Η σωστή εκκίνηση ενός στροβιλοκινητήρα αποτελεί μια κρίσιμη φάση, που επηρεάζει όλη την περαιτέρω λειτουργία αυτού και γενικότερα του αεροσκάφους.
Το φαινόμενο της "Θερμής Εκκίνησης - Hot Start", υπάρχει πάντοτε σαν ενδεχόμενο στη φάση της εκκίνησης. Σε κάθε περίπτωση ΔΕΝ πρέπει να συμβεί! Ο λόγος είναι η καταστροφή του στροβίλου, στην οποία μπορεί να οδηγήσει!
Σε έναν στροβιλοκινητήρα, για να υπάρξει εκκίνηση απαιτούνται 3 βασικές παράμετροι: i) περιστροφή του συμπιεστή, που θα δημιουργήσει κατάλληλη πίεση και ικανή ποσότητα αέρα, ii) παροχή καυσίμου και iii) πηγή έναυσης που προϋποθέτει κατάλληλη τάση ρεύματος.
Ας δούμε αναλυτικά τις παραμέτρους εκκίνησης στροβιλοκινητήρα που πρέπει να πληρούνται:
Τι είναι αυτό;
H απάντηση μπορεί να αντληθεί από την εξής απορία: ένας στροβιλοκινητήρας που είναι εκτός λειτουργίας και αποφασίζουμε να τον εκκινήσουμε, πως αυτός θα περιστραφεί από το μηδέν; πως θα "γυρίσει" μόνος του;
Άρα λοιπόν, χρειαζόμαστε και ένα Σύστημα Εκκίνησης το οποίο θα περιστρέψει έναν αρχικά εκτός λειτουργίας κινητήρα σε ένα καθορισμένο αριθμό στροφών, όπου εκεί θα μπορεί να διατηρηθεί σταθερή καύση και να επιταχύνει μέχρι το σημείο βραδείας λειτουργίας (IDLE). Πέραν αυτού, ο κινητήρας μπορεί να επιταχύνει και να λειτουργήσει σε όλο το εύρος στροφών του μόνος του!
Ο τύπος εκκινητή που επιλέγεται για κάθε κινητήρα εξαρτάται από παράγοντες όπως: χρόνος εκκίνησης (εξαιρετικά σημαντική παράμετρος για τα μαχητικά αεροσκάφη αλλά και γενικότερα για τη "διάρκεια ζωής" του κινητήρα), διαθέσιμη ισχύς (στους στροβιλοκινητήρες όσο αυξάνονται οι στροφές του κινητήρα αυξάνεται και το φορτίο ενώ στους εμβολοφόρους μέγιστο φορτίο απαιτείται στην πρώτη περιστροφή του στροφαλοφόρου), τρόπος λειτουργίας (αυτόνομα μέσω APU ή μη μέσω GPU), αξιοπιστία, κόστος, συντήρηση, κτλ.
Αφού αναφερθήκαμε στις παραμέτρους εκκίνησης, ας αναλύσουμε και τη διαδικασία εκκίνησης των στροβιλοκινητήρων βήμα - βήμα:
Η σειρά με την οποία αναφέρθηκαν τα στάδια εκκίνησης παραπάνω, είναι μια θεωρητική προσέγγιση! Το φαινόμενο της "Θερμής Εκκίνησης - Hot Start", υπάρχει πάντοτε σαν ενδεχόμενο στη φάση της εκκίνησης. Σε κάθε περίπτωση ΔΕΝ πρέπει να συμβεί! Ο λόγος είναι η καταστροφή του στροβίλου, στην οποία μπορεί να οδηγήσει!
Σε έναν στροβιλοκινητήρα, για να υπάρξει εκκίνηση απαιτούνται 3 βασικές παράμετροι: i) περιστροφή του συμπιεστή, που θα δημιουργήσει κατάλληλη πίεση και ικανή ποσότητα αέρα, ii) παροχή καυσίμου και iii) πηγή έναυσης που προϋποθέτει κατάλληλη τάση ρεύματος.
Ας δούμε αναλυτικά τις παραμέτρους εκκίνησης στροβιλοκινητήρα που πρέπει να πληρούνται:
- Συμπιεστής (Compressor): θα πρέπει να περιστραφεί σε έναν ικανοποιητικό αριθμό στροφών (RPM), συνήθως στο 15 - 20% των μέγιστων στροφών του, για να εισάγει ποσότητα αέρα στο θάλαμο καύσης και να δημιουργήσει κατάλληλη πίεση αυτού για να διατηρηθεί η φλόγα που θα υπάρξει και για να ψύξει τα ψυχόμενα μέρη του κινητήρα.
