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    某渦軸發(fā)動機空中啟動參數(shù)分析

    2016-06-23 02:53:10任智勇李志鵬
    工程與試驗 2016年1期

    任智勇,李志鵬,汪 濤

    (中國航空工業(yè)集團公司 中國飛行試驗研究院,陜西 西安 710089)

    某渦軸發(fā)動機空中啟動參數(shù)分析

    任智勇,李志鵬,汪濤

    (中國航空工業(yè)集團公司 中國飛行試驗研究院,陜西 西安 710089)

    摘要:發(fā)動機空中啟動試驗是評價發(fā)動機性能的重要手段。介紹了某渦軸發(fā)動機空中啟動試驗方法,分析了啟動時間、啟動中燃?xì)鉁u輪后溫度T45峰值、關(guān)車后降溫時間隨啟動高度的變化關(guān)系,發(fā)現(xiàn)隨啟動高度增加,啟動時間呈二次曲線增加、T45溫度峰值線性下降、關(guān)車后降溫時間增加。分析結(jié)果為改良設(shè)計和后續(xù)安排相應(yīng)科目試飛提供了指導(dǎo)。

    關(guān)鍵詞:渦軸發(fā)動機;空中啟動;啟動時間;T45峰值;降溫時間

    1引言

    航空發(fā)動機的空中啟動特性對保障飛行安全至關(guān)重要。當(dāng)由于各種原因出現(xiàn)發(fā)動機空中停車后,可靠的空中啟動是使飛機重獲動力進而恢復(fù)戰(zhàn)斗力的基礎(chǔ)。因此,空中啟動是發(fā)動機試驗中的重要環(huán)節(jié),也是對其性能考核的重要指標(biāo)。

    針對發(fā)動機空中啟動的研究有:樸英[1]建立了數(shù)字仿真模型,研究了多種參數(shù)對啟動的影響,并分析了空中啟動的影響因素;張紹基[2]進行了渦扇發(fā)動機空中啟動特性分析;Casey等[3]在地面模擬了渦扇發(fā)動機空中啟動,并提出了評定啟動時間的等效方法。然而,目前的空中啟動研究大多集中在仿真模型和地面模擬,針對真實條件下的研究較少,如張媛等[4]進行了某渦軸發(fā)動機空中啟動試驗故障分析,發(fā)現(xiàn)啟動失敗源于起動機和供油控制不匹配。

    采用仿真模型和地面模擬發(fā)動機的空中啟動并不能完全真實地反映發(fā)動機裝機的運轉(zhuǎn)情況,只有裝機進行飛行試驗,才是驗證發(fā)動機空中啟動性能最直接、最可靠的方式。通過空中啟動飛行試驗,可以從中總結(jié)規(guī)律,并暴露設(shè)計缺陷,進而改良設(shè)計。本文通過分析某型渦軸發(fā)動機空中啟動飛行試驗數(shù)據(jù),總結(jié)了發(fā)動機進行空中啟動時幾個相應(yīng)參數(shù)的變化規(guī)律,從而對改良設(shè)計和后續(xù)進行試驗提供了指導(dǎo)。

    2試驗對象簡介

    本文的研究對象是某型全權(quán)限數(shù)控控制(Full Authority Digital Engine Control,FADEC)渦輪軸發(fā)動機,該型渦軸發(fā)動機采用氣源啟動,氣源可來自輔助動力裝置(Auxiliary Power Unit,APU)或另發(fā)。發(fā)動機啟動過程完全由數(shù)控系統(tǒng)控制,當(dāng)發(fā)動機狀態(tài)選擇開關(guān)由“停車”撥到“慢車”時,數(shù)控系統(tǒng)打開啟動空氣電磁閥,使高壓氣源帶動空氣渦輪起動機,進而通過齒輪傳動帶動燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子。同時,發(fā)動機燃燒室點火。當(dāng)燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速Ng達到一設(shè)定值時,按照設(shè)定供油規(guī)律開始供油,轉(zhuǎn)速上升至一定值時起動機脫開,發(fā)動機進入閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制??紤]到該型渦軸發(fā)動機的設(shè)計及匹配,飛行試驗專門改造了試驗直升機平臺,雙發(fā)換裝被試發(fā)動機進行。

    3試驗方法

    試驗機執(zhí)行空中啟動科目時,只有一發(fā)正常工作。在低高度下,單發(fā)功率可以維持直升機平飛,空中啟動試驗可在有利速度下單發(fā)平飛進行。在高高度下,單發(fā)功率無法維持平飛,因此需要先爬升至更高高度,再放距下滑,在下滑中需用功率小于平飛時需用功率,從而可使工作的一發(fā)不進入應(yīng)急狀態(tài),進行另發(fā)的空中啟動試驗。

