高原條件對航空渦扇發(fā)動機(jī)啟動性能影響分析

苗禾狀，嚴(yán)文潔，張曉飛

(中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089)

高原條件對航空渦扇發(fā)動機(jī)啟動性能影響分析

苗禾狀，嚴(yán)文潔，張曉飛

(中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089)

摘要：介紹了航空渦扇發(fā)動機(jī)的啟動原理及特點，分析了高原條件對渦扇發(fā)動機(jī)地面啟動的影響，并以某渦扇發(fā)動機(jī)高原啟動為例，通過與其正常啟動性能比較，給出了高原條件對渦扇發(fā)動機(jī)地面啟動的影響及相應(yīng)的調(diào)整措施，為渦扇發(fā)動機(jī)進(jìn)行高原啟動提供參考。

關(guān)鍵詞：渦扇發(fā)動機(jī)；地面啟動；高原條件；調(diào)整措施

1引言

啟動是渦扇發(fā)動機(jī)的一個非常重要的瞬態(tài)過程。對渦扇發(fā)動機(jī)啟動系統(tǒng)的要求是：在高壓壓氣機(jī)不喘振和渦輪前排氣溫度不超溫的條件下，在允許的時間內(nèi)按照設(shè)計的啟動和供油規(guī)律使主燃燒室點燃，并能夠使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子加速至慢車狀態(tài)。隨著機(jī)場海拔高度的增加，大氣環(huán)境壓力降低，空氣密度減小，導(dǎo)致進(jìn)入發(fā)動機(jī)的空氣流量比平原地區(qū)的明顯減少。在啟動時，受設(shè)計給定供油規(guī)律等限制，極易造成富油燃燒、發(fā)動機(jī)超溫等問題，影響發(fā)動機(jī)啟動的成功率。為了能充分考核渦扇發(fā)動機(jī)在其啟動包線內(nèi)的高原啟動能力，GJB243A-2004《航空燃?xì)鉁u輪動力裝置飛行試驗要求》5.1.2.4.1節(jié)中b)項要求“在海平面至規(guī)定的發(fā)動機(jī)地面啟動高度區(qū)間，選擇不同標(biāo)高機(jī)場進(jìn)行地面啟動試驗”[1]。

本文介紹了航空渦扇發(fā)動機(jī)的啟動原理及特點，分析了高原條件對渦扇發(fā)動機(jī)地面啟動的影響，并以某渦扇發(fā)動機(jī)為例，通過與其正常啟動性能比較分析，最后給出高原條件對渦扇發(fā)動機(jī)地面啟動的影響及相應(yīng)調(diào)整措施，為渦扇發(fā)動機(jī)進(jìn)行高原啟動提供參考。

2渦扇發(fā)動機(jī)地面啟動

渦扇發(fā)動機(jī)地面啟動是指在地面啟動控制系統(tǒng)下，使發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)加速至慢車狀態(tài)的非穩(wěn)定瞬態(tài)過程。這時，發(fā)動機(jī)啟動必須依靠外界提供啟動時所需動力，因為這時沒有相對氣流流過發(fā)動機(jī)，如果此時向主燃燒室供油點火，只能將發(fā)動機(jī)燒損而不會使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來。只有使轉(zhuǎn)子加速至一定合適的轉(zhuǎn)速后，燃燒室內(nèi)的氣流才能提供穩(wěn)定燃燒時所需的壓力和溫度。因此，渦扇發(fā)動機(jī)地面啟動時必須依靠啟動機(jī)提供動力源來帶動轉(zhuǎn)子至啟動點火時所需的合適轉(zhuǎn)速。渦扇發(fā)動機(jī)地面啟動一般包含以下3個階段，如圖1所示[2]。

圖1　啟動3個階段-啟動功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系注：圖中，NK為啟動時壓氣機(jī)消耗所需功率，NC為啟動機(jī)輸出功率(陰影區(qū)域為克服壓氣機(jī)所需功率NK后的啟動機(jī)的剩余功率)，NT為燃?xì)鉁u輪發(fā)出的功率。

第Ⅰ階段(即冷運(yùn)轉(zhuǎn)階段)：從啟動機(jī)開始帶動高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速至可以向主燃燒室供油、點火(即渦輪開始輸出功率)，啟動機(jī)輸出功率可以帶動發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子加速至點火轉(zhuǎn)速n1。

