渦扇發(fā)動機換裝大功率起動機起動性能分析

邢 洋，郭海紅，王 軍，閻 巍，白永秋

(中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽 110015)

1 引言

渦扇發(fā)動機可靠、快速起動對保證軍用飛機的作戰(zhàn)效能至關(guān)重要，發(fā)動機起動性能的好壞也是衡量發(fā)動機綜合性能的一項關(guān)鍵指標[1-4]。

某渦扇發(fā)動機交付外場后出現(xiàn)了起動問題，主要表現(xiàn)為兩個方面：一是發(fā)動機高原起動相比平原起動調(diào)整頻繁、起動成功率下降，造成外場飛機出動準備時間長，不能滿足部隊作戰(zhàn)和實戰(zhàn)化訓(xùn)練需要。二是存在冷、熱態(tài)起動和冷、熱天起動性能差異大的問題，冷起動時間偏長，減少冷起動時間則易造成熱起動失速。而采用更大功率的起動機，并結(jié)合轉(zhuǎn)速上升率閉環(huán)控制的起動供油規(guī)律,可解決該型發(fā)動機起動供油調(diào)整范圍小和高原起動功率不足的問題，提高發(fā)動機起動能力；同時還可縮短發(fā)動機起動時間，降低起動時發(fā)動機排氣溫度，提高起動成功率，對延長發(fā)動機壽命具有重要意義[5]。

本文采用基于轉(zhuǎn)速上升率閉環(huán)控制的起動供油規(guī)律，利用常規(guī)地面試車臺架，設(shè)計并開展了某渦扇發(fā)動機采用原狀態(tài)起動機(A型起動機)和大功率起動機(B型起動機)的起動性能對比試驗。根據(jù)試驗結(jié)果，探討了發(fā)動機采用大功率起動機的可行性，以及采用大功率起動機后發(fā)動機起動性能的變化。

2 大功率起動機

大功率起動機是在某渦軸發(fā)動機核心機基礎(chǔ)上，利用先進的仿真設(shè)計平臺對核心機進行等比例縮小研制的一型燃氣渦輪起動機，具有起動功率大、體積小、質(zhì)量輕、壽命長、自身起動時間短等特點，主要用于航空發(fā)動機的地面起動、冷運轉(zhuǎn)、假開車、啟封、油封，也可以在動力組件狀態(tài)下工作，提供地面維護時所需能源。其自由渦輪的功率通過減速器傳遞到輸出軸上，再通過彈性傳動軸傳遞到飛機外置附件機匣傳動機構(gòu)，以帶動發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。該起動機最大輸出功率相對原狀態(tài)起動機的提升25%，同時可以原位換裝原狀態(tài)起動機。

3 起動控制規(guī)律設(shè)計

3.1 地面起動供油規(guī)律設(shè)計

航空發(fā)動機地面起動過程通常分為3個階段：第1階段，轉(zhuǎn)速由0到渦輪開始產(chǎn)生功率；第2階段，渦輪開始產(chǎn)生功率到起動機脫開；第3階段，起動機脫開至發(fā)動機達到慢車轉(zhuǎn)速。3個階段分別以點火轉(zhuǎn)速ndh、起動機脫開轉(zhuǎn)速ntk作為分界條件[6]。

該型發(fā)動機原采用較為通用的Wf/p3=f(n)起動供油規(guī)律，但這種供油方式比較依賴油量的控制和計量精度。當發(fā)動機控制系統(tǒng)油量的控制和計量精度不能滿足要求時，可能會導(dǎo)致發(fā)動機起動失敗，適用性相對較差。為此，采用基于轉(zhuǎn)速上升率閉環(huán)控制的地面起動供油規(guī)律[7]，以提升發(fā)動機起動可靠性。起動供油階段，高壓物理轉(zhuǎn)速(nH)低于設(shè)定轉(zhuǎn)速時，起動閉環(huán)不工作，為此主要針對地面起動第2、第3階段進行供油規(guī)律設(shè)計。根據(jù)文獻[7]公式整理可得：

式中：Ndot為轉(zhuǎn)速上升率，MCT為輔助起動動力裝置輸出扭矩，MT為渦輪輸出扭矩，MC為壓氣機扭矩，Mm為阻力矩，J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，ηm為轉(zhuǎn)子機械效率。

