Пневматический запуск больших двигателей внутреннего сгорания
Air-start system
Пневмозапуск двигателей: принцип работы, компоненты (инжектор, распределитель, ресиверы). Альтернатива электростартеру для мощных дизелей и газовых турбин.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Источник питания для запуска крупных двигателей
Система воздушного запуска — это источник энергии, используемый для придания первоначального вращения большим дизельным двигателям и газовым турбинам.
Power source for starting large engines
An air start system is a power source used to provide the initial rotation to start large diesel engines and gas turbines.
Прямой старт
По сравнению с бензиновым двигателем, дизельный двигатель имеет очень высокую степень сжатия, что является существенной конструктивной особенностью, поскольку именно тепло, выделяющееся при сжатии, воспламеняет топливо. Электрический стартер, обладающий достаточной мощностью для запуска большого дизельного двигателя, был бы сам по себе настолько громоздким, что его использование было бы непрактичным, поэтому необходима альтернативная система. Система воздушного запуска состоит из трех основных компонентов, а также различных компонентов безопасности, а именно: форсунка воздушного запуска, распределитель и воздушные ресиверы. При запуске системы сжатый воздух из ресиверов распределяется распределительным устройством в соответствующие стартовые клапаны каждого цилиндра в соответствии с порядком работы цилиндров двигателя. Компоненты безопасности включают в себя пламегасители для предотвращения взрывов в воздушных линиях, блокировку от включенного прокручивающего механизма, не позволяющую инициировать воздушный запуск при работающем прокручивающем механизме, предохранительные и запорные клапаны, а также сливные клапаны в определенных точках системы. Управляющие компоненты включают в себя управляющие клапаны и дистанционные клапаны воздушного запуска. Система прямого запуска, используемая на морских дизельных двигателях низкого оборота, должна обеспечивать до 12 запусков на двигателе без реверса или 6 запусков на реверсивном или редукторном двигателе. При запуске двигателя сжатый воздух подается в цилиндр, поршень которого находится чуть выше верхней мертвой точки, заставляя его двигаться вниз. По мере начала вращения двигателя открывается воздушный стартовый клапан следующего цилиндра в последовательности, продолжая вращение. После нескольких оборотов топливо впрыскивается в цилиндры, двигатель запускается, и подача воздуха прекращается. Чтобы еще больше усложнить процесс, большой двигатель обычно сначала "продувают" с нулевой подачей топлива и открытыми индикаторными кранами, чтобы убедиться в отсутствии воды в цилиндрах и свободе вращения всех механизмов. После успешной продувки вперед и назад индикаторные краны закрываются на всех цилиндрах, и тогда двигатель можно запустить на топливе. Использование системы воздушного запуска значительно усложняет конструкцию двигателя, поскольку головка каждого цилиндра должна иметь дополнительный клапан для подачи воздуха при запуске, а также необходимы соответствующие системы управления. Эта дополнительная сложность и стоимость ограничивают применение воздушных стартеров очень большими и дорогими двигателями внутреннего сгорания.
Compared to a gasoline (petrol) engine, a diesel engine has a very high compression ratio, an essential design feature, as it is the heat of compression that ignites the fuel. An electric starter with sufficient power to turn a large diesel engine would itself be so large as to be impractical so there is a need for an alternative system. An air start system has three main components along with various safety components, namely the air start injector, the distributor and the air receivers. When the system is initiated, starting air from the receivers is distributed by the distributor unit to each respective air start valve according to the firing order of the engine’s cylinders. Safety components include flame traps, to prevent air line explosions, a turning gear interlock which ensures that air start cannot be initiated when the turning gear is engaged, relief valves and isolation valves, as well as drain valves at certain points along the system. Control components include the control valves and remote air start valves. A direct start system as used on a marine slow speed diesel is required to have up to 12 starts on a non reversing engine or 6 starts on a reversible, or geared, engine. When starting the engine, compressed air is admitted to whichever cylinder has a piston just over top dead center, forcing it downward. As the engine starts to turn, the air start valve on the next cylinder in line opens to continue the rotation. After several rotations, fuel is injected into the cylinders, the engine starts running and the air is cut off. To further complicate matters, a large engine is usually "blown over" first with zero fuel settings and the indicator cocks open, to prove that the engine is clear of any water build up and that everything is free to turn. After a successful blow ahead and a blow astern, the indicator cocks are closed on all the cylinders, and then the engine can be started on fuel. Significant complexity is added to the engine by using an air start system, as the cylinder head must have an extra valve in each cylinder to admit the air in for starting, plus the required control systems. This added complexity and cost limits the use of air starters to very large and expensive reciprocating engines.