第Ⅱ階段(即啟動機(jī)與渦輪共同輸出功率帶轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子加速階段)：從渦輪輸出功率(即主燃燒室開始供油點火時)到啟動機(jī)完全脫開，轉(zhuǎn)速n1加速至n2。當(dāng)轉(zhuǎn)子加速至超過最小平衡轉(zhuǎn)速nmin(NT=NK)后，渦輪輸出功率將大于壓氣機(jī)所消耗的功率，此時啟動機(jī)可以完全脫開，不需要繼續(xù)帶轉(zhuǎn)，但有時為提高啟動的可靠性和縮短轉(zhuǎn)子后半段的加速時間，啟動機(jī)還將繼續(xù)帶轉(zhuǎn)一會兒，與渦輪共同做功，將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子帶轉(zhuǎn)至轉(zhuǎn)速n2，再脫開。

第Ⅲ階段(即渦輪單獨(dú)做功帶動核心機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速加速至慢車狀態(tài))：從啟動機(jī)完全脫開至核心機(jī)轉(zhuǎn)子加速至慢車狀態(tài)，該過程單獨(dú)由渦輪輸出剩余功率△NT(△NT=NT-NK)將轉(zhuǎn)子帶轉(zhuǎn)至慢車轉(zhuǎn)速。該階段渦輪輸出功率和壓氣機(jī)所消耗功率達(dá)到平衡，即NT=NK，最終發(fā)動機(jī)在慢車轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，啟動成功。

3高原條件對航空渦扇發(fā)動機(jī)啟動的影響

渦扇發(fā)動機(jī)高原啟動的主要問題是啟動時間長(甚至超出指標(biāo)要求)、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子超轉(zhuǎn)、啟動機(jī)或主機(jī)排氣溫度超溫和啟動可靠性差。高原條件的特點主要是氣壓低、空氣密度小，以小型燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)作為啟動機(jī)或由輔助動力裝置引氣吹動燃?xì)鉁u輪作啟動機(jī)時，由于較平原正常啟動時吸入發(fā)動機(jī)或啟動機(jī)的空氣質(zhì)量流量變小，進(jìn)而啟動機(jī)功率顯著降低，增加了啟動過程中第Ⅰ階段和第Ⅱ階段的轉(zhuǎn)子加速時間；在啟動過程中的第Ⅲ階段，由于主機(jī)的進(jìn)氣量變小，導(dǎo)致了其燃燒室內(nèi)的燃燒條件變差，進(jìn)而使渦輪剩余功率變小，使發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子加速度變慢，增加了發(fā)動機(jī)的啟動時間。如果沒有合理有效的措施，在海拔3500m以上，一般發(fā)動機(jī)可能會由于啟動時間長而導(dǎo)致啟動失敗[3]。

在啟動過程中，渦扇發(fā)動機(jī)主燃燒室燃油供油量，一般由轉(zhuǎn)子加速過程供油規(guī)律和轉(zhuǎn)速控制器同時控制，并與燃油流量控制器和啟動放油電磁活門配合控制啟動供油量。在渦扇發(fā)動機(jī)啟動過程的第Ⅰ階段，燃油不進(jìn)入主機(jī)，而是經(jīng)燃油流量控制器后，再經(jīng)啟動供油電磁活門等回到燃油低壓系統(tǒng)，導(dǎo)致氣壓式啟動控制器調(diào)節(jié)的供油量不能適應(yīng)高原環(huán)境的變化，進(jìn)而導(dǎo)致啟動過程中排氣溫度高。在渦扇啟動過程中的第Ⅱ階段，由于發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小，轉(zhuǎn)速控制器不能對主燃燒室供油量進(jìn)行控制，這時膜盒組件對供油量進(jìn)行控制。由于高原環(huán)境壓力的變化，使膜盒組件難以合理準(zhǔn)確地控制啟動過程中發(fā)動機(jī)的供油量，經(jīng)常會出現(xiàn)啟動過程發(fā)動機(jī)超溫現(xiàn)象。

