航空發(fā)動機高原起動成功率提高措施

李小彪，馬 征，邱續(xù)茂，谷雪花

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽110015）

0 引言

航空發(fā)動機高原起動試驗是檢驗發(fā)動機性能、考核發(fā)動機工作指標、驗證發(fā)動機使用范圍的重要手段。國軍標《航空燃氣渦輪動力裝置飛行試驗要求》和《航空渦輪噴氣和渦輪風扇發(fā)動機通用規(guī)范》等標準對航空發(fā)動機高原起動試驗的考核提出了具體要求[1-3]。然而，隨著高原地區(qū)海拔高度增加，空氣密度和壓力減小，使得起動時進入發(fā)動機的空氣質(zhì)量流量減少，余氣系數(shù)減小，造成渦輪起動機功率、輸出功率明顯衰減，使發(fā)動機起動困難，經(jīng)常出現(xiàn)起動失速、轉(zhuǎn)速懸掛、超溫等現(xiàn)象，或者起動時間偏長，嚴重影響日常訓練和任務(wù)的完成。

郭昕等[4]根據(jù)GJB241對航空發(fā)動機高、低溫起動及高原起動試驗的要求，分析了高、低溫及高原環(huán)境條件對航空發(fā)動機起動性能的影響機理；李文峰等[5]分析了高原起動存在的主要技術(shù)問題，介紹了小型可移動式地面試車臺試驗設(shè)備，討論了高原起動的試驗方法，研究了起動機和發(fā)動機的參數(shù)調(diào)整規(guī)律以及解決發(fā)動機高原起動的途徑；吳利榮等[6]針對某型發(fā)動機高原起動過程中具有危險性大及變化規(guī)律復雜的特點，提出了一種變記憶長度的小波變換多分辨分析方法。國外在航空發(fā)動機高原起動方面對我國進行嚴格的技術(shù)封鎖。

為了使航空發(fā)動機在高原地區(qū)能安全可靠地起動，進行了某型航空發(fā)動機高原起動技術(shù)理論分析和試驗驗證。

1 發(fā)動機起動原理

發(fā)動機地面起動是指在起動系統(tǒng)控制下，起動機、渦輪按時序輸出功率，克服消耗功率，使轉(zhuǎn)子由靜止狀態(tài)逐步達到慢車狀態(tài)的過程。

發(fā)動機的地面起動通?？煞譃?個階段，如圖1所示[7-8]。在開始的第1階段，起動機輸出功率NQ，克服壓氣機消耗功率，帶動高壓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，到達某一轉(zhuǎn)速或起動到某一時間段，發(fā)動機燃燒室開始噴油、點火。在該階段，完全靠渦輪起動機將高壓轉(zhuǎn)子帶動到點火轉(zhuǎn)速ndh。第2階段是起動機和渦輪共同輸出功率（NQ＋NW）完成的。起動機輸出的功率逐漸減小，發(fā)動機轉(zhuǎn)速由ndh上升至ntk，此時起動機脫開不再輸出功率。在該階段的后半程渦輪輸出功率已大于壓氣機消耗所需功率，但為了保證起動的可靠性及縮短起動時間，起動機將繼續(xù)工作，與渦輪共同將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提升至ntk。第3階段是渦輪單獨帶轉(zhuǎn)到慢車狀態(tài)的階段。從起動機脫開到轉(zhuǎn)子加速到慢車狀態(tài)，完全靠渦輪輸出功率Nw將轉(zhuǎn)子加速到慢車域[9-10]。

由發(fā)動機起動原理可知，起動過程的影響因素實質(zhì)上就是剩余功率提?。▓D1黑實線之間部分）的影響因素。在高原起動時，大氣密度和壓力均減小，發(fā)動機進口流量明顯減少，造成渦輪、起動機輸出功率衰減，導致剩余功率減小，轉(zhuǎn)子的加速度減小，起動時間延長，起動溫度升高[11-13]。

2 發(fā)動機起動性能表征量

發(fā)動機的起動性能主要用起動時間tqd（從按下起動按鈕到高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達到規(guī)定轉(zhuǎn)速所經(jīng)歷的時間）來表征，在規(guī)定范圍內(nèi)tqd越短，起動性能越好。

結(jié)合發(fā)動機的數(shù)學模型，起動時間[14-15]為

式中：J為高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量；Δp為高壓轉(zhuǎn)子剩余功率。

由式（1）可知，增大輸出功率、減小提取功率，即增大高壓轉(zhuǎn)子剩余功率Δp，從而縮短起動時間，有效改善起動性能。

3 發(fā)動機高原起動性能調(diào)整技術(shù)

綜上所述，通過增大輸出功率、減小提取功率即增大起動有效功率有助于發(fā)動機起動。且由于高原空氣密度小，溫差變化大，發(fā)動機空氣流量比平原地區(qū)顯著減少，需要通過優(yōu)化調(diào)整供油釘使發(fā)動機達到最佳油氣比。為此提出3項措施：增大渦輪起動機輸出功率、卸載液壓、優(yōu)化調(diào)整供油量。

