РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ЗАПУСКА ФОРСАЖНЫХ
КАМЕР СГОРАНИЯ ТУРБОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Эдуард Александрович Марчик, ведущий научный сотрудник ФГУП "ЦИАМ им. П.И. Баранова",
лауреат премии имени Н.Е. Жуковского, к.т.н.

Эксплуатационная полетная область ТРДФ и ТРДДФ отличается очень широким диапазоном высотно-скоростных условий. По этой причине, надежный запуск форсажной камеры сгорания и ускоренный выход на минимальные, частичные и полные форсированные режимы с любого (вплоть до малого газа) режима работы должен производиться при существенно разных давлениях и температурах потока в газогенераторном тракте.

Актуальная научная проблема надежного запуска форсажных камер сгорания и ускоренного устойчивого выхода турбореактивных двигателей на форсированные режимы работы в отечественном авиадвигателестроении успешно решена путем разработки и создания специальной автоматической системы запуска по методу "огневой дорожки". Кратковременная локальная топливовоздушная "огневая дорожка" из работающей основной камеры сгорания в форсажную предельно эффективно запускает последнюю на всех режимах работы. Применение такой системы позволяет повысить надежность и высотность запуска форсажных камер сгорания. С ее внедрением расширяется диапазоны термогазодинамических параметров в камере и режимов работы двигателей, в которых возможен запуск форсажной камеры. Одновременно минимизируется расход пускового форсажного топлива. В конечном итоге все это приводит к улучшению качества переходных процессов и сокращению времени выхода двигателей на форсированные режимы работы.

"Огневая дорожка" при появлении пускового форсажного топлива образует в газогенераторном потоке локальный топливовоздушный факел к стабилизатору пламени. Факел организуется при кратковременном (0,02…0,5 с) впрыске топлива через две форсунки разных типов и конструкций. Подача дополнительного топлива осуществляется в основную камеру сгорания и за турбиной через постоянно продуваемый вторичным воздухом общий разветвленный трубопровод. Расход топлива регулируется саморегулирующимся дозатором, питаемым от топливной системы основного контура двигателя. Прекращение впрыска и выход на заданный форсированный режим производится по сигналу, который поступает от ионизационных датчиков наличия пламени в форсажной камере.

Удалось достичь всережимного пространственного и динамического согласования работы струйной (в основной камере сгорания) и центробежной (за турбиной) форсунок в широком диапазоне изменения частот вращения роторов двигателя. Для этого вслед за заполнением общего трубопровода посылается опережающая порция дополнительного топлива через центробежную форсунку. После осуществления процесса поджига оставшееся в трубопроводе топливо выдувается в газовый поток через центробежную форсунку, продолжая активизировать начавшееся в форсажной камере горение.

Фундаментальные научные и технические основы метода "огневой дорожки" были исследованы в ЦИАМ на демонстрационном турбореактивном двигателе (ТРДФ РД-9Б). В семидесятых годах проведены испытания этого двигателя в высотных условиях. В результате получен уникальный экспериментальный материал, позволяющий анализировать характеристики процесса запуска форсажной камеры и оценивать влияние на него элементов конструкции систем двигателя. Эти исследования позволили обосновать целесообразность организации совместных конструкторских и экспериментальных работ, направленных на реализацию нового метода. Впервые принципиальное сравнительное экспериментальное определение динамических и режимных преимуществ запуска методом "огневой дорожки" форсажной камеры сгорания ТРДФ Р15Б-300 в полном диапазоне эксплуатационных высотно-скоростных условий было осуществлено при специальных испытаниях в термобарокамере стенда Ц-1А. В расширенной по сравнению с эксплуатационной области высот и скоростей полета самолета в двигателе с прототипом системы "огневая дорожка" были получены стабильные ускоренные на 2,5…4 с выходы на форсированные режимы работы.

В период создания систем "огневая дорожка" применительно к разным турбореактивным двигателям одновременно совместно с ОКБ и ЛИИ были выполнены прямые сравнительные испытания ряда серийных и опытных электрических систем, опытных каталитической, плазмохимической и плазматронной систем на двигателях: Р11Ф-300, Р15Б-300 и др.

С учетом современных требований к динамике переходного процесса запуска форсажных камер турбореактивных двигателей воспламенение первоначальных количеств топлива должно осуществляться за время, не превышающее 0,3 с. Электрические системы зажигания принципиально не могут воспламенять топливовоздушную смесь, в которой еще не достигнуто рабочее соотношение "горючее - окислитель". Факел "огненной дорожки" сам локально приносит большое количество подготовленного топлива и тем самым обеспечивает более раннее воспламенение образующейся горючей смеси по сравнению с другими методами поджига.

На первом российском военном ТРДДФ Д-30Ф6 метод "огневой дорожки" применен впервые к двухконтурному турбореактивному двигателю. Для этого одновременно с кратковременным впрыском дополнительного топлива в заднюю часть основной камеры сгорания осуществляется согласованный впрыск дополнительного топлива на выходе из турбины.

При испытании прототипа двигателя Д-30Ф6 на наземном стенде получен "мягкий" (без изменения параметров основного контура) запуск общей форсажной камеры сгорания. Количество форсажного топлива при воспламенении составляло 4,3 % его расхода на режиме полного форсирования. Воспламенение форсажного топлива осуществлялось на всех режимах работы двигателя (в том числе и с искусственным ухудшением условий запуска форсажной камеры сгорания путем раскрытия створок реактивного сопла и снижения частоты вращения ротора турбокомпрессора высокого давления) вблизи границы "бедного" срыва горения.