    對于渦軸發(fā)動機而言,由于其進氣道并非完全朝向機身前方,且一般直升機飛行馬赫數(shù)低于0.3,進氣道內(nèi)沖壓作用對啟動的影響很小,幾乎可以忽略不計。即便如此,由于風(fēng)車狀態(tài)對于啟動發(fā)動機更有利,因此國軍標(biāo)要求對空中啟動的考核重點放在小速度邊界。另一方面,直升機在小速度時阻力較小,工作發(fā)動機負(fù)擔(dān)輕,因此每個高度的空中啟動試驗選擇在試驗機小速度下進行,各高度層速度基本一致。

    空中啟動試驗均在常溫下進行,且相關(guān)試驗實施日期比較接近,環(huán)境溫度稍有變化。試驗主要用于發(fā)動機空中啟動性能摸底,以便于后續(xù)優(yōu)化發(fā)動機設(shè)計及安排相關(guān)鑒定試飛。

    4試驗結(jié)果及分析

    被試發(fā)的空中啟動試驗在包線內(nèi)選取了若干個氣壓高度層進行,每個高度層若干次啟動,其中低高度完成了交叉啟動。

    錄取了空中啟動試驗數(shù)據(jù),并對其中啟動時間、啟動過程中T45峰值、關(guān)車后冷卻時間隨啟動高度的變化進行分析。所有圖表中,試驗高度、時間、T45溫度均進行了歸一化處理,且相同的物理量采用了相同的處理方式。

    4.1啟動時間

    發(fā)動機啟動時間是衡量啟動性能的一項重要指標(biāo)。啟動時間定義為從發(fā)動機狀態(tài)選擇開關(guān)撥到“慢車”開始,至發(fā)動機燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速Ng達到慢車轉(zhuǎn)速。發(fā)動機啟動過程中,由起動機帶轉(zhuǎn)燃?xì)鉁u輪逐漸過渡到渦輪產(chǎn)生功率帶動燃?xì)鉁u輪,最終達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。圖1給出了啟動時間隨啟動高度變化的試驗結(jié)果,以及擬合曲線。

    圖1 啟動時間隨啟動高度變化關(guān)系

    可以看出,隨高度增加,啟動時間也逐漸增加,二者近似成二次曲線關(guān)系。由于高度增加,大氣密度減小,一方面使起動機輸出功率減小,在起動機帶轉(zhuǎn)階段帶轉(zhuǎn)能力下降,轉(zhuǎn)子加速時間增加,另一方面使渦輪的剩余功率降低,燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子加速時間增加。此外,高空中為避免啟動時超溫而限制了供油量,也使啟動時間變長[5]。在高高度下,可以適當(dāng)提高起動機脫開轉(zhuǎn)速,延長帶轉(zhuǎn)時間,以避免啟動失敗。另外,從圖中可見,各次相同高度試驗之間偏差較小,意味著啟動時間這一參數(shù)重復(fù)性較好,受環(huán)境溫度影響不大。

    4.2啟動過程中T45峰值

    發(fā)動機的啟動過程屬于典型的過渡態(tài)過程,期間由于燃油供給量逐漸增大,燃?xì)鉁u輪后排氣溫度T45逐漸升高,如果出現(xiàn)熱懸掛等現(xiàn)象,就容易造成發(fā)動機超溫。為避免超溫?fù)p壞發(fā)動機,需要關(guān)注啟動過程中T45峰值。圖2給出了各高度下T45峰值的試驗結(jié)果,以及同一臺發(fā)動機之前采用機械液壓控制系統(tǒng)時的空中啟動T45峰值數(shù)據(jù)。

    圖2 T45峰值隨啟動高度變化關(guān)系

    由圖2可見,隨啟動高度增加,T45溫度峰值在逐漸下降,二者近似成線性關(guān)系。各高度啟動時的T45峰值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)動機啟動限制值,且同一高度的T45峰值較接近。而在采用機械液壓控制系統(tǒng)時,啟動中T45溫度峰值顯著增大,且同一高度各次試驗之間數(shù)據(jù)差別也較大,在啟動過程中甚至出現(xiàn)了超出溫度限制的情況,由飛行員終止啟動??梢?,采用機械液壓控制時,由于控制精度不夠高,控制邏輯不甚合理,使得啟動參數(shù)的重復(fù)性差,且極易出現(xiàn)啟動超溫,不利于發(fā)動機穩(wěn)定啟動。采用FADEC控制系統(tǒng)后,得益于電控系統(tǒng)的控制精度提高,改善了啟動過程中的供油規(guī)律,一方面降低了T45的超調(diào),避免了發(fā)動機啟動過程中超溫,另一方面使啟動T45溫度的重復(fù)性改善,有利于發(fā)動機穩(wěn)定啟動。

    4.3關(guān)車后降溫時間

    發(fā)動機手冊規(guī)定,啟動發(fā)動機須在T45溫度低于一定值后方可進行。對于高空空中啟動試驗,由于需要先爬升至更高高度,在下滑過程中執(zhí)行,為了準(zhǔn)確匹配啟動高度,并盡量在手冊允許范圍內(nèi)的較高溫度下啟動,有必要了解各高度發(fā)動機關(guān)車后降溫至啟動溫度的時間,以便安排后續(xù)試驗。圖3給出了降溫時間隨啟動高度的變化曲線。