4某型渦扇發(fā)動機(jī)高原啟動研究

4.1發(fā)動機(jī)正常啟動特性

現(xiàn)以某渦扇發(fā)動機(jī)某次正常地面啟動來分析其正常啟動特性。平原啟動典型歷程曲線如圖2所示，啟動時，大氣壓力為P0=95.32kPa、大氣溫度為25℃。對該渦扇發(fā)動機(jī)啟動過程3個階段進(jìn)行分析，從圖中可以看出：I階段：油泵不向發(fā)動機(jī)供油，啟動機(jī)帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，但轉(zhuǎn)子速度上升約n2=16%時，為了確?？煽奎c火，產(chǎn)生了一個可調(diào)節(jié)的急增油量，并持續(xù)一段時間。II階段：在轉(zhuǎn)子達(dá)到啟動機(jī)脫開轉(zhuǎn)速約為n2=53%之前，啟動機(jī)和渦輪同時工作。Ⅲ階段：脫開啟動機(jī)之后發(fā)動機(jī)獨(dú)立工作，由渦輪將轉(zhuǎn)子增速至慢車轉(zhuǎn)速。隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，由于燃油流量的主要限制來自于壓氣機(jī)的氣動穩(wěn)定裕度，但供油壓力也隨高壓壓氣機(jī)增壓能力上升而增加，排氣溫度增加，啟動過程中渦輪后最高排氣溫度為600℃左右，啟動時間為50s左右。

圖2　某渦扇發(fā)動機(jī)啟動典型歷程圖

4.2高原啟動

該渦扇發(fā)動機(jī)在標(biāo)高3000m以上的高原機(jī)場進(jìn)行啟動檢查，場壓約為P0=63.5kPa～64.1kPa、大氣溫度范圍為8.9℃～21.4℃。此次高原啟動期間，發(fā)動機(jī)在啟動過程中參數(shù)變化平穩(wěn)，未出現(xiàn)轉(zhuǎn)速懸掛、喘振等異常情況，典型歷程曲線見圖3。此次啟動時，大氣壓力約為P0=63.7kPa、大氣溫度約為21.4℃。

圖3　某渦扇發(fā)動機(jī)高原啟動典型歷程圖

從圖3中可以看出：I階段：啟動機(jī)帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)加速，但轉(zhuǎn)子速度上升至約為n2=14%時開始點火，此時沒有達(dá)到點火轉(zhuǎn)速(按設(shè)計點火時間進(jìn)行)；II階段：在轉(zhuǎn)子達(dá)到啟動機(jī)脫開轉(zhuǎn)速約為n2=50%之前(按設(shè)計啟動機(jī)脫開時間進(jìn)行)，啟動機(jī)和渦輪同時工作；Ⅲ階段：脫開啟動機(jī)之后發(fā)動機(jī)獨(dú)立工作，由渦輪將轉(zhuǎn)子增速至慢車轉(zhuǎn)速，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，啟動過程中渦輪后最高排氣溫度為650℃左右，啟動時間為70s左右。在高原啟動過程中，發(fā)動機(jī)啟動切油現(xiàn)象比較明顯(控制器對發(fā)動機(jī)進(jìn)行啟動超溫保護(hù)，最多切油5次)，典型歷程曲線見圖4。

圖4　高原啟動切油保護(hù)歷程曲線

4.3高原啟動與正常啟動比較

從圖2和圖3比較來看，在環(huán)境溫度基本相當(dāng)?shù)那闆r下，高原條件下該渦扇發(fā)動機(jī)啟動較正常啟動，點火時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較低(高原條件下都是在達(dá)到設(shè)計規(guī)定點火時間進(jìn)行點火)，導(dǎo)致了進(jìn)入啟動機(jī)和發(fā)動機(jī)的空氣流量變小，使主機(jī)燃燒條件變得惡化，進(jìn)而使啟動機(jī)和主機(jī)的渦輪功率變小，使剩余功率也隨著減小。因此，在高原啟動過程中，發(fā)動機(jī)的高壓轉(zhuǎn)子的速度變小，導(dǎo)致了高原啟動一般是先到設(shè)計規(guī)定的啟動機(jī)脫開時間后再脫開啟動機(jī)，上述分析導(dǎo)致了高原啟動時間較長。

此外，由于高原啟動時未對發(fā)動機(jī)進(jìn)行調(diào)整(即啟動時，仍按正常啟動的供油規(guī)律來供油)，高原條件下空氣密度較低，使得發(fā)動機(jī)進(jìn)口吸入的空氣質(zhì)量流量減少，燃燒室余氣系數(shù)變低，導(dǎo)致啟動時主機(jī)燃燒室出口燃?xì)鉁囟茸兏?，控制器根?jù)啟動過程中溫升情況，對發(fā)動機(jī)進(jìn)行超溫切油保護(hù)。