Совместные работы ПМКБ, ЦИАМ и ЛИИ обеспечили безотказный ускоренный устойчивый выход двигателя на минимальные, частичные и полные форсированные режимы во всем эксплуатационном диапазоне полетных условий. Запуск форсажной камеры сгорания в процессе приемистости ранее достижения максимального режима позволил получить устойчивые практически без возмущения параметров ускоренные (на 2 с) выходы двигателя с режимов малого газа на форсированные режимы.

При внедрении систем "огневая дорожка" на полноразмерных ТРДФ и ТРДДФ экспериментально, а также расчетно-теоретически исследовался комплекс сложных взаимосвязанных научно-технических проблем нестационарных гидрогазодинамических и термофизикохимических процессов, определивших: конструкцию самонастраивающегося агрегата дозирования и кратковременного впрыска топлива по определенным законам через гидравлически объединенные форсунки одновременно в основную камеру сгорания и за турбиной газогенераторного тракта; нестационарный отбор топлива от основного контура двигателя и оптимизированный его впрыск в высокотемпературные высокоскоростные газовые потоки (с давлением, различающимся более чем в 200 раз); газодинамку и термофизику проникновения, распада, движения и горения топливных струй в разнотемпературных газогенераторных потоках существенно различной плотности; характеристики воспламенения и горения топлива в газогенераторном потоке, проходящем турбину и затурбинный тракт; пространственное ориентирование газотопливного факела в основной камере сгорания, турбине и перед фронтовым устройством форсажной камеры сгорания с активизацией поджигающей способности; нестационарное тепловое воздействие "огневой дорожки" на элементы конструкции двигателя в зависимости от ее расходно-динамических характеристик и термодинамических параметров газогенераторного потока; минимальные воспламеняющие количества топлива "огневой дорожки" и требуемую длительность (с необходимой цикличностью) ее функционирования для всего диапазона термодинамических параметров в основной и форсажной камерах сгорания на установившихся и переходных режимах работы двигателей разных конструкций, размерности и поколений; характеристики переходного процесса выхода двигателей на заданные форсированные режимы работы с установившихся режимов и при приемистостях (с малого газа и встречных) в расширенной эксплуатационной области по скорости и высоте полета (с отрицательной температурной инверсией атмосферного воздуха); возможность быстрого восстановления форсированного режима в случае срыва горения в камере (в условиях возросшей скорости потока, без возвращения на бесфорсажный режим работы двигателя и повторения всей процедуры запуска); безотказный запуск форсажных камер сгорания многорежимных ТРДДФ с удовлетворением всем требованиям к быстродействию и динамическому качеству переходных форсированных режимов.
Стабильность характеристик системы "огневая дорожка" в ТРДДФ РД-33 проверена на установившихся и переходных режимах работы двигателя в диапазоне давления топлива, превосходящем эксплуатационный. Воспламенение форсажного топлива четко фиксировалось двумя ионизационными датчиками ДПИ-1500-6П(Л).

Воспламенение уменьшенных количеств форсажного топлива способствует плавному запуску форсажной камеры сгорания.
Работа "огневой дорожки" экспериментально (с учетом расчетных данных) исследовалась на различных ТРДФ и ТРДДФ нескольких поколений в эксплуатационном диапазоне изменения термодинамических параметров. Были выбраны необходимые для их создания расходные и траекторные характеристики кратковременного переменного по режимам проникновения топливных струй, впрыскиваемых через специально изготовленные форсунки. Расход дополнительного топлива составлял от 10 до 85 г/с.
Двадцатипятилетний опыт эксплуатации подтверждает: созданные системы типа "огневая дорожка" с достигнутой малой продолжительностью рабочего топливного импульса 0,1…0,3 с не могут влиять на ресурс теплоинерционной конструкции горячего проточного тракта двигателя.

По удельной тепловой мощности, площади теплового потока и продолжительности топливного рабочего импульса система "огневая дорожка" в 103 раз превосходит электрические (и все другие) средства зажигания форсажного топлива.

Система "огневая дорожка" способна немедленно восстановить горение в камере в случае его срыва и произвести запуск форсажной камеры сгорания двигателя в условиях отказа электрической и электронной систем.

Комплекс проблем безотказного запуска форсажных камер сгорания и ускоренного устойчивого выхода (с совмещением форсажной приемистости с обычной приемистостью) на форсированные режимы работы решен для турбореактивных двигателей разных конструктивных схем (ТРДФ и ТРДДФ с одно-, двух- и четырехступенчатыми турбинами), разных поколений и размерности в расширенных заданными тактико-техническими требованиями диапазонах высотно-скоростных условий.

Системы всережимного запуска "огневая дорожка" успешно реализованы в современных серийных российских ТРДДФ Д30-Ф6, РД-33 и АЛ-31Ф (и их модификациях) основных боевых самолетов МиГ-31, МиГ-29, МиГ-29К, Су-27, Су-30, Су-30МК, Су-34, Су-35 и Су-37.
Накопленный опыт и современные исследования показывают возможность и целесообразность непосредственного сжигания углеводородного топлива в межлопаточных каналах турбин ТРДФ и ТРДДФ для реализации оптимальных комбинированных рабочих циклов.