Достаточно изменить немного курс, и встречный ветер станет попутным...
В ряде случаев авиационный двигатель может оказаться выключенным в полёте. Возникает задача его повторного запуска за время, обеспечивающее продолжение устойчивого безопасного полёта самолёта без существенной потери высоты. В отличие от наземных условий, в полёте роторы выключенных турбореактивных одноконтурных (ТРД) и двухконтурных (ТРДД) двигателей под действием скоростного напора набегающего потока воздуха вращаются.
Режим авторотации (Windmilling) — установившийся режим работы газотурбинного двигателя (ГТД), при котором вращение ротора (роторов) в полёте осуществляется набегающим потоком воздуха при отсутствии горения топлива в камере сгорания (КС).
Особенности запуска ТРД(Д) в полёте связаны с тем, что:
а) двигатель переходит на установившийся режим работы — режим авторотации;
б) пониженные значения давления и температуры воздуха в КС (на высоте) затрудняют обеспечение надёжного воспламенения топлива.
Частота вращения при авторотации обычно немного превышает равновесную частоту (момент на валу турбины становится больше момента сопротивления — возможен самостоятельный разгон ротора двигателя), поэтому потребность в раскрутке ротора двигателя воздушным турбостартером (ВТС) отпадает. Процесс запуска в воздухе сводится к включению зажигания, подаче пускового топлива, его воспламенению в КС и к самостоятельной раскрутке двигателя турбиной до частоты вращения малого газа.
Для обеспечения успешного запуска ТРД(Д) в полёте необходимы:
а) надёжное воспламенение топлива в КС;
б) правильная дозировка подачи топлива в КС до выхода на малый газ, с тем чтобы, с одной стороны, обеспечить достаточную избыточную мощность турбины и, с другой стороны, не допустить чрезмерного заброса температуры газов, который может вызвать перегрев лопаток турбины или срыв в компрессоре.
Чем выше давление в КС и соответственно расход воздуха, тем легче реализовать требования. Так что надёжный запуск двигателя в полёте с режима авторотации возможен лишь до определённой (для каждого двигателя) высоты полёта и в сравнительно узком диапазоне скоростей полёта. Диапазон ограничен снизу недостаточно большой частотой вращения при авторотации, а сверху — ухудшением условий воспламенения топлива из-за повышенной скорости воздуха на входе в КС и сложностью обеспечения точной дозировки подачи топлива при запуске в широком диапазоне условий полёта.
Значения параметров температуры и давления на входе в КС уменьшаются с ростом высоты полёта, что отрицательно влияет на условия воспламенения и устойчивого горения топливовоздушной смеси.
Другим неблагоприятным фактором, затрудняющим запуск двигателя в полёте, является увеличение скорости воздуха на входе в КС на режимах авторотации по сравнению с абсолютной скоростью воздуха у работающего двигателя при той же частоте вращения. Это обусловлено ростом пропускной способности турбины, поскольку через неё вместо горячего газа проходит неподогретый воздух, имеющий более низкую температуру. В результате с ростом скорости полёта вместе с увеличением частоты вращения авторотации повышается скорость воздушного потока на входе в КС. Это влияет на пределы воспламенения топливовоздушной смеси. При высоких значениях скорости полёта наступает предел воспламенения по скорости воздуха на входе в КС. С увеличением высоты полёта эта граница достигается при меньших значениях скорости, то есть раньше.
Работа турбины низкого давления ТРДД увеличивается с ростом степени двухконтурности, что приводит к снижению температуры газов за турбиной и увеличению степени понижения давления. У ТРДД, вследствие меньших, чем у ТРД, значений давления за турбиной, на пониженных режимах падение степени расширения газа в турбине вентилятора больше чем в ТРД. Следовательно, частота (%) вращения вентилятора на режиме запуска и при авторотации оказывается также сниженной. Это приводит к некоторому увеличению продолжительности запуска ТРДД и к увеличению минимальных скоростей полёта, обеспечивающих надёжный запуск двигателя.