5建議措施

通過高原條件對渦扇發(fā)動機(jī)啟動的影響和對某型渦扇發(fā)動機(jī)高原啟動特點與正常啟動比較，建議采用以下措施來提高渦扇發(fā)動機(jī)高原啟動的成功率：

(1)提高發(fā)動機(jī)啟動機(jī)功率和增加其工作穩(wěn)定性。通過適當(dāng)提高渦扇發(fā)動機(jī)啟動機(jī)的排氣溫度的方式，來提高其啟動機(jī)的功率。采取合理措施對啟動機(jī)進(jìn)口進(jìn)行增壓和補(bǔ)氧，增大啟動過程中發(fā)動機(jī)補(bǔ)氧量，以提高發(fā)動機(jī)啟動機(jī)功率，進(jìn)而提高啟動機(jī)工作穩(wěn)定性。

(2)減少啟動過程中來自飛機(jī)等設(shè)備的電負(fù)載和液壓負(fù)載。

(3)對啟動過程進(jìn)行優(yōu)化，主要包括對高原條件啟動過程中主機(jī)燃油供油壓力的調(diào)整等措施。但是，如果主機(jī)供油量調(diào)整不合適，會對燃燒室混合氣的余氣系數(shù)和渦輪前燃?xì)鉁囟犬a(chǎn)生較大的影響，極易產(chǎn)生高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速懸掛。如果在啟動過程中，主機(jī)壓氣機(jī)發(fā)生失速，則會引起壓氣機(jī)所需功率增大，也極有可能導(dǎo)致發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速懸掛。

(4)在高原條件啟動時，如果啟動前發(fā)動機(jī)主機(jī)排氣溫度較高(均在100℃以上)，導(dǎo)致啟動時排氣溫度上升比較快，調(diào)節(jié)器對發(fā)動機(jī)進(jìn)行啟動超溫保護(hù)，極易將發(fā)動機(jī)切停(典型歷程曲線見圖4)。在上述條件下再次進(jìn)行啟動前，建議對發(fā)動機(jī)進(jìn)行冷吹。

6結(jié)論

高原環(huán)境條件對航空渦扇發(fā)動機(jī)啟動性能有較大的影響。為充分考核渦扇發(fā)動機(jī)啟動能力，按相關(guān)規(guī)定對渦扇發(fā)動機(jī)進(jìn)行相關(guān)高原啟動檢查是十分必要的。根據(jù)高原環(huán)境條件對某渦扇發(fā)動機(jī)啟動的影響，通過與該發(fā)動機(jī)正常啟動對比分析，發(fā)現(xiàn)可以通過調(diào)整發(fā)動機(jī)啟動時燃油供油量、提高啟動機(jī)功率、減少啟動過程中飛機(jī)功率提取負(fù)載等措施，來提高航空渦扇發(fā)動機(jī)在高原條件下啟動的成功率。

參考文獻(xiàn)

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[2]李樹人.航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)工作特性試驗分析[M].西安:飛行試驗研究院,2008:210-212.

[3]韓同來.渦扇發(fā)動機(jī)啟動性能模擬[D].西北工業(yè)大學(xué),2005:4-7.

Analysis on Influences of Plateau Condition on Starting Performance of Turbofan Engine

Miao Hezhuang,Yan Wenjie,Zhang Xiaofei

(Chinese Flight Test Establishment,Xi′an 710089,Shanxi,China)

Abstract：The starting principle and characteristics of turbofan engine of aircraft are introduced in the paper,and the influences of plateau condition on the starting of turbofan engine on the ground are analyzed.Taking the starting of a turbofan engine on plateau condition as an example,the starting performance is compared with the normal starting performance,and the influences of the plateau condition on the starting of turbofan engine and the corresponding adjustment measurements are proposed,which provides a reference for the starting of turbofan engine in plateau condition.

Keywords:turbofan engine；ground starting；plateau condition；adjustment measurement

[收稿日期]2016-02-29

[作者簡介]苗禾狀(1984—)，男，遼寧本溪人，碩士，工程師，主要從事航空動力裝置性能特性試飛研究工作。

中圖分類號：V235.13

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.01.016