    圖3 關(guān)車后降溫時間隨啟動高度變化關(guān)系

    可以看出,在圖中A高度以下,降溫時間隨啟動高度增加緩慢增加。由于隨高度增加,大氣密度逐漸降低,流過發(fā)動機內(nèi)部的空氣流量減小,使發(fā)動機散熱變慢,同時隨高度增加,大氣溫度也逐漸降低,有利散熱。但溫度降低的影響小于流量減小帶來的影響,因此總體上降溫時間變長。A高度以上,有幾次試驗的降溫時間隨啟動高度增加迅速增加,經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn),這幾次試驗在關(guān)發(fā)動機之前,在“慢車”狀態(tài)保持的冷機時間并未達到要求的時間,結(jié)果關(guān)車后T45溫度顯著高于正常關(guān)車,風(fēng)車狀態(tài)下降溫緩慢,降溫時間更長,以至于冷機時間與降溫時間之和反而增加。

    出現(xiàn)以上“停車”反而比“慢車”降溫慢的原因在于,在發(fā)動機由“飛行”切換到“慢車”狀態(tài)時,雖然發(fā)動機仍在運行,但是此時燃?xì)鉁囟葘嶋H低于發(fā)動機熱端部件的內(nèi)在溫度,而此時發(fā)動機內(nèi)部空氣流量遠(yuǎn)大于關(guān)車后的風(fēng)車狀態(tài),“慢車”的效果類似于冷運轉(zhuǎn),因此反而降溫比關(guān)車后更迅速。當(dāng)發(fā)動機熱端部件接近燃?xì)鉁囟群?,延長“慢車”時間將使總降溫時間增加。因此,在“慢車”狀態(tài)保持適當(dāng)?shù)臅r間,有利于縮短冷卻時間。冷機時間的最優(yōu)值還有待后續(xù)試驗摸索。

    5結(jié)論

    本文介紹了某渦軸發(fā)動機空中啟動試驗的方法,通過分析空中啟動試驗數(shù)據(jù),得出以下結(jié)論:

    (1)受起動機和渦輪功率減小、供油限制等因素影響,隨高度增加,啟動時間近似呈二次曲線增加。

    (2)相比于機械液壓控制系統(tǒng),F(xiàn)ADEC控制系統(tǒng)提高了控制精度,改善了控制邏輯,使得隨高度增加,T45溫度峰值略呈線性下降,且改善了啟動T45溫度的重復(fù)性。

    (3)隨高度增加,關(guān)車后降溫時間逐漸增加,關(guān)車前在“慢車”狀態(tài)保持適當(dāng)?shù)睦錂C時間能縮短降溫時間。最優(yōu)冷機時間有待后續(xù)試驗摸索。

    以上結(jié)論有利于了解當(dāng)前發(fā)動機空中啟動特

    性,對于后續(xù)安排空中啟動試飛科目提供了指導(dǎo),也為設(shè)計院所改良發(fā)動機設(shè)計提供了幫助。

    參考文獻

    [1]樸英.航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機啟動性能分析[J].航空動力學(xué)報,2003,18(6):777-782.

    [2]張紹基.渦扇發(fā)動機空中風(fēng)車啟動特性分析[J].航空發(fā)動機,2004,30(4):1-9.

    [3]Wade Casey,Donald Malloy,Steve Arnold,et,al.A Method to Compare Turbine Engine Airstart Times[C].Proceedings of GT2007,GT2007-27036,1-8.

    [4]張媛,刑雁,黃陳生.某型渦軸發(fā)動機空中啟動故障分析[J].燃?xì)鉁u輪試驗與研究,2009,22(2):43-45.

    [5]廉筱純,吳虎.航空燃?xì)廨啓C原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2000.

    Study on Airstart Parameters of a Turboshaft Engine

    Ren Zhiyong,Li Zhipeng,Wang Tao

    (Chinese Flight Test Establishment,Aviation Industry Corporation of China, Xi′an 710089,Shanxi,China)

    Abstract:Airstart experiment is an important means of assessing the performance of an engine.The airstart experiment method of the turboshaft engine is introduced first.Then the relationship of the starting time,the maximum T45 through starting,the cooling time after powering off with the airstart height is analyzed.It is found that as the airstart height increases,the starting time will get a parabolic increase,the maximum T45 will decrease linearly,and the cooling time will increase.The results of the analysis provide guidance of improving design and arranging flight test in the future.

    Keywords:turboshaft engine;airstart;starting time;maximum T45;cooling time

    [收稿日期]2016-02-24

    [作者簡介]任智勇(1990—),男,陜西西安人,碩士,助理工程師,從事發(fā)動機試飛技術(shù)研究工作。

    中圖分類號:V233.6

    文獻標(biāo)識碼:B

    doi:10.3969/j.issn.1674-3407.2016.01.008

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