某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)載蓄電池臺(tái)架起動(dòng)試驗(yàn)研究

黃新生 向立軍 賀東京 董德偉

摘 要：本文針對(duì)某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)載蓄電池起動(dòng)燃?xì)鉁u輪出口溫度高的問(wèn)題，開(kāi)展了地面臺(tái)架蓄電池起動(dòng)試驗(yàn)研究，對(duì)不同蓄電池的起動(dòng)差異，蓄電池起動(dòng)和臺(tái)架電源起動(dòng)的差異，以及蓄電池對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的影響進(jìn)行了分析，可為同類新研或改型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)載的蓄電池起動(dòng)等提供參考。

關(guān)鍵詞：渦軸發(fā)動(dòng)機(jī);電起動(dòng)機(jī);臺(tái)架;蓄電池;起動(dòng)試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：V235 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）09-0119-03

電起動(dòng)機(jī)控制簡(jiǎn)單且工作穩(wěn)定可靠，廣泛用于起動(dòng)中小型渦軸、渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)。電起動(dòng)機(jī)的能源有機(jī)場(chǎng)電源車、地面電源和機(jī)載蓄電池等，當(dāng)飛機(jī)在野外起飛但無(wú)電源車的條件下，就必須使用機(jī)載蓄電池起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)載蓄電池的重量和尺寸隨電起動(dòng)機(jī)起動(dòng)功率增加對(duì)蓄電池的用電需求的增加而增大，而機(jī)載蓄電池的重量和尺寸受限于飛機(jī)的重量和尺寸要求，故電起動(dòng)機(jī)的起動(dòng)功率會(huì)受到一定限制，進(jìn)而會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)產(chǎn)生一定影響。渦軸、渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)電起動(dòng)機(jī)的能源一般采用臺(tái)架地面電源，裝機(jī)試飛才會(huì)開(kāi)展蓄電池起動(dòng)驗(yàn)證，一旦暴露問(wèn)題可能會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和直升機(jī)的研制周期、費(fèi)用等會(huì)造成一定影響[1]。

某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)采用低壓直流有刷電起動(dòng)機(jī)進(jìn)行起動(dòng)，裝直升機(jī)在地面進(jìn)行機(jī)載蓄電池起動(dòng)時(shí)，暴露了燃?xì)鉁u輪出口溫度高、起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，較采用地面電源起動(dòng)，起動(dòng)過(guò)程燃?xì)鉁u輪出口溫度峰值高200℃左右，起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)10s左右。為研究機(jī)載蓄電池對(duì)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的影響，本文以該渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)為平臺(tái)，開(kāi)展了臺(tái)架蓄電池起動(dòng)試驗(yàn)研究，對(duì)不同蓄電池的起動(dòng)差異，蓄電池起動(dòng)和臺(tái)架電源起動(dòng)的差異，以及蓄電池起動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的影響進(jìn)行了分析，可為同類新研或改型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的裝機(jī)蓄電池起動(dòng)試驗(yàn)等提供參考。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)模擬直升機(jī)環(huán)境進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)、電起動(dòng)機(jī)和蓄電池之間的電纜接線，電纜規(guī)格、長(zhǎng)度、電起動(dòng)機(jī)主回路、勵(lì)磁回路電阻等均與裝機(jī)條件保持一致。在地面和高空條件下，采用不同蓄電池給電起動(dòng)機(jī)供電，進(jìn)行冷運(yùn)轉(zhuǎn)和起動(dòng)試驗(yàn)，同時(shí)在電起動(dòng)機(jī)輸出軸上安裝測(cè)扭器，測(cè)量電起動(dòng)機(jī)輸出軸上的起動(dòng)扭矩[2]。

