9起动和点火系统

复习概述作用结构发动机控制系统概述燃油控制系统发动机功率第九章起动和点火系统概述起动系统作用结构点火系统作用结构典型起动点火系统发动机地面运转航空燃气涡轮发动机的结构和循环过程，决定了它不能象汽车发动机那样自主的点火起动。在静止的发动机中直接喷油点火，压气机没有旋转，前面空气没有压力，就不能使燃气向后流动，也就无法使涡轮转动起来，这样会烧毁燃烧室和涡轮导向叶片。所以，燃气涡轮发动机的起动特点就是：先要气流动，再点火燃烧，也即是发动机必须要先旋转，再起动。这就是矛盾，发动还没起动，还没点火，却要它先转动。根据这个起动特点，就必须在点火燃烧前先由其他能源来带动发动机旋转。9.1概述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压气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。燃烧产生的高温高压燃气带动涡轮转动，此时，压气机在起动机和涡轮的共同作用下不断加速，当转速达到一定值时，起动机退出工作。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。单独工作点火系统能单独工作，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：干冷转：不供油,也不点火，仅由起动机带动发动机转子转动。作用是排除积油,积液,以保证发动机能正常起动。假起动（湿冷转）：假起动是只供油,不点火。由起动机带动发动机转子达到一定转速。一般在更换燃油调节器后、排除燃油调节器的故障后和燃油系统放气后等，用于发动机燃油系统检查和给燃油系统排气。涡轮喷气发动机的起动过程由发动机控制系统自动控制，使起动、点火按顺序配合工作。9.2起动系统作用在地面保证发动机能迅速可靠地起动，在飞行中当发动机发生空中停车后，能进行空中开车，以及必要时，对发动机进行冷开车，油封起动等。即：使发动机从静止状态过渡到稳定的慢车工作状态。起动过程（课本P255）使发动机转子的转速由零增加到慢车转速的过程，我们称之为起动过程。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：（1）由起动机开始带动发动机压气机转子转动起,到涡轮发出功率,转子仅由起动机带动；（2）由涡轮开始发出功率起,到起动机脱开为止,压气机转子由起动机和涡轮共同带动；（3）由起动机脱开时止,到发动机进入慢车状态,转子由涡轮单独带动。起动过程第一阶段（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Ma＝Ms－Mf。发动机转子的转速变化为:n＝0→n＝n1，一般来说，n1＝（0.08-0.12）nmax。当n＝n1时，起动燃油系统开始供油，点火，燃油燃烧，涡轮开始发出功率。起动过程第二阶段（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，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：Ma＝Ms+MT－Mf发动机转子的转速变化为：n＝n1→n＝n2，而：对于涡喷和涡扇发动机n2＝（0.2-0.3）nmax对于涡桨发动机n2＝（0.3-0.35）nmax当MT＝Mf时，n＝np叫自持转速，这时Ma＝Ms当nnp时，MTMf，仅有涡轮不能带动发动机转子当nnp时,MTMf，但这时仍不能脱开起动机当n＝(1.2～2.0)np时，可以脱开起动机起动过程第三阶段（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，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：Ma＝MT－Mf涡轮转子单独带动发动机转子加速：n＝n2→n＝ni，而对于涡喷和涡扇发动机：ni＝(0.24～0.4)nmax;对于涡桨发动机：ni＝(0.6～0.7)nmax;npnni时，涡轮扭矩始终大于发动机的阻力力矩，发动机不能稳定工作；nni当后，在任一转速下，均能使，发动机能稳定工作。起动过程慢车转速ni：是指涡轮扭矩等于转子阻力矩时的转速，也称为空车转速，这时，发动机基本不产生推力。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，会影响发动机的加速性与恶化慢车时的工作条件。起动过程结构发展在以前的小功率发动机上，带动发动机到达一定转速所需的功率小，就采用了起动电机来带动发动机旋转，如用于国产运-7，运-8飞机的涡桨5、涡桨6发动机。随着大推力发动机的出现，用电动机无法提供如此大的能量来带动发动机，达到点火燃烧时的转速了，因此需更大的能源来带动发动机，这时，采用APU，产生压缩空气，用气源代替电源起动发动机成为了现在所有高涵道比发动机的起动方式。结构起动机:带动发动机转子并加速到一定转速;•分类电动起动机，燃气涡轮起动机空气涡轮起动机目前民用航空发动机大多采用空气涡轮起动机。起动附件有起动汽油装置、起动点火装置、起动放气装置、空中开车补氧装置以及回油电磁活门(又称供油量急降活门，或燃油急降活门)和补油电磁活门等。起动机电动起动机一般采用直流电动机作为电动起动机。由于起动后电动机成为无用的重量，所以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。•优点：使用、维护方便，尺寸小，易使起动过程自动化。•缺点：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。