Время запуска на больших высотах увеличивается ещё и потому, что уменьшается плотность атмосферного воздуха, а вследствие этого — и избыточный крутящий момент турбины.
Указанные факторы сужают диапазон режимов полёта, в котором гарантируется надёжный высотный запуск двигателя. Этот диапазон для конкретного двигателя задаётся по величинам минимальной и максимальной индикаторных скоростей и по предельной высоте запуска. При очень больших скоростях и высотах полёта запуск двигателя становится невозможным.
Запуск двигателя в полёте выполняется по аналогии с запуском двигателя на земле — как в автоматическом режиме, так и ручном. Однако в полёте электронная система управления двигателем (ЭСУД) лишена права прерывать запуск двигателя или повторно его запускать.
Эксплуатационные различия между запуском двигателя в полёте и на земле состоят в использовании в полёте двух дополнительных приёмов: автоматического или быстрого повторного зажигания. На практике подобный функционал отождествляют с понятием “запуска” двигателя, однако как будет показано ниже, это не совсем так…
Встречный запуск (Relighting) — запуск ГТД после самопроизвольного или преднамеренного выключения двигателя в полёте, характеризуемый раскруткой ротора от частоты вращения большей, чем при авторотации, до выхода двигателя на режим малого газа.
Функция быстрого повторного зажигания (Quick Relight) инициируется в полёте переводом (в течение нескольких секунд) двухпозиционного переключателя запуска–останова двигателя из положения запуск в положение останов и обратно в положение запуск, что приводит к подаче топлива и работе в течение 30 секунд обеих свечей зажигания.
Функция автоматического повторного зажигания (Auto Relight) инициируется в полёте при обнаружении срыва пламени в КС и нахождении переключателя запуска–останова двигателя в положении запуск, что приводит к активации обеих свечей зажигания.
В полёте, в соответствии с логикой работы ЭСУД, подача топлива и возбуждение обеих свечей зажигания происходит одновременно.
ЭСУД, в соответствии с текущими значениями параметров двигателя и окружающей среды, определяет возможность запуска двигателя в полёте или в режиме авторотации, или с использованием ВТС.
Обгонная муфта системы запуска двигателя передаёт крутящий момент на выходной вал ВТС. После закрытия регулирующей воздушной заслонки, ускоряясь, запускаемый двигатель начинает вращаться быстрее турбины ВТС — муфта расцепляется с выходным валом ВТС.
При понижении оборотов (выключении) двигателя центробежная сила снижается, частота вращения выходного вала ВТС уменьшается, и муфта входит с ним в зацепление, работая как храповой механизм. Двигатель готов к запуску с использованием ВТС.
Значение индикаторной воздушной скорости является определяющим для ЭСУД при выборе режима запуска двигателя в полёте.
Если индикаторная скорость меньше некоторого предопределённого значения (обгонная муфта обеспечивает сцепление пускового устройства с ротором двигателя), высота полёта допустима, обороты ротора двигателя не обеспечивают достаточное давление топлива перед форсунками — ЭСУД даст команду на открытие регулирующей воздушной заслонки, активацию обеих свечей зажигания и подачу топлива в режиме запуска двигателя с использованием ВТС.
Если индикаторная скорость больше или равна некоторому предопределённому значению, высота полёта допустима, обороты ротора двигателя обеспечивают достаточное давление топлива перед форсунками — ЭСУД даст команду активировать обе свечи зажигания, подать топливо на запуск двигателя в режиме авторотации.
В случае самопроизвольного выключения двигателя в полёте или кратковременного принудительного выключения его, например, для ликвидации срыва потока воздуха в компрессоре, существенное увеличение высоты надёжного запуска ТРД(Д) можно получить, не дожидаясь выхода его на режим авторотации или использования ВТС, а включить зажигание и подать необходимое количество топлива в КС при ещё не успевшей значительно снизиться частоте вращения — выполнить встречный запуск (реализовать функцию быстрого повторного зажигания)…