Стартерный двигатель
Другой способ воздушного запуска двигателя внутреннего сгорания – использование сжатого воздуха или газа для привода жидкостного двигателя вместо электродвигателя. Они могут использоваться для запуска двигателей объемом от 5 до 320 литров, а если требуется большая пусковая мощность, можно использовать два или более двигателя. Стартеры этого типа применяются вместо электродвигателей из-за их меньшего веса и более высокой надежности. Они также могут служить в три раза дольше электрического стартера и их легче восстановить. Двигатели, работающие в подземных горнодобывающих условиях, как правило, используют этот тип стартерной системы для снижения риска воспламенения горючих материалов от электрической системы. Все воздушные стартеры лопастного типа должны быть оснащены смазчиком для обеспечения длительного срока службы и максимальной производительности. Смазчики создают необходимый барьер трения для движущихся частей, уменьшают коррозию металла и обеспечивают надежное уплотнение лопастей к стенкам цилиндров. Даже так называемые «безмасляные» воздушные стартеры требуют смазки для продления бесперебойной работы. Обычно используются два основных типа смазчиков. Один из них – встроенный или резервуарного типа, который обычно хранит до 2 кварт смазочного материала и устанавливается вдоль линии подачи воздуха. Второй тип смазчика – небольшое устройство однократного действия, которое дозирует определенное количество смазки при каждом запуске стартера. Встроенные смазчики, устанавливаемые непосредственно на воздушный вход стартера, являются самовсасывающими пневматическими насосами, которым требуется смазочная линия диаметром 1/4 дюйма, проложенная на расстоянии до 4 футов. Смазчики для воздушных стартеров лучше всего работают с маслами типа «туман», не содержащими моющих присадок, такими как дизельное топливо или масло Marvel Mystery. Если выбросы вызывают опасения, на рынке доступны экологически чистые смазочные материалы. Не всем воздушным стартерам требуется смазка. Турбинные воздушные стартеры не требуют смазки воздушного двигателя, хотя некоторые турбинные стартеры используют маслозаполненную трансмиссию, которая может потребовать периодических осмотров и технического обслуживания.
Another method of air starting an internal combustion engine is by using compressed air or gas to drive a fluid motor in place of an electric motor. They can be used to start engines from 5 to 320 liters in size and if more starting power is necessary two or more motors can be used. Starters of this type are used in place of electric motors because of their lighter weight and higher reliability. They can also outlast an electric starter by a factor of three and are easier to rebuild. Engines operating in underground mining activities tend to operate on this type of starter system to reduce the risk of an electrical system igniting flammable material. All vane type air starters should have a lubricator installed to insure long life and maximum performance. Lubricators give the moving parts a needed friction barrier, reduce metal corrosion and keep vanes sealed properly against the cylinder walls. Even the so called lube free air starters require lubrication to prolong trouble free life. Two basic lubricator devices are typically employed. One is an in line or reservoir type that typically stores up to 2 quarts of lubricant, and is installed along the air supply line. The second style of lubricator is a small one shot device that dispenses a measured amount of lubricant every time the starter is engaged. Installed directly onto the air inlet of the starter, the in line lubricators are self priming pneumatic pumps that require a 1/4″ lubrication line piped from as far away as 4 feet. Air Starter lubricators perform best using misting type, non detergent oils such as diesel fuel or Marvel Mystery oil. If emissions are a concern, there are environmentally friendly type lubricants available on the market. Not all air starters require lubrication. Turbine type air starters do not require air motor lubrication, although some turbine air starters do use an oil filled transmission that may require periodic inspections and maintenance.