2 不同蓄電池的帶轉(zhuǎn)能力對(duì)比

地面常溫下，采用冷運(yùn)轉(zhuǎn)（電起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)15s自動(dòng)脫開(kāi)，發(fā)動(dòng)機(jī)不供油和點(diǎn)火）的方法，對(duì)比采用不同蓄電池情況下電起動(dòng)機(jī)的帶轉(zhuǎn)能力。采用的三種蓄電池（組）冷運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，冷運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程的起動(dòng)電流和起動(dòng)扭矩如圖1和圖2所示。其中，蓄電池A與第1章節(jié)該渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)裝直升機(jī)起動(dòng)暴露的Tt4.5燃?xì)鉁囟雀吆推饎?dòng)時(shí)間長(zhǎng)采用的蓄電池一致。

由以上圖表可知：

（1）蓄電池容量增加60%（C和B對(duì)比），重量增加20kg，冷運(yùn)轉(zhuǎn)帶轉(zhuǎn)高0.6%，同樣燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速條件下，在15%轉(zhuǎn)速左右，起動(dòng)電流增加約4.5%，電起動(dòng)機(jī)扭矩增加5%;

（2）蓄電池容量不變（B和A對(duì)比），蓄電池由1組改為2組并聯(lián)，重量增加11kg，冷運(yùn)轉(zhuǎn)帶轉(zhuǎn)高1.8%，同樣燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速條件下，在15%轉(zhuǎn)速左右，起動(dòng)電流增加約22%，電起動(dòng)機(jī)起動(dòng)扭矩增加30%。

冷運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，用來(lái)加速發(fā)動(dòng)機(jī)的加速扭矩為電起動(dòng)機(jī)的起動(dòng)扭矩與發(fā)動(dòng)機(jī)本身阻力矩之差，起動(dòng)扭矩越大，加速扭矩也越大，冷運(yùn)轉(zhuǎn)帶轉(zhuǎn)速就越高。根據(jù)直流電起動(dòng)機(jī)特性，電起動(dòng)機(jī)的輸出扭矩QM可表示為：

QM=CtΦIM-Qf

式中Ct為扭矩常數(shù)，Qf為電起動(dòng)機(jī)自身的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力矩，對(duì)于給定的電起動(dòng)機(jī)，扭矩常數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)阻力矩可看作常數(shù)，Φ是勵(lì)磁磁通量，主要跟勵(lì)磁電流有關(guān)，IM為起動(dòng)電流。因此，對(duì)于給定的電起動(dòng)機(jī)，在勵(lì)磁電流一致的條件下，在進(jìn)入電起動(dòng)機(jī)弱磁控制階段前，電起動(dòng)機(jī)發(fā)出的起動(dòng)扭矩主要跟起動(dòng)電流呈正相關(guān)，即起動(dòng)電流越大，起動(dòng)扭矩越大。而對(duì)于給定的電起動(dòng)機(jī)，在蓄電池端電壓一定的情況下，起動(dòng)電流主要跟電源電阻、線路電阻和電起動(dòng)機(jī)電阻等有關(guān)，電阻越小，電流越大。裝不同蓄電池試驗(yàn)時(shí)，電起動(dòng)機(jī)和線纜均不變，因此，起動(dòng)電流主要跟蓄電池本身內(nèi)阻有關(guān)。

從上述冷運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，增加蓄電池容量和蓄電池由1組改為2組并聯(lián)均可提高起動(dòng)電流、起動(dòng)扭矩和帶轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。但是相比于單一蓄電池容量增加60%，單一蓄電池由1組改為2組并聯(lián)，起動(dòng)電流增加相對(duì)更為明顯，即降低電源本身內(nèi)阻，起動(dòng)電流增加更為明顯，起動(dòng)扭矩增長(zhǎng)相對(duì)較大，起動(dòng)帶轉(zhuǎn)能力更強(qiáng)，且蓄電池由1組改為2組并聯(lián)重量增加相對(duì)較小，即增加的扭矩/重量比更大。