Άρα, ο συμπιεστής εκτελεί 2 βασικές λειτουργίες! Εξασφαλίζει κατάλληλες συνθήκες έναυσης και διατήρησης αυτής και ψύχει τα θερμά μέρη του κινητήρα! - Παροχή Καυσίμου και Έναυση ή Σύστημα Καυσίμου και Σύστημα Ανάφλεξης, αντίστοιχα: το σύστημα καυσίμου που θα "πάρει" καύσιμο από τις δεξαμενές, θα αυξήσει τη πίεσή του και θα το διανέμει στους εγχυτήρες (fuel nozzles)... σε αλληλουχία με το σύστημα έναυσης που θα εξασφαλίσει υψηλή τάση ρεύματος για να υπάρξει σπινθήρας από τους αναφλεκτήρες (igniters), έχουν κοινό τρόπο λειτουργίας! Την περιστροφή του άξονα του κινητήρα σε ικανοποιητικό αριθμό στροφών, για να λειτουργήσουν τα παρελκόμενα των αντίστοιχων τμημάτων και να έχουμε τροφοδοσία καυσίμου και έναυση!
Τι είναι αυτό;
H απάντηση μπορεί να αντληθεί από την εξής απορία: ένας στροβιλοκινητήρας που είναι εκτός λειτουργίας και αποφασίζουμε να τον εκκινήσουμε, πως αυτός θα περιστραφεί από το μηδέν; πως θα "γυρίσει" μόνος του;
Άρα λοιπόν, χρειαζόμαστε και ένα Σύστημα Εκκίνησης το οποίο θα περιστρέψει έναν αρχικά εκτός λειτουργίας κινητήρα σε ένα καθορισμένο αριθμό στροφών, όπου εκεί θα μπορεί να διατηρηθεί σταθερή καύση και να επιταχύνει μέχρι το σημείο βραδείας λειτουργίας (IDLE). Πέραν αυτού, ο κινητήρας μπορεί να επιταχύνει και να λειτουργήσει σε όλο το εύρος στροφών του μόνος του!
Ο τύπος εκκινητή που επιλέγεται για κάθε κινητήρα εξαρτάται από παράγοντες όπως: χρόνος εκκίνησης (εξαιρετικά σημαντική παράμετρος για τα μαχητικά αεροσκάφη αλλά και γενικότερα για τη "διάρκεια ζωής" του κινητήρα), διαθέσιμη ισχύς (στους στροβιλοκινητήρες όσο αυξάνονται οι στροφές του κινητήρα αυξάνεται και το φορτίο ενώ στους εμβολοφόρους μέγιστο φορτίο απαιτείται στην πρώτη περιστροφή του στροφαλοφόρου), τρόπος λειτουργίας (αυτόνομα μέσω APU ή μη μέσω GPU), αξιοπιστία, κόστος, συντήρηση, κτλ.
Αφού αναφερθήκαμε στις παραμέτρους εκκίνησης, ας αναλύσουμε και τη διαδικασία εκκίνησης των στροβιλοκινητήρων βήμα - βήμα:
- Σύστημα Εκκίνησης ΟΝ: με χρήση του εκκινητήρα (starter), ο κινητήρας αρχίζει να περιστρέφεται και με την περιστροφή του συμπιεστή σε καθορισμένο αριθμό στροφών είναι εφικτή η καύση του μείγματος (αέρας και καύσιμο) στο θάλαμο καύσης.
# Η ύπαρξη αυξημένης παροχής αέρα μέσα στον κινητήρα είναι πολύ σημαντική κατά τη φάση της εκκίνησης, γιατί πέραν των όσων αναφέρθηκαν, βοηθά επίσης και στον καθαρισμό του κινητήρα από αναθυμιάσεις καυσίμου ή ελαίου που δημιουργήθηκαν είτε από προηγούμενο σβήσιμο είτε από προηγούμενη αποτυχημένη προσπάθεια εκκίνησης! - Σύστημα Ανάφλεξης ON: με τον αριθμό στροφών λειτουργίας σε ικανοποιητικό βαθμό, όπως αναφέρθηκε 15-20 %, έχει δημιουργηθεί κατάλληλη (υψηλή) τάση ρεύματος για να λειτουργήσουν οι αναφλεκτήρες (igniters).
# Μια τυπική τιμή της τάσης που απαιτείται είναι η τάση του ρεύματος από τα 28V να φτάνει τα 2000 έως και 2800V!
# Αυξημένες αναθυμιάσεις στο θάλαμο καύσης με τους αναφλεκτήρες ΟΝ, οδηγούν σε φλόγα στην εξαγωγή του κινητήρα, ενώ ο υπερβολικός βαθμός τους μπορεί να οδηγήσει ακόμη και σε έκρηξη στο εσωτερικό του κινητήρα! - Σύστημα Τροφοδοσίας ΟΝ: καύσιμο ψεκάζεται στο θάλαμο καύσης και θέτουμε τον κινητήρα σε κατάσταση βραδείας λειτουργίας (IDLE - ρελαντί).# Στο IDLE o κινητήρας λειτουργεί με την ελάχιστη παροχή καυσίμου, μετά τη θέση OFF!
# Όταν ο κινητήρας μπεί σε λειτουργία IDLE, o εκκινητής και το σύστημα ανάφλεξης βγαίνουν εκτός λειτουργίας!
Στην πράξη, οι κατασκευαστές εφαρμόζουν την εξής ακολουθία:
εκκινητής σε θέση "on" -> ανάφλεξη σε θέση "on" -> καύσιμο "on" -> έναυση κινητήρα -> (ο κινητήρας επιταχύνει χωρίς τη βοήθεια του εκκινητή) -> ανάφλεξη "off" -> εκκινητής "off" -> στροφές ρελαντί (IDLE).