轉(zhuǎn)速上升率控制規(guī)律應(yīng)綜合起動時間要求、起動機輸出扭矩、渦輪輸出扭矩、發(fā)動機阻力矩等條件進行設(shè)計，且設(shè)計結(jié)果應(yīng)利用地面和空中起動試驗結(jié)果進行修正。在考慮渦輪前溫度上升量和壓氣機穩(wěn)定裕度限制的基礎(chǔ)上確定燃燒室供油量Wf，由此可得到相應(yīng)轉(zhuǎn)速條件下的轉(zhuǎn)速上升率設(shè)計規(guī)律。在給定轉(zhuǎn)速上升率要求的條件下，適當調(diào)整燃燒室供油量，使發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速上升率與給定轉(zhuǎn)速上升率一致，實現(xiàn)起動供油的閉環(huán)控制。

3.2 設(shè)計規(guī)律的修正方法

發(fā)動機實際使用過程中，轉(zhuǎn)速上升率設(shè)計應(yīng)考慮大氣壓力、溫度等因素，因此需要對標準大氣條件下的轉(zhuǎn)速上升率進行修正。根據(jù)文獻[7]，起動過程實際時間和換算時間的對應(yīng)關(guān)系為：

式中：ths為海平面、標準大氣條件下的起動時間，t為實際起動時間，p1為進氣總壓，T1為進氣總溫。

對于起動過程任一小轉(zhuǎn)速上升量Δn，存在以下關(guān)系：

聯(lián)立式(2)和式(3)得到修正公式：

4 試驗過程

首先采用A型起動機進行起動性能試驗。調(diào)整發(fā)動機起動性能至滿足各項要求，按照表1所列的試驗項目開展起動試驗。之后換裝B型起動機，按照上述過程，重新開展試驗。所有試驗項目均在加載、不引氣條件下進行。

表1 試驗項目Table 1 Starting test items

5 試驗結(jié)果分析

5.1 冷運轉(zhuǎn)對比分析

該型發(fā)動機的冷運轉(zhuǎn)時間為70 s。圖2示出了按下發(fā)動機冷運轉(zhuǎn)按鈕后，起動機起動過程中排氣溫度的變化。圖中試驗數(shù)據(jù)已作歸一化處理，僅給出相對變化關(guān)系，下同?？梢钥闯?，B型起動機起動過程中的排氣溫度上升率和最高排氣溫度均高于A型起動機的。其主要原因是B型起動機起動加速過程供油偏多。另外，B型起動機自身起動成功所需時間長于A型起動機的。

圖2 起動機起動過程中的排氣溫度Fig.2 Exhaust temperature of two starters

采用兩型起動機，發(fā)動機和起動機的冷/熱態(tài)相同時，冷運轉(zhuǎn)過程中不同時間點發(fā)動機的高壓轉(zhuǎn)速見表2。表中，狀態(tài)代表起動機和發(fā)動機的冷、熱態(tài)，如熱態(tài)/冷態(tài)表示起動機為熱態(tài)、發(fā)動機為冷態(tài)，下同。冷運轉(zhuǎn)22 s時，采用A型起動機的發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)速較B型起動機的高0.063～0.069；冷運轉(zhuǎn)70 s時，采用B型起動機的發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)速較A型起動機的高0.091～0.115，約提升14%。

表2 冷運轉(zhuǎn)時不同時間點發(fā)動機的高壓轉(zhuǎn)速Table 2 High pressure speed of engine at different times during cold operation

圖3 冷運轉(zhuǎn)時發(fā)動機的高壓轉(zhuǎn)速Fig.3 High pressure speed of engine during cold operation

圖3給出了冷運轉(zhuǎn)時發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)速的變化情況。在冷運轉(zhuǎn)前25 s，同一時刻，采用A型起動機發(fā)動機的高壓轉(zhuǎn)速較采用B型起動機發(fā)動機的高；在冷運轉(zhuǎn)25 s后，同一時刻，采用B型起動機發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)速比采用A型起動機發(fā)動機的高。

根據(jù)以上分析可知，采用B型起動機，冷運轉(zhuǎn)過程中發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)速提高了約14%[8-11]。