3.1 增大渦輪起動機輸出功率

高原空氣壓力低、密度小，導致燃氣渦輪起動機功率減小，帶轉(zhuǎn)發(fā)動機的能力降低。本次采用高原試驗所使用的起動機出廠功率均處于技術(shù)要求范圍的下限，在此狀態(tài)下進行高原起動，導致發(fā)動機起動時間延長，超溫風險加大。

通過起動機調(diào)整釘A可以調(diào)整起動機最大供油量，從而增大起動機功率。通過起動機調(diào)整釘B可以調(diào)整起動機最大限制轉(zhuǎn)速，當A釘不起作用時，可調(diào)整B釘來增大起動機功率。試驗表明：通過提高起動機最大供油量和最高轉(zhuǎn)速，可保證發(fā)動機正常起動。起動機功率調(diào)整前、后發(fā)動機起動曲線如圖2所示。圖中曲線僅表示各參數(shù)的變化趨勢，具體數(shù)值需結(jié)合飛參判讀，發(fā)動機在相對時間7時脫開（圖3～9與此相同）。

圖2 起動機功率調(diào)整前、后發(fā)動機起動曲線

從圖2中可見，起動機功率調(diào)整前，發(fā)動機脫開轉(zhuǎn)速較低，相對起動時間為11；起動機功率調(diào)整后，發(fā)動機脫開轉(zhuǎn)速有所提高，相對起動時間為8。結(jié)合飛參具體數(shù)據(jù)，與調(diào)整前相比，脫開轉(zhuǎn)速提高20%左右，起動時間縮短27%左右。

3.2 卸載液壓

在發(fā)動機起動時，通過接通液壓泵上的卸壓電磁閥門使其供油壓力降低，從而減輕起動過程液壓負載的作用。待發(fā)動機起動成功后斷開液壓泵上卸壓電磁閥門的電源，恢復液壓泵供油壓力，保證飛機液壓控制系統(tǒng)正常使用。采用該方案，可以在不影響液壓系統(tǒng)正常工作的前提下減小起動過程中的提取功率，從而增大剩余功率。液壓卸載前、后起動曲線如圖3所示。

圖3 液壓卸載前、后發(fā)動機起動曲線

圖4 調(diào)整釘a調(diào)整前、后發(fā)動機起動曲線

從圖4中可見，調(diào)整釘a調(diào)整前，起動前段富油，在發(fā)動機起動前段時，發(fā)動機排氣溫度已達到極限值，超溫使起動失?。粚⒄{(diào)整釘a往外擰減油后，起動成功。

圖5 調(diào)整釘b、c調(diào)整前、后發(fā)動機起動曲線

從圖3中可見，在發(fā)動機起動試驗時，液壓卸載前，發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)子脫開后，上升緩慢，在起動后段處轉(zhuǎn)速懸掛不上升，起動失敗；液壓卸載后，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速按規(guī)定持續(xù)升高，起動成功。

3.3 優(yōu)化調(diào)整供油量

高原氣壓低、空氣稀薄，從油氣比合適的角度考慮，應適當減少起動供油。發(fā)動機使用的燃氣渦輪型起動機在高原條件下會有一定的功率減小，帶動發(fā)動機加速能力減弱，使點火轉(zhuǎn)速降低，為此，應減少起動前段油量，避免前段富油，導致溫度升高過快。同時，由于高原氣流量小，起動機脫開后，如果起動供油量調(diào)整不合適，將嚴重影響燃燒室混合氣的余氣系數(shù)和起動時渦輪前燃氣溫度，導致起動時間偏長甚至懸掛。供油量調(diào)整釘a主要影響起動前段供油，往外擰可減小供油量；調(diào)整釘b、c優(yōu)化起動后段供油，可按起動機脫開時刻至慢車時間判斷，如該段時間較長，調(diào)整釘應適當往里擰；反之則適當往外擰，避免起動后段失速。調(diào)整釘a調(diào)整前、后起動曲線如圖4所示；調(diào)整釘b、c調(diào)整前、后起動曲線如圖5所示。

從圖5中可見，在發(fā)動機起動試驗時，調(diào)整釘b、c調(diào)整前，發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)子脫開后，轉(zhuǎn)速升高緩慢，在起動后段處轉(zhuǎn)速懸掛不升高，起動失敗；調(diào)整釘b、c調(diào)整后，增加了后段供油量，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速按規(guī)定持續(xù)升高，起動成功。

4 結(jié)束語

航空發(fā)動機高原起動成功率是檢驗發(fā)動機性能的重要指標，對于保障用戶日常訓練和任務(wù)完成具有重要意義。為保證發(fā)動機在高原地區(qū)的起動成功，拓寬發(fā)動機的使用環(huán)境，本文分析了發(fā)動機起動過程的各個階段，剖析出剩余功率減小是高原起動失敗的主要原因，提出了提高渦輪起動機輸出功率、液壓卸載、優(yōu)化調(diào)整供油量等3項調(diào)整措施。經(jīng)外場起動試驗驗證，發(fā)動機起動成功率提升30%，提升了發(fā)動機的使用疆域。文中論述的改善發(fā)動機高原地面起動性能的方法，對于確保發(fā)動機在高海拔地區(qū)的正常使用具有重要意義。