Η παραπάνω αναπαράσταση αποτελεί μια ιδανική εκκίνηση!
Όμως κάτι μπορεί να πάει στραβά! Πάντοτε υπάρχει σαν ενδεχόμενο μια δυσλειτουργία.
Είπαμε οτι ο εκκινητής υποβοηθά περαιτέρω την επιτάχυνση του κινητήρα. Όμως μπορεί να μην υπάρξει επαρκή υποβοήθηση και οι στροφές να παραμείνουν σταθερές ή και να αρχίσουν να μειώνονται! Αυτό σημαίνει καθυστέρηση εκκίνησης και πρακτικά, τα θερμά μέρη του κινητήρα συνεχίζουν να παραμένουν περαιτέρω σε συνθήκες αυξημένων θερμοκρασιών χωρίς επαρκή ψύξη!
Σε μία τέτοια περίπτωση έχουμε θερμή εκκίνηση (hot start). Άμεση συνέπεια είναι η υπερθέρμανση των θερμών μερών του κινητήρα και ιδιαίτερα της πρώτης κινητής βαθμίδας του στροβίλου/τουρμπίνας!
Αν για οποιοδήποτε λόγο, ο κινητήρας παραμείνει σε κατάσταση θερμής εκκίνησης για αυξημένο χρονικό διάστημα τότε αυτό οδηγεί σε καταστρεπτικές συνέπειες για τον κινητήρα, ακόμη και σε κάψιμο/λιώσιμο του στροβίλου!
Κατά την ύπαρξη του φαινομένου αυτού, πρέπει η παροχή καυσίμου να σταματήσει άμεσα και να συνεχιστεί η λειτουργία του εκκινητή για 1 λεπτό τουλάχιστον! Η διαδικασία αυτή ονομάζεται dry motoring και σκοπό έχει να ψύξει άμεσα τα θερμά τμήματα του κινητήρα που υποβλήθηκαν σε υπερθέρμανση λόγω hot start!
Άν διαπιστωθεί hot start είτε από τον χειριστή είτε από το FADEC του κινητήρα -αν αυτός είναι εξοπλισμένος- θα πρέπει να ελεγχθεί μια σημαντική παράμετρος για οποιαδήποτε επόμενη κίνηση/ενέργεια! Η παράμετρος αυτή είναι η λεγόμενη "Never Exceed Temperature".
Άν αυτή δεν ξεπεράστηκε κατά το hot start της πρώτης εκκίνησης, ο χειριστής μπορεί να επιχειρήσει μια δεύτερη προσπάθεια εκκίνησης. Όμως, σε περίπτωση που η θερμοκρασία αυτή ξεπεράστηκε, σε καμία περίπτωση δεν επιχειρείται προσπάθεια επανεκκίνησης και ο κινητήρας πρέπει να προβεί σε ενέργειες maintenance!
Η επανεκκίνηση κινητήρα γενικά είναι κρίσιμη φάση, λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που ήδη προϋπήρξαν και πόσο μάλλον μετά από hot start! Για τους λόγους αυτούς, οι κατασκευαστές κινητήρων ορίζουν έναν συγκεκριμένο χρόνο όπου μετά το πέρας αυτού θα μπορέσει ο χειριστής να εκκινήσει με ασφάλεια τον κινητήρα!
Επίσης ιδιαίτερης προσοχής χρήζει η εκκίνηση κινητήρα με αξονοστρόβιλο εκκινητή, λόγω υπερθέρμανσης του στροβίλου αυτού!
Αν συνοψίζαμε τις παραμέτρους που μπορούν να μας οδηγήσουν σε hot start, θα λέγαμε οτι είναι: i) ανεπαρκής ροή αέρα μέσω του συμπιεστή (insufficient airflow through the compressor), ii) εσφαλμένος προγραμματισμός τροφοδοσίας καυσίμου (incorrect fuel scheduling) και iii) αργή επιτάχυνση του κινητήρα (slow engine acceleration).
Για να εμβαθύνουμε κατ' ελάχιστο στους παράγοντες που μας οδηγούν σε hot start, θα προσθέταμε: i) insufficient bleed air from the auxiliary power unit (APU) or ground support unit (GSU) και ii) reverse airflow caused by a wind blowing from behind the aircraft.
 |
| "Διάφορες μορφές damage στα turbine blades λόγω overheating, Πηγή: Article "Damageability of Gas Turbine Blades"
Józef Blachnio and Wojciech Izydor Pawlak Air Force Institute of Technology (Instytut Techniczny Wojsk Lotniczxych-ITWL), Poland"
|
References: 1) "Κινητήρες Αεροσκαφών II", TEE, 2oς Κύκλος, Ειδικότητα Μηχανοσυνθετών
Αεροσκαφών
2) https://www.skybrary.aero/index.php/Hot_Start
Σχόλια
Δημοσίευση σχολίου