5.2 起動對比分析

5.2.1 起動點火

起動過程中，當發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)速到達點火轉(zhuǎn)速ndh=0.220或起動程序到一時間點tdh=0.311時，發(fā)動機主燃油系統(tǒng)開始向燃燒室供油，發(fā)動機點火(排氣溫度突升)[12-13]。采用兩型起動機起動時，發(fā)動機點火成功時的點火時間和點火轉(zhuǎn)速見表3?？煽闯觯l(fā)動機均在高壓轉(zhuǎn)速達到點火轉(zhuǎn)速時點火成功。采用B型起動機發(fā)動機點火成功時間較采用A型起動機發(fā)動機的長0.026～0.032，主要原因是B型起動機起動時間較長。

表3 發(fā)動機點火時間和點火轉(zhuǎn)速Table 3 Ignition time and speed of engine

5.2.2 起動供油壓差

該型發(fā)動機地面起動過程中采用基于轉(zhuǎn)速上升率閉環(huán)控制的地面起動供油規(guī)律，可按轉(zhuǎn)速上升率閉環(huán)對設(shè)計起動供油量進行修正[14-17]。圖4給出了發(fā)動機采用兩型起動機起動過程中的供油壓差(燃油總管壓力pf與高壓壓氣機出口壓力p31之差)的對比，圖中nHcor為高壓換算轉(zhuǎn)速。由圖可看出，發(fā)動機冷/熱態(tài)相同時，相比采用A型起動機，采用B型起動機的發(fā)動機起動過程實際供油壓差降低(轉(zhuǎn)速0.6～0.8范圍內(nèi)降低約20%)，這表明發(fā)動機實際起動供油量也有所降低。

圖4 發(fā)動機起動過程中的供油壓差Fig.4 Fuel supply pressure difference during engine starting

5.2.3 起動時間和排氣溫度

發(fā)動機起動過程中，當高壓轉(zhuǎn)速到達起動機脫開轉(zhuǎn)速ntk=0.787或起動程序到一時間點ttk=0.700時，起動機脫開。表4給出了發(fā)動機起動過程的最高排氣溫度(T6max)和發(fā)動機起動時間tmc(從起動開始到慢車狀態(tài)的時間)。由表可知，在大氣溫度相同、發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升率一致條件下，起動機熱態(tài)、發(fā)動機冷態(tài)時，采用B型起動機比采用A型起動機起動，起動最高排氣溫度下降9.8%，起動時間縮短5.0%；起動機熱態(tài)、發(fā)動機也為熱態(tài)時，采用B型動機比采用A型起動機起動，起動最高排氣溫度下降10.7%，起動時間縮短2.7%。

表4 發(fā)動機起動時間和最高排氣溫度Table 4 Starting performance data of engine

圖5和圖6分別示出了采用兩型起動機起動過程中高壓轉(zhuǎn)速和排氣溫度的變化。由圖可知，整個起動過程中，相比采用A型起動機，采用B型起動機的發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速上升率有所提高，供油量降低約20%，排氣溫度下降10%。

綜上所述，起動機功率提升25%，冷態(tài)起動時間縮短5.0%，熱態(tài)起動時間縮短2.7%。另外，發(fā)動機起動供油量降低約20%，起動過程中排氣溫度大幅度下降10%。

圖5 起動過程中的高壓轉(zhuǎn)速Fig.5 High pressure speed of engine during engine starting

圖6 起動過程中的排氣溫度Fig.6 Exhaust temperature during engine starting

6 結(jié)論

(1) 發(fā)動機采用轉(zhuǎn)速上升率閉環(huán)控制的地面起動供油規(guī)律后，兩型起動機的起動性能良好，各項起動性能指標均滿足設(shè)計要求。

(2) 采用大功率起動機比采用原狀態(tài)起動機，起動機功率提升25%，發(fā)動機冷運轉(zhuǎn)時高壓轉(zhuǎn)速提高約14%。

(3) 采用大功率起動機比采用原狀態(tài)起動機，冷態(tài)起動時間縮短5.0%，熱態(tài)起動時間縮短2.7%。高壓轉(zhuǎn)速較高時，發(fā)動機起動供油量降低約20%，起動過程中排氣溫度下降10%。