起動機(jī)進(jìn)口壓力對某型發(fā)動機(jī)地面起動影響分析

郭斌++李寧坤

[摘 要]某型航空發(fā)動機(jī)采用空氣渦輪起動機(jī)，為了研究其地面起動的過程，對起動機(jī)進(jìn)口壓力進(jìn)行研究，分析了不同起動機(jī)供氣壓力對發(fā)動機(jī)起動過程的影響，試驗結(jié)果表明：升高起動機(jī)供氣壓力能增加空氣渦輪起動機(jī)輸出軸功率，縮短起動Ⅰ、Ⅱ階段的時間，增大起動機(jī)脫開轉(zhuǎn)速，縮短發(fā)動機(jī)起動時間。

[關(guān)鍵詞]航空發(fā)動機(jī) 空氣渦輪起動機(jī) 地面起動 起動時間

中圖分類號：V233.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）13-0129-01

1 起動過程簡介

航空Ⅰ發(fā)動機(jī)從零轉(zhuǎn)速加速到慢車轉(zhuǎn)速的過程稱為起動過程。發(fā)動機(jī)的地面起動一般包含以下三個階段[1]，第Ⅰ階段：燃燒室點火燃燒之前，在起動機(jī)的輔助下，將發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)子加速接近至點火轉(zhuǎn)速。當(dāng)高壓轉(zhuǎn)速到達(dá)時，向燃燒室中噴入燃油并點燃。第Ⅱ階段：待燃燒室內(nèi)燃油點燃形成穩(wěn)定的火源之后，渦輪便開始進(jìn)入工作狀態(tài)，發(fā)出功。第Ⅲ階段：當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到時，渦輪的輸出功率已明顯遠(yuǎn)大于壓氣機(jī)所需要的功率，此時，可以斷開起動機(jī)與發(fā)動機(jī)之間的聯(lián)接，發(fā)動機(jī)依靠渦輪的扭矩獨自將發(fā)動機(jī)從加速到慢車轉(zhuǎn)速，至此，完成發(fā)動機(jī)的整個起動過程（圖1）。

2 起動機(jī)對起動的影響

從起動的三階段來看，在起動第一階段由起動機(jī)帶轉(zhuǎn)，第二階段由起動機(jī)和渦輪共同做功帶轉(zhuǎn)，當(dāng)起動機(jī)脫開后僅由渦輪做功帶轉(zhuǎn)。起動機(jī)只在起動第一、二階段參與工作，因而其產(chǎn)生的功率對發(fā)動機(jī)起動性能的影響體現(xiàn)在這兩個階段。如果發(fā)動機(jī)所消耗的功率是確定的，則決定轉(zhuǎn)子加速度的剩余功率大小取于起動機(jī)功率和渦輪功率。起動機(jī)的功率越大，發(fā)動機(jī)起動過程所需的時間則越短，尤其是可以大大縮短主燃燒室進(jìn)入點火的時間。

某型發(fā)動機(jī)地面起動采用空起渦輪起動機(jī)?？諝鉁u輪起動機(jī)具有質(zhì)量輕、功率大、應(yīng)用范圍廣的特點。根據(jù)發(fā)動機(jī)起動性能表現(xiàn)，可以通過起動機(jī)功率和輸出轉(zhuǎn)速、扭矩等性能參數(shù)的調(diào)整進(jìn)行發(fā)動機(jī)起動性能的調(diào)節(jié)，空氣渦輪起動機(jī)輸出軸功率可表示為：

式中：為空氣渦輪起動機(jī)輸出軸功率（KW）；R為氣體常數(shù)（J/（K·mol））；K為氣體等熵指數(shù)；為空氣渦輪起動機(jī)進(jìn)口空氣質(zhì)量流量（kg/s）；為空氣渦輪起動機(jī)進(jìn)口空氣總溫（K）；為空氣渦輪起動機(jī)效率，為起動機(jī)渦輪進(jìn)口空氣總壓（Pa）；為渦輪后的壓力（Pa），等于或者稍大于大氣壓力。

