Gas Turbine Aero-engine,第 10 章 起动和点火系统,主要内容： 10.1 起动系统 10.2 点火系统 10.3 典型的起动和点火系统,第十章 起动和点火系统,一、起动与点火系统功用: 使发动机由静止状态过度到稳定的慢车转速工作状态。 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。,10.0 引言,10.0 引言,二、起动的条件：,10.0 引言,二、涡轮喷气发动机的典型起动程序,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。 民用飞机要求起动系统能用最经济的方法起动并对旅客的影响最小，且较好的可靠性。,10.1 起动系统,(1)起动机:带动发动机转子并加速到一定转速; (2)起动燃油系统:供给起动发动机时所需要的燃油,以便与空气混合形成可燃混合气; (3)起动点火装置:在燃烧室内形成火源以便点燃燃烧室内的可燃混合气; (4)自动装置:使起动系统各附件按规定的顺序与时间,自动投入或退出工作,保证起动过程自动化,10.1 起动系统,0、组成：,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,10.1.1 起动过程,一、起动过程定义：,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,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。,10.1.1 起动过程,二、起动的三阶段：,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,10.1.1 起动过程,一般在 时，起动机的扭矩 比发动机转子的阻力矩 大1.01.5倍。如果将 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。,10.1.1 起动过程,讨论：,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，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：,10.1.1 起动过程,当 时， 叫做自持转速，这时 当 时， ，仅有涡轮不能带动发动机转子； 当 时， ，但转速接近 时，不能脱开起动机 ，一般起动机脱开转速 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。,10.1.1 起动过程,讨论：,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，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：,10.1.1 起动过程,慢车转速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。 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； 当 后，在任一转速下，均能使 ，发动机能稳定工作。,10.1.1 起动过程,讨论：,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。,10.1.1 起动过程,讨论：,10.1.1 起动过程,n1，涡轮开始发出功率；np，自持转速； n2，起动机脱开转速； ni，慢车转速。 n1 np n2ni,小结：,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。,10.1.2 不正常起动,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。,10.1.2 不正常起动,二、热起动和起动超温 热起动：在起动过程中，EGT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。 热起动和起动超温原因 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。,10.1.2 不正常起动,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。,10.1.2 不正常起动,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。 其他形式的起动机（火药起动机等）,10.1.3 起动机,一、电动起动机 一般采用直流电动机作为电动起动机。目前已广泛使用起动-发电机。 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。,10.1.3 起动机,电动起动机,10.1.3 起动机,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。 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。,10.1.3 起动机,燃气涡轮起动机,10.1.3 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。 优点：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。,10.1.3 起动机,空气涡轮起动机,10.1.3 起动机,空气涡轮起动系统,10.1.3 起动机,10.1.3 起动机,空气起动机的气源,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。 注意：燃气涡轮发动机的点火系统与活塞式发动机的点火系统的差异。,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。 组成 电源 高能点火器 高压导线 点火电嘴 点火器的输出 高值输出：10 12焦耳 低值输出：3 6焦耳 所以是复合点火系统。,10.2.1 概述,燃气涡轮发动机的点火系统由两套系统组成 两个变压器， 两个电火激励器 两根高压导线， 两根中间导线 两个电嘴。,10.2.1 概述,10.2.1 概述,输入电源：直流电和交流电两种。 断续器式 直流点火系统 点火系统 晶体管式 交流点火系统 直流输入低压(2000伏) 高能电容复合式 交流输入高压(20000伏),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。,10.2.2 高能点火器,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。,10.2.2 高能点火器,2.起动和点火系统,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。,10.2.2 高能点火器,图10-9 晶体管式直流点火器,10.2.2 高能点火器,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。,10.2.2 高能点火器,图10-10 交流高能点火器,10.2.2 高能点火器,工作情况： 通电经变压器产生高压交流电整流器整流储能电容充电能击穿放电间隙储能电容器储存的能量经扼流圈向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。,10.2.2 高能点火器,图10-11 交流点火系统方框图,10.2.2 高能点火器,10.2.3 点火电嘴,一、功用： 产生电火花点燃混合气 二、分类： 气体放电电嘴:高电压击穿空气产生电火花; 电蚀电嘴:低电压下银离子电离,表面电火花; 半导体电嘴:半导体温度升高,电阻下降. 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。,图10-12 电嘴,10.2.3 点火电嘴,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。,三、电嘴工作,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。,10.2.3 点火电嘴,四、电嘴检查与故障,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。,10.2.3 点火电嘴,四、电嘴检查与故障,第十章 起动和点火系统,10.3 典型的起动和点火系统,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。,10.3.1 起动系统,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。 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。,10.3.1 起动系统,图10-13 JT8D发动机的空气涡轮起动机,10.3.1 起动系统,二、起动空气控制活门 起动空气控制活门装在起动供气管上，用来控制起动机的供气并调节供气的压力。它的工作受发动机起动电门的控制，起动电门有三个位置： 在地面（GND）位置时，使起动空气控制活门打开和使点火系统工作； 在飞行（FL）位置时，仅使点火系统工作； 在关断（OFF）位置时，则使起动空气控制活门关闭和使点火系统不工作（点火电门在“超控”（OVRD）位置时除外）。,10.3.1 起动系统,图10-14 起动空气控制活门,10.3.1 起动系统,JT8D发动机的点火系统是复合式点火系统。其组成包括：点火电门、起动电门、燃油关断手柄控制的微动电门、两个高能点火器、两个点火电嘴。 点火