3蓄電池和臺(tái)架電源的差異

由第3章節(jié)分析可知，電起動(dòng)機(jī)發(fā)出的起動(dòng)扭矩大小主要跟起動(dòng)電流和起動(dòng)電源電壓相關(guān)。蓄電池和臺(tái)架電源的差異主要有如下幾個(gè)方面，一是受直升機(jī)電氣系統(tǒng)和蓄電池本身特性限制，蓄電池端電壓一般較電源車、機(jī)場(chǎng)地面電源和臺(tái)架電源可調(diào)的最高電壓相對(duì)低，機(jī)載蓄電池端電壓較機(jī)場(chǎng)地面電源最高電壓低2V左右;二是臺(tái)架電源特性相對(duì)較“硬”，即臺(tái)架電源內(nèi)阻遠(yuǎn)小于蓄電池內(nèi)阻，帶載運(yùn)行時(shí)能基本保持端電壓恒定;三是臺(tái)架電纜長(zhǎng)度、粗細(xì)等與直升機(jī)機(jī)上電纜有差異，線路電阻有差異。

該渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架電源與蓄電池冷運(yùn)轉(zhuǎn)的起動(dòng)電流和起動(dòng)扭矩對(duì)比如圖3和圖4，蓄電池端電壓較臺(tái)架電源電壓約低1V，在燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速15%左右，蓄電池B較臺(tái)架電源起動(dòng)電流和起動(dòng)扭矩低20%左右。

另外，直升機(jī)要求蓄電池有連續(xù)5次的放電能力，包含1次冷運(yùn)轉(zhuǎn)和4次起動(dòng)。隨著放電次數(shù)的增加，蓄電池容量、端電壓也會(huì)隨著降低，從而導(dǎo)致起動(dòng)電流和起動(dòng)扭矩下降，電起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)能力逐步減弱。而相比于臺(tái)架電源，只要保證臺(tái)架電源電壓一致，電起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)能力可基本維持不變。該渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)采用蓄電池B連續(xù)5次放電后，蓄電池電壓約下降0.5V，蓄電池容量約放掉50%，第5次放電較第1次放電，電起動(dòng)機(jī)輸出的起動(dòng)扭矩下降約10%，對(duì)比曲線如圖5所示。

4蓄電池對(duì)起動(dòng)性能的影響分析

根據(jù)第3章節(jié)和第4章節(jié)的分析可知，相對(duì)于臺(tái)架電源起動(dòng)，采用蓄電池起動(dòng)，電起動(dòng)機(jī)的起動(dòng)扭矩會(huì)明顯降低。根據(jù)勻加速理論，燃?xì)獍l(fā)生器加速扭矩與燃?xì)獍l(fā)生器加速率的關(guān)系如下：

式中，?M為加速扭矩，i為電起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速比，J由電起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)的所有轉(zhuǎn)動(dòng)件相對(duì)于電起動(dòng)機(jī)軸的有效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ng為燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速，t為起動(dòng)時(shí)間。對(duì)上式積分則可得到：

因此，采用蓄電池起動(dòng)后，加速扭矩相對(duì)降低，則燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子加速率降低，起動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng);同時(shí)，根據(jù)該發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)控制規(guī)律，在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火且燃?xì)鉁u輪出口溫升大于60℃后，數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子加速率閉環(huán)控制，即根據(jù)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子加速率實(shí)際值和給定值的差值進(jìn)行供油。采用蓄電池起動(dòng)后，轉(zhuǎn)子加速率明顯降低，按照控制邏輯，數(shù)控系統(tǒng)將增加燃油量，從而引起燃?xì)鉁u輪出口溫度峰值升高。

綜上所述，采用蓄電池起動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的影響主要為起動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，燃?xì)鉁u輪出口溫度峰值升高?？紤]到電起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)前，發(fā)動(dòng)機(jī)加速力矩主要由電起動(dòng)機(jī)提供，可降低燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速的加速度給定，適當(dāng)優(yōu)化起動(dòng)控制規(guī)律。以蓄電池C為例完成了驗(yàn)證，起動(dòng)過(guò)程Tt4.5溫度峰值降低40℃左右，而起動(dòng)時(shí)間變化不明顯[3]。

