст­ ва в электрических пусковых системах позволяет значительно сократить вес пусковой системы.

тора. Таким образом, колокольная шестерня не имеет возможности вращаться относительно корпуса по часовой стрелке, при виде со сто­ роны привода, а может вращаться против часо­ вой стрелки, при этом центробежные силы соба­ чек, преодолевая усилие спиральных пружин, выводят собачки из зацепления с храповым ко­ лесом и колокольная шестерня получает воз­ можность свободного вращения.

В стартерном режиме при подаче напряже­ ния якорь 8 стартера-генератора и, соответст­ венно, полый вал приходят во вращение. Полый вал соединен с ведущим зубчатым колесом шлицевым соединением 9. Через ведущее зуб­ чатое колесо вращение передается сателлитам, которые обкатываются по колокольной шестер­ не и вращают водило, жестко связанное шлице­ вым соединением 10 с валом привода 11. Таким образом, в стартерном режиме крутящий момент валу привода передается через редук­ тор. Следовательно, вал привода вращается с меньшей скоростью, чем полый вал, при этом обгонная муфта роликового типа 12 проскаль­ зывает и приводной вал вращается относитель­ но полого вала на шарикоподшипнике. Стартергенератор через вал привода раскручивает ГТД. При достижении двигателем и, следовательно, валом привода частоты вращения большей, чем частота вращения якоря, ролики обгонной муф­ ты заклиниваются, крутящий момент с вала привода передается непосредственно полому валу, и стартер-генератор переходит в генера­ торный режим.

При заклинивании обгонной муфты роликово­ го типа колокольная шестерня получает направ­ ление вращения, совпадающее с направлением вращения приводного вала, поэтому собачки выходят из зацепления с храповым колесом. При этом водило с колокольной шестерней вра­ щаются вхолостую и не несут никакой нагрузки, сателлиты относительно своих осей неподвижны. Редуктор выключается из работы. Частота вра­ щения якоря становится равной частоте враще­ ния приводного вала.

При остановке ГТД собачки муфты свобод­ ного хода храпового типа под действием пружин входят в зацепление с храповым колесом, муфта свободного хода роликового типа расклинивает­ ся и стартер-генератор вновь готов к запуску.

11.3. Воздушные пусковые устройства ГТД

Воздушное пусковое устройство является частью системы запуска ГТД и обеспечивает раскрутку ротора двигателя в процессе его

11.3. Воздушные пусковые устройства ГТД

запуска, используя энергию сжатого воздуха бортового или наземного источника питания.

В качестве пускового устройства в воздуш­ ной пусковой системе запуска ГТД чаще всего используется воздушный турбостартер (ВТС) [11.6, 11.7]. ВТС имеют большую удельную рас­ полагаемую мощность при относительно малых массе и габаритах, сравнительно простую кон­ струкцию и высокую надежность. На самоле­ тах в качестве рабочего тела для ВТС исполь­ зуется сжатый воздух, отбираемый от ВСУ, либо от ранее запущенного ГТД, или аэродромной установки воздушного запуска. ВТС промыш­ ленных ГТД работают на сжатом воздухе, который отбирается от стационарного элекгроприводного компрессора. В настоящее время воздушная пусковая система применяется для запуска ГТД на подавляющем большинстве отечественных и зарубежных многомоторных пассажирских и транспортных самолетов.

К недостаткам воздушной пусковой системы относится сложность подвода рабочего тела (воздуха) с минимальными потерями давления и температуры от ВСУ. Требуется провести по самолету трубопровод большого диаметра.

ВТС имеет воздушную турбину, частота вра­ щения которой достигает 44000 об/мин и выше. Это требует как дополнительных конструктив­ ных мероприятий по обеспечению безопасной эксплуатации, так и введения систем защиты, автоматически выключающих ВТС при аварий­ ных ситуациях.

