渦軸發(fā)動機空中交叉起動方案設(shè)計及試驗驗證

楊 柳，劉 雨，黃陳生

（中國飛行試驗研究院發(fā)動機所，陜西?西安?710089）

由于各種原因造成空中停車后，可靠的空中起動性能是安全飛行和保持戰(zhàn)斗力的基礎(chǔ)[1]。發(fā)動機起動是將燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子從靜止狀態(tài)加速到慢車狀態(tài)，這是一個復(fù)雜的動態(tài)過程。對發(fā)動機起動過程的基本要求是：起動迅速、不熄火、不超溫、不出現(xiàn)喘振等[2]。

空中交叉引氣起動是對雙發(fā)或多發(fā)飛機在一臺發(fā)動機工作的情況下，交叉引氣到起動機供氣閥，由工作發(fā)動機起動待起動發(fā)動機的過程，在多型民機及直升機上應(yīng)用廣泛。動力系統(tǒng)的交叉起動可以降低空中單發(fā)停車及APU故障時發(fā)動機空啟的風(fēng)險。此外，若在地面使用交叉起動，可提高直升機平臺的機動出動能力。

1??發(fā)動機起動系統(tǒng)介紹

某型渦軸發(fā)動機是我國自主研制的全數(shù)控控制且不帶機械液壓備份的渦軸發(fā)動機，采用雙通道全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)對發(fā)動機的起動、加減速、穩(wěn)態(tài)運行、停車過程實施全面自動控制并對重要參數(shù)實施限制和保護。該型發(fā)動機的起動過程完全由數(shù)控系統(tǒng)控制，將發(fā)動機控制開關(guān)撥至“飛行”位，通過數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)定的自動起動程序?qū)崿F(xiàn)起動。發(fā)動機采用空氣渦輪起動機起動，由起動機、陪試發(fā)動機提供氣源，接通點火裝置電源。當燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速達到設(shè)定值時開始按照數(shù)控系統(tǒng)所設(shè)定的起動供油規(guī)律進行供油，當轉(zhuǎn)速達到一定值時斷開起動機，將發(fā)動機自動帶到慢車狀態(tài)。安全起動過程中轉(zhuǎn)速的上升分為3個階段：第一階段：轉(zhuǎn)速較低時開環(huán)供油；第二階段：按照轉(zhuǎn)速變化率供油；第三階段：數(shù)控系統(tǒng)進入動力渦輪轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

2??發(fā)動機交叉起動原理

某型發(fā)動機由空氣起動機起動，氣源可以來自輔助動力裝置或另一臺發(fā)動機，如圖1所示。從圖1可以看出，APU氣源起動時，APU引氣先通過E處起動控制閥，再通過C1/C2處的起動控制閥帶轉(zhuǎn)空氣渦輪起動機，完成起動過程；雙發(fā)引氣由不同的引氣控制閥控制，需要交叉起動時，主起動的引氣控制閥打開，先通過D1/D2處的起動控制閥，再通過C2/C1處的起動控制閥，進而帶轉(zhuǎn)空氣渦輪起動機，最終帶轉(zhuǎn)待起動發(fā)動機，完成整個交叉起動過程。

圖1 交叉啟動引氣管路圖

3??風(fēng)險分析

進行交叉起動時，要了解被引氣發(fā)動機（工作發(fā)動機）的轉(zhuǎn)速限制，在試驗過程中除了密切注意待起動發(fā)動機的參數(shù)變化外，還要注意觀察被引氣發(fā)動機的參數(shù)是否穩(wěn)定，是否受到引氣的影響。具體分析如下：

（1）空中在關(guān)閉待起動發(fā)動機的條件下，陪試發(fā)動機單發(fā)為直升機提供動力，若被引氣發(fā)動機出現(xiàn)超溫、超轉(zhuǎn)等故障，影響起動成功率，有可能導(dǎo)致雙發(fā)停車。