3 試驗分析

3.1 試驗設(shè)計

從式1和2可知，起動機(jī)的輸出軸功率和起動機(jī)進(jìn)口的壓力和溫度相關(guān)。起動機(jī)進(jìn)口的進(jìn)氣壓力越大，渦輪膨脹比越大，起動機(jī)的輸出軸功率越大，起動機(jī)進(jìn)口氣流溫度越高，起動機(jī)的輸出軸功率越大。

由于起動機(jī)僅在起動的第一、第二階段工作，起動機(jī)進(jìn)口壓力主要影響起動機(jī)的帶轉(zhuǎn)能力，起動機(jī)進(jìn)口壓力越高，起動機(jī)能發(fā)出的功越大，帶轉(zhuǎn)能力越強(qiáng)，起動機(jī)脫開時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速越高。由于起動機(jī)進(jìn)口溫度變化范圍較小，本文僅研究壓力變化影響。

本文選取不同起動機(jī)進(jìn)口壓力，并在真實情況下進(jìn)行發(fā)動機(jī)地面起動，主要研究參數(shù)為地面起動時間、起動機(jī)脫開時間和脫開時的排氣溫度。試驗過程中，為了排除其他因素的影響，保持起動供油規(guī)律不變，并盡量保證實驗過程中的環(huán)境壓力和溫度一致。

3.2 試驗結(jié)果分析

選取不同的起動機(jī)供氣壓力進(jìn)行地面起動。由于試驗時氣源所限，選擇4種不同的起動機(jī)供氣壓力進(jìn)行起動。試驗中具體的試驗結(jié)果見表1，3號和4號試驗起動機(jī)進(jìn)口壓力基本一致。起動過程中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化情況見圖2。

從圖中可以較為明顯的區(qū)分起動的3個階段，Ⅰ階段起動機(jī)單獨帶轉(zhuǎn)，4號試驗和5號試驗基本同時點火，說明4號和5號起動機(jī)在前段帶轉(zhuǎn)能力差別不大。1號和2號點燃時間基本一致，1號略快。Ⅱ階段區(qū)分較為明顯，起動過程中起動供油規(guī)律保持一致，5號試驗由于轉(zhuǎn)速上升很快故觸發(fā)起動機(jī)轉(zhuǎn)速脫開條件脫開起動機(jī)，1號、2號、3號和4號觸發(fā)起動時間脫開起動機(jī)。3階段主要靠渦輪做功，斜率基本一致。

可知，起動機(jī)供氣壓力對起動機(jī)脫開轉(zhuǎn)速影響很大。1號、2號試驗起動機(jī)供氣壓力差別不明顯，起動機(jī)脫開時間基本一致；3號、4號試驗起動機(jī)脫開轉(zhuǎn)速較1號、2號有明顯提升，5號試驗達(dá)到轉(zhuǎn)速脫開條件，可見起動機(jī)供氣壓力提高后起動機(jī)發(fā)出更大的功，提高了脫開轉(zhuǎn)速，降低了起動時間（表1）。

由于起動過程中起動供油規(guī)律保持一致，從表1的統(tǒng)計可以看出，排氣溫度最大值隨著起動機(jī)進(jìn)口壓力的增大有下降的趨勢，可見，當(dāng)起動機(jī)進(jìn)口壓力提高后，發(fā)動機(jī)的起動時間縮短，排氣溫度最高值減小。

4 結(jié)論

從試驗中我們可以得到以下結(jié)論：

a）空氣渦輪起動機(jī)進(jìn)口壓力對起動機(jī)輸出軸功率有較大影響，當(dāng)起動機(jī)進(jìn)口壓力提高后，起動機(jī)帶轉(zhuǎn)能力增加，發(fā)動機(jī)的起動脫開轉(zhuǎn)速提高；

b）當(dāng)起動機(jī)進(jìn)口壓力提高后，排氣溫度最高值減小，起動時間縮短。

參考文獻(xiàn)

[1] 廉筱純，吳虎.航空發(fā)動機(jī)原理.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2005.6.