Для небольших ЛА с малогабаритными ГТД, вспомогательных бортовых ГТД, ЛА с подъем­ ными ГТД применяются струйные пусковые устройства с подачей сжатого воздуха непо­ средственно на рабочие лопатки компрессора или турбины ГТД.

11.3.1. Воздушно-турбинные пусковые устройства ГТД

Воздушно-турбинное пусковое устройство состоит из ВТС, отсечной и регулирующей зас­ лонок. Обычно ВТС размещается на коробке приводов ГТД. На однодвигательном самолете он иногда располагается во входном коке ГТД с выходом отработанного воздуха во входной канал компрессора. Современные ВТС выпол­ няются, как правило, с осевой воздушной турби­ ной, которая обладает меньшими диаметраль­ ными габаритами и, следовательно, позволяет сократить габариты мотогондолы ГТД. Регули­ рующая воздушная заслонка может быть вы­ полнена как отдельным автономным агрегатом, так и включенным в конструкцию ВТС.

Глава 11. Пусковые устройства

Рис. 11.5. Размещение воздушноготурбостартеранакороб­ ке приводов ГТД (печатается с разрешения RollsRoyce pic.):

1 - пилон ЛА; 2 - воздух от ГТД; 3 - воздух

от ВСУ; 4 - воздух от наземного источника; 5 -

автономная регулирующая заслонка; 6 - воздуш­

ныйтурбостартер; 7- выход воздуха; 8 - коробка приводов; 9 - трубопровод

На рис. 11.5 показано размещение ВТС на ко­ робке приводов ГТД, автономной регулирующей заслонки на корпусе ГТД. Подвод воздуха к ВТС осуществляется через регулирующую воздуш­ ную заслонку, установленную в трубопроводе подвода воздуха.

Применение автономной регулирующей за­ слонки позволяет обеспечить высокую эксплуа­ тационную технологичность: меняется только вышедший из строя агрегат (регулирующая воз­ душная заслонка или воздушный турбостартер). Кроме того, конструкция автономной заслонки позволяет размещать ее на корпусе ГТД, кото­ рый имеет меньшую интенсивность вибраций по сравнению с коробкой приводов. Такое испол­ нение повышает надежность работы элементов автоматики регулирующей заслонки, а также благоприятно сказывается на ее ресурсе.

На рис. 11.6 показана конструкция ВТС с осе­ вой турбиной. ВТС состоит из входного патруб­ ка 7, через который воздух подается на сопловой аппарат 2 и далее на ротор 3 осевой односту­ пенчатой турбины. Отработанный воздух выпу­ скается через окна в корпусе турбины. Для обеспечения безопасной эксплуатации над рото­ ром турбины установлено защитное кольцо 4

П-образной формы. Оно предназначено для удер­ жания обломков турбины при ее разрушении внутри стартера с целью исключения поврежде­ ния ГТД и ЛА.

При подаче воздуха во входной патрубок ро­ тор турбины вместе с установленным на нем центральным зубчатым колесом 5 первой сту­ пени редуктора начинает вращаться.

Для обеспечения минимальных габаритов и передачи большого крутящего момента редук­ тор стартера выполнен двухступенчатым трех­ поточным. Вращение от центрального зубчато­ го колеса передается на три ведомых зубчатых колеса 6. Этим обеспечивается первая ступень редукции. Ведомые зубчатые колеса первой сту­ пени редуктора шлицами соединены с ведущими зубчатыми колесами 7 второй ступени редукто­ ра, которые приводят во вращение зубчатое ко­ лесо внутреннего зацепления 8, образуя вторую ступень редукции. С зубчатым колесом внут­ реннего зацепления связан храповик 9, который торцами своих наружных зубьев упирается в торцы подпружиненных собачек 10, установ­ ленных в поводке 11, передавая ему вращение. Поводок с собачками и храповик составляют обгонную муфту. Соединение агрегата с ГТД осуществляется эвольвентными шлицами при­ водного валика 12, который получает вращение от поводка с собачками.