•应用：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。起动机电动起动机起动机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。•优点：起动功率大、不依赖地面电源、可以多次重复使用。•缺点：结构复杂。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。起动机燃气涡轮起动机起动机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（APU）或已起动的发动机。•优点：输出扭矩大、重量轻、结构简单、工作可靠、使用方便。•缺点：需要外界气源，不能单独起动发动机。JT8D发动机的空气涡轮起动机起动机空气涡轮起动机（课本P243）涡轮减速齿轮系离合器输出轴起动机空气涡轮起动机（课本P243）结构：涡轮：进入起动机的空气喷到涡轮工作叶片上，从而使涡轮高速转动。•转速可达5W~8W转/分钟。减速齿轮系：起动发动机不需要高转速，而需要高扭矩，所以需要减速齿轮系，把转速降低，从而转变为高扭矩。•两级齿轮传动装置•减速比可达10～20：1。扭矩可相应增大20～30倍起动机空气涡轮起动机结构：离合器：发动机起动之后，把起动机与驱动装置之间脱离的装置。在起动过程中，环形齿轮（离合器棘轮）转速高于起动机输出轴转速时，离合器处于“啮合”状态。当发动机自行加速或起动机停止工作后，则输出轴轴套转速高于环形齿轮转速，使棘爪脱开棘轮的棘齿，在棘齿的弧形面上打滑，从而使环形齿轮与输出轴之间的传动脱开当发动机转子增加到一定转速时，棘爪在离心力的作用下克服弹簧力脱开弧形面，防止棘爪与棘齿的摩擦而损坏离合器。起动机空气涡轮起动机起动活门：控制压力空气是否能送到起动机。它是一个电控、气动作动的活门。装在起动机的供气管路上，位于起动机的上游，在驾驶舱内由起动电门控制起动活门的开关。起动机空气涡轮起动机•辅助动力装置（APU）作用：在地面为飞机提供电源和气源，用于向飞机供电、为发动机以及向飞机空调系统提供压缩空气。在空中提供备用电源和气源；飞机爬升到一定高度后，辅助动力装置即自动停车；当飞机在飞行过程中遇到发动机停车故障时，辅助动力装置可重新起动作为应急动力源，为飞机提供电源和气源。•辅助动力装置（APU）结构：其核心部分是一个小型的涡轮发动机，大部分是专门设计的，也有一部分由涡桨发动机改装而成，一般装在机身最后段的尾锥之内，在机身上方垂尾附近开有进气口，排气直接由尾锥后端的排气口排出。•辅助动力装置（APU）结构：辅助动力装置主要由小型燃气涡轮发动机、附件齿轮箱和供气系统等组成。9.3点火系统作用产生电花，点燃混合气。①发动机起动时提供高能点火，包括地面起动和空中起动；②起飞、着陆和遇到恶劣天气下，提供连续点火。燃气涡轮发动机对点火系统的要求：（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；（4）选择防冰时，提供连续低值电能。结构电源点火激励器：把低压电转换成高压电。点火装置一般按能量核定，常见的有两种：•低能量：大约3~6焦耳。•高能量：一般为10~20焦耳。点火导线：点火激励器把高压电通过点火导线送到点火电嘴。点火电嘴：安装在燃烧室内，放电产生电火花，点燃燃烧室内的油气混合物。燃气涡轮发动机采用高能点火装置：即点火电嘴放电量大，电压高。之所以选高能，是因为燃烧室油气混合物很难点燃，尤其高空熄火后更难点燃。但在做维护工作时，此装置需等放电后再维护。装备双套系统，即两个变压器、两个点火激励器、两根高压导线、两根中间导线、两个电嘴两套点火系统可单独工作，也可共同工作。空中起动时，为了保证成功，通常两套点火系统都工作。点火器的输出既有高能（高值）输出又有低能（低值）输出，所以是复合点火系统。在地面，空中起动时两个电嘴同时工作；在起飞，着陆或恶劣天气或在不稳定的气流中飞行时，一个电嘴工作。结构点火激励器•分类：根据使用的低压电源不同，高能点火器分为直流点火器和交流点火器两种。直流高能点火器断续器式由断续器机构、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。结构断续器式直流点火器感应线圈：由断续器机构操作，通过高压整流器给储能电容器充电。储能电容：用来充电，积蓄电荷，储存电能。当电容器中的电压等于放电间隙的击穿值时，能量经点火电嘴放电。放电电阻：用来限制储能电容的最大储能值，并保证电容器中存储的电能能在点火系统断开一分钟内，全部释放掉，保证维修人员的安全。安全电阻：限制储能电容器的最高电压，保证在高压线断路或绝缘的情况下，点火系统的安全工作。当电路开路时，接地，使电容器中的剩余电荷放掉，以保证安全。结构晶体管式直流点火器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。寿命长、尺寸小、重量轻。结构交流点火器该系统由交流电源提供115伏、400赫兹交流电。由变压器、整流器、储能电容、放电间隙、放电电阻和安全电阻等组成。结构交流点火器工作情况：通电→低压交流电经变压器产生高压交流电→整流器整流→储能电容充电→电容器中的电压升高到能击穿放电间隙的击穿值时→储能电容器储存的能量经扼流圈（触发变压器）→向点火电嘴供电→在电嘴放电表面上发生强烈的闪光放电→产生火花→点燃混合气。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。复合点火器具有双电源输入和双能量输出。结构点火电嘴•功用：产生电火花，点燃混合气。•分类：气体放电电嘴：高电压击穿空气产生电火花；半导体电嘴：半导体温度升高,电阻下降，产生电火花；电蚀电嘴：低电压下银离子电离,表面电火花。目前航空燃气涡轮发动