優(yōu)化起動(dòng)控制規(guī)律后，蓄電池A、B、C常溫條件下的起動(dòng)時(shí)間和燃?xì)鉁u輪出口溫度峰值如表2所示。與臺(tái)架電源起動(dòng)相比，蓄電池起動(dòng)時(shí)間明顯增加，燃?xì)鉁u輪出口溫度峰值高;分別采用三種蓄電池起動(dòng)，電起動(dòng)機(jī)起動(dòng)扭矩越大，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間越短，起動(dòng)過(guò)程燃?xì)鉁u輪出口溫度峰值越低。

高空起動(dòng)時(shí)采用蓄電池起動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的影響將更加明顯，這是因?yàn)榕c地面起動(dòng)相比，高空起動(dòng)時(shí)因空氣密度小，發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量減少，電起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)前發(fā)動(dòng)機(jī)本身提供的加速扭矩占的比例相對(duì)偏低，而采用蓄電池起動(dòng)后將降低電起動(dòng)機(jī)提供的加速扭矩，從而發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)更加困難，甚至起動(dòng)失敗。某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)地面起動(dòng)電起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)前時(shí)刻起動(dòng)電起動(dòng)機(jī)輸出功率占發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子加速功率的比例約27%，而到高空3000m時(shí)這一比例升至50%[1]。

為降低采用蓄電池起動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高空起動(dòng)性能的影響，在電起動(dòng)機(jī)允許的情況下，延長(zhǎng)高空帶轉(zhuǎn)時(shí)間，從而提高電起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)時(shí)的燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速，即提高電起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)本身的做功能力。電起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)時(shí)間延長(zhǎng)10s后（電起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)時(shí)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速提高約12%），該渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)采用蓄電池B完成了高空起動(dòng)試驗(yàn)，臺(tái)架電源和蓄電池高空4500m起動(dòng)情況對(duì)比如表3所示，燃?xì)鉁u輪出口溫度峰值基本在該渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)可接受的范圍內(nèi)，起動(dòng)時(shí)間剛好滿足該渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的高空起動(dòng)時(shí)間要求，可以預(yù)見(jiàn)若不延長(zhǎng)電起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)時(shí)間，發(fā)動(dòng)機(jī)高空起動(dòng)時(shí)間將難以滿足要求，甚至起動(dòng)失敗。

5結(jié)論

（1）在同樣的蓄電池端電壓條件下，蓄電池本身內(nèi)阻對(duì)電起動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流和起動(dòng)扭矩影響較大，提高蓄電池容量和蓄電池1組改為兩組并聯(lián)均可提高起動(dòng)電流和起動(dòng)扭矩，但蓄電池由1組改為2組并聯(lián)增加的扭矩/重量比大;

（2）臺(tái)架電源與蓄電池相比，臺(tái)架電源端電壓、起動(dòng)電流和起動(dòng)扭矩明顯較高，且隨著蓄電池放電次數(shù)的增加，電起動(dòng)機(jī)的輸出扭矩明顯下降;

（3）蓄電池對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的影響主要為起動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，燃?xì)鉁u輪出口溫度峰值升高，高空起動(dòng)尤為明顯，可通過(guò)采取延長(zhǎng)電起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)時(shí)間和優(yōu)化起動(dòng)控制規(guī)律等措施降低蓄電池對(duì)起動(dòng)性能的影響;

（4）建議直升機(jī)電氣系統(tǒng)綜合考慮，降低電起動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制回路電阻，如采用較粗的線纜等，提高采用蓄電池起動(dòng)時(shí)電起動(dòng)機(jī)的起動(dòng)能力。

參考文獻(xiàn)

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