При определенной (заданной САУ) частоте вращения ротора ГТД ВТС отключается и начи­ нает снижать частоту своего вращения, а ча­ стота вращения ротора ГТД продолжает увели­ чиваться. При этом обгонная муфта расцеп­ ляется.

На рис. 11.7 показана конструкция ВТС СтВ-

5мощностью 245 л.с. (ТРДЦ ПС-90А). Конст­ рукция СтВ-5 позволяет выполнять запуск ГТД

ввоздухе с подкруткой его ротора стартером. Регулирующая заслонка 1 входит в состав агре­ гата. Подача воздуха регулируется перемеще­ нием плунжера 2 в осевом направлении. Под­ робное описание заслонки приведено в подразд.

11.3.2.С целью получения максимального КПД и, следовательно, максимальной мощности стартера в нем применена двухступенчатая турбина, состоящая из соплового аппарата пер­ вой ступени 3, ротора 4, который отлит за одно целое с диском, валом, бандажированными ра­ бочими лопаточными венцами первой и второй ступеней. Над рабочими венцами в корпусе ус­ тановлены защитные кольца 5, предназначенные для удержания осколков при разрушении ротора. Между рабочими венцами установлен сопловой аппарат второй ступени турбины 6, состоящий из двух полуколец. При открытии регулирующей

11.3. Воздушные пусковые устройства ГТД

заслонки ротор турбины начинает вращаться в двух шариковых подшипниках. Вместе с рото­ ром вращается установленное на нем централь­ ное зубчатое колесо 7, которое находится в за­ цеплении стремя сателлитами 8. Сателлиты, вращаясь в двухрядных роликовых подшипни­ ках, установленных на осях 9 водила 10, одно­ временно обкатываясь внутри неподвижной (при расчетном крутящем моменте) колоколь­ ной шестерни 11, через оси приводят во враще­ ние водило. Центральное зубчатое колесо, са­ теллиты, колокольная шестерня и водило обра­ зуют планетарный редуктор.

Планетарный редуктор позволяет снизить осевые габариты стартера, а также компактно поместить дисковую фрикционную муфту. Она состоит из внутренней обоймы 12 с наружными шлицами, закрепленной на корпусе редуктора. На внутреннюю обойму установлены нажимные диски 13 и тонкие стальные диски 14, имеющие внутренние шлицы. Между ними поочередно расположены тонкие бронзовые диски 15, имею­ щие наружные шлицы, которые входят в зацеп­ ление с наружной обоймой 16, с которой связана колокольная шестерня. Все диски сжаты при помощи пружин 17, установленных в гайке 18, затяжкой которой настраивается крутящий момент, при котором диски проскальзывают друг относительно друга, и, следовательно, происхо­ дит проворот наружной обоймы относительно неподвижной внутренней обоймы.

Фрикционная муфта предназначена для пре­ дохранения ГТД от нерасчетного чрезмерного крутящего момента, который может возникать при запуске ГТД в воздухе с подкруткой его ротора стартером, нештатных ситуациях рабо­ ты пусковой системы и непосредственно стар­ тера. В случае возникновения чрезмерного кру­ тящего момента наружная обойма и колоколь­ ная шестерня проворачиваются, ограничивая крутящий момент, передаваемый редуктором.

Муфта свободного хода храпового типа с тор­ цовыми зубьями. Особенностью муфты ВТС СтВ-5 является то, что в самом стартере уста­ новлена только ведущая часть муфты. Ведомый храповик находится в коробке приводов ГТД. Такая конструкция позволяет исключить из ре­ дуктора вращающиеся детали после отключе­ ния ВТС, а также снизить его осевые габариты.