（2）在打開APU的情況下，由于某型直升機環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計原因，90%轉(zhuǎn)速下的發(fā)動機被引氣壓力小于APU引氣壓力，此時必須增大發(fā)動機狀態(tài)。因此，若引氣發(fā)動機狀態(tài)偏低，則引氣壓力低，影響起動成功率；若引氣發(fā)動機狀態(tài)偏高，則被引氣發(fā)動機在引氣過程中性能衰減嚴重，有超溫、超轉(zhuǎn)風(fēng)險。

4??風(fēng)險處置預(yù)案及驗證

空中交叉起動時風(fēng)險大、操縱程序的掌握難度大。通過分析空中交叉起動潛在的風(fēng)險，制定了風(fēng)險處置方案。

（1）執(zhí)行空中交叉起動之前，先進行地面起動驗證試驗，使飛行員熟悉交叉起動操縱程序、被引氣發(fā)動機性能參數(shù)變化規(guī)律及驗證交叉起動時發(fā)動機控制邏輯。同時，可以初步驗證整個試驗過程中發(fā)動機各系統(tǒng)工作情況，圖2為地面交叉起動（右啟左）試驗曲線。

圖2 地面交叉啟動試驗曲線

（2）在空中起動科目實施之前，進行模擬單發(fā)停車科目、模擬自轉(zhuǎn)下滑和模擬單發(fā)滑跑著陸的訓(xùn)練，確?？諉⒉怀晒r能安全返航和著陸。

（3）在空中交叉起動前，采用APU氣源進行待起動發(fā)動機空中起動試驗驗證，確保被起動發(fā)動機在交叉引氣起動高度100%的起動成功率，以化解交叉起動的風(fēng)險。

（4）在交叉引氣起動高度，打開被引氣發(fā)動機防冰（發(fā)動機防冰引氣量稍大于起動發(fā)動機時的引氣量）開關(guān)，發(fā)動機引氣對發(fā)動機功率的影響如表1所示。

表1 發(fā)動機引氣對發(fā)動機功率影響

檢查并分析被引氣發(fā)動機在防冰引氣條件下的性能高度特性，確保在交叉引氣起動時不因為引氣使得發(fā)動機超溫、超轉(zhuǎn)，同時也使飛行員熟悉引氣狀態(tài)下的發(fā)動機參數(shù)變化規(guī)律。

從圖3可以看出，直升機在平飛階段時總距桿角度（Wf）、發(fā)動機扭矩值（M）基本保持不變，開啟防冰引氣后（Saeh），發(fā)動機排氣溫度（T45）、燃氣渦輪轉(zhuǎn)速（Ng）均有所升高，但均未超過門限值。被引氣發(fā)動機在防冰引氣條件下的參數(shù)變化正常，理論上說明在交叉引氣起動時不會因為引氣使得發(fā)動機超溫、超轉(zhuǎn)帶來風(fēng)險。

圖3 平飛單發(fā)狀態(tài)防冰引氣開啟對發(fā)動機狀態(tài)的影響

5??試驗結(jié)果

試驗中成功完成了HP=1000m、2000m、3000m的空中交叉起動試驗，圖4為HP=3000m采用交叉氣源空中起動曲線。從圖4中可以看出，發(fā)動機在整個起動過程中，各系統(tǒng)工作正常，未出現(xiàn)超溫、超轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，通過試驗準備過程中的各種驗證試驗，較為充分地化解了交叉起動試驗的風(fēng)險。

圖4 Hp=3000m發(fā)動機空中交叉啟動試驗曲線

6??結(jié)論

（1）某型渦軸發(fā)動機空中交叉起動的難點在于，如果起動高度估算不準，會導(dǎo)致被引氣發(fā)動機超溫、超轉(zhuǎn)等故障，影響起動成功率，有可能會導(dǎo)致雙發(fā)停車。

（2）先進行地面起動試驗，驗證交叉起動功能，再在空中進行模擬交叉引氣工況下的起動試驗，對雙發(fā)的試驗數(shù)據(jù)詳細分析后，最后執(zhí)行空中交叉起動試驗，試驗證明這種方法能有效化解風(fēng)險。

（3）試驗方案充分考慮到試驗可能存在的風(fēng)險點，并逐一分析，根據(jù)交叉氣源起動的特點，逐步開展試驗，對之后的類似引氣起動試驗提供了參考和試飛方案的借鑒。