Газовые турбины
Сжатый воздух использовался для запуска газотурбинных двигателей с использованием запуска с воздушным ударом (в котором воздух направляется на лопасти турбины двигателя через сопла в корпусе турбины, применяемого на двигателях General Electric J79 ВМС США). Гораздо эффективнее использовать стартер воздушной турбины (ATS), который обычно монтируется на вспомогательной коробке передач. Ранний осевой компрессорный турбореактивный двигатель имел ATS, расположенный в носовом конусе компрессора (например, некоторые варианты J79). Запуск с воздушным ударом не применялся для военных самолетов США после F-4B, A-5A и F-5, поскольку потребность в пневматической энергии была в несколько раз выше, чем при использовании стартера воздушной турбины. Газотурбинный компрессор, необходимый для запуска J79 с помощью запуска с воздушным ударом, был достаточен для одновременного запуска двух двигателей J79 на B-58 при использовании стартеров воздушных турбин. ATS имеет собственную турбину и редуктор для преобразования низкого крутящего момента и высокой скорости в низкую скорость и высокий крутящий момент на установочной площадке двигателя. Дальнейшие передачи в редукторе двигателя соединяются с валом двигателя (высокочастотной катушкой в многокатушечных двигателях). Сжатый воздух подается в турбину ATS от вспомогательной силовой установки самолета (отбор воздуха из газогенератора или от компрессора свободной турбины, например, PW901 APU), от уже работающего двигателя (отбор воздуха) на многодвигательном самолете или, для ранних реактивных самолетов, от воздушного компрессора, установленного на наземном оборудовании. По сравнению с электрическими стартерами, воздушные стартеры имеют более высокое отношение мощности к весу, поэтому используются на больших двигателях, поскольку электрический стартер был бы слишком большим и, вместе с кабелями, слишком тяжелым и дорогим. Однако для небольших двигателей, которым не требуется такая большая пусковая мощность, более подходит электрический стартер. Он выполняет двойную функцию генератора (известен как стартер-генератор) на скоростях, при которых двигателю больше не требуется помощь при запуске.
Compressed air has been used to start gas turbine engines using air impingement starting (in which air is directed at the engine turbine blades through nozzles in the turbine casing, used on US Navy General Electric J79 engines). It is much more efficient to use an air turbine starter (ATS) which is usually mounted on an accessory gearbox. An early axial compressor turbojet had an ATS located in the compressor nose cone (eg particular variants of the J79). Air impingement starting was not used for US military aircraft after the F 4B, A 5A and F 5 as the pneumatic energy requirement was several times greater than when using an air turbine starter. The gas turbine compressor required to start a J79 with impingement starting was sufficient to start two J79 engines simultaneously in a B 58 when using air turbine starters. An ATS has its own turbine and gears to change its low torque and high speed to low speed and high torque at the engine mounting pad. Further gears in the engine gearbox connect to the engine shaft (high pressure spool on multi spool engines). Compressed air is sent to the ATS turbine from the aircraft auxiliary power unit ( bleed air from the gas generator or from a free turbine load compressor, eg PW901 APU), from an already running engine (bleed air) on a multi engined aircraft or, for early jet aircraft, from an air compressor mounted on ground support equipment. Compared with electric starters, air starters have a higher power to weight ratio so are used on large engines as an electric starter would be too big and, with its cables, too heavy and expensive. However, for smaller engines, which don't need as much starter power, an electric starter is more suitable. It has a dual function as a generator (is known as a starter/generator) at speeds above which the engine no longer requires starter assistance.