Масло в стартер подается го коробки приводов двигателя через маслоподводящую трубку 19. Смазка шарикоподшипников и зубчатых колес внутри редуктора осуществляется разбрызгива­ нием масла вращающимися деталями. Масло к роликоподшипникам сателлитов подводится за счет центробежных сил из закрепленного

11.3.2. Регулирующие и отсечные воздушные заслонки

Включение и выключение подвода воздуха к ВТС, а также ограничение максимального давления на входе в ВТС выполняется автома­ тически управляемой заслонкой. Заслонка долж­ на обеспечивать медленное открытие и плавное нарастание рабочего давления воздуха (в тече­ ние 2 ...7 с) в начале запуска и быстрое (за время не более 1 с) закрытие подачи воздуха по сигна­ лу САУ ГТД. Автоматически управляемая зас­ лонка размещается в питающей магистрали вбли­ зи ВТС или непосредственно на нем.

На рис. 11.8 и 11.9 приведены принципиаль­ ная схема управления и регулирования, а также конструкция заслонки.

Принцип работы регулирующей заслонки ос­ нован на создании разности давлений воздуха в наружной 1 и внутренней 2 полостях пневмо­ цилиндра 3. Причем площадь сервопоршня 4, на которую действует давление в наружной поло­ сти больше, чем его площадь, на которую действует давление во внутренней полости. Раз­

11.3. Воздушные пусковые устройства ГТД

деление полостей и уплотнение сервопоршня осу­ ществляется эластичными мембранами или уп­ лотнительными кольцами.

В исходном положении электромагнит 5 ко­ мандного узла 6 обесточен, подвод воздуха сферическим клапаном 7 к регулятору давления 8 перекрыт, а через открытый клапан 9 давление перед регулятором давления стравливается

ватмосферу через жиклер 10. Клапан 11 регу­ лятора давления под действием расположенной

внем пружины 12 полностью открыт. Давление во внешней и внутренней полостях пневмоци­ линдра равно атмосферному, сервопоршень отжат действующей на него пружиной 13 до упо­ ра 14, которым регулируется полностью закры­ тое положение заслонки 15.

По команде на включение ВТС подается на­ пряжение на электромагнит командного узла, который, преодолевая усилие пружины 16, пере­ кладывает сферические клапаны. При этом кла­ пан 7 открывает подвод воздуха из магистрали перед заслонкой к регулятору давления, а клапан 9 перекрывает стравливание воздуха в атмосфе­ ру. Мембрана регулятора 17 под давлением

воздуха прогибается, сжимая пружину регулято­ ра 72, и уменьшает проходное сечение клапана 77. Приток воздуха в полость за клапаном уменьшится. Поскольку эта полость через жик­ лер 18 суфлируется с атмосферой, в полости ус­ танавливается выходное давление регулятора, определяемое соотношениями проходных сече­ ний прикрытого клапана и жиклера. Выходное давление в требуемых пределах достигается регулировкой затяжки пружины винтом 19.

Под действием выходного давления регуля­ тора, которое передается во внешнюю полость пневмоцилиндра, сервопоршень начинает пере­ мещаться и через систему рычагов 20 откры­ вает заслонку, преодолевая сопротивление пру­ жины и аэродинамический момент самой зас­ лонки. Заслонка открывается до тех пор, пока возрастающее за ней давление, подведенное по трубопроводу 27 к внутренней полости пневмо­ цилиндра и направленное на прикрытие заслон­

ки, не уравновесит силы, стремящиеся ее от­ крыть. Если давление за заслонкой увеличится выше заданного, то возрастет и давление во внутренней полости пневмоцилиндра - серво­ поршень начнет перемещаться и прикрывать заслонку до тех пор, пока вновь не установится равновесие действующих на него сил. При умень­ шении давления за заслонкой уменьшается дав­ ление во внутренней полости пневмоцилиндра и сервопоршень начнет перемещаться, откры­ вая заслонку на большую величину.

При выключении ВТС отключается электро­ магнит командного узла заслонки. Под действи­ ем пружины 16 клапаны 7 и 9 возвращаются в исходное состояние. При этом перекрывается подвод воздуха с входа к регулятору давления и воздух начинает стравливаться в атмосферу через жиклеры 10 и 18 из полости регулятора давления и из внешней полости пневмоцилинд­ ра. Под действием пружины сервопоршень