航空發(fā)動(dòng)機(jī)高原啟動(dòng)性能優(yōu)化措施

張 網(wǎng)

（陜西直升機(jī)股份有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

該文總結(jié)了啟動(dòng)過(guò)程的原理，建立了啟動(dòng)數(shù)學(xué)模型，將發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程分為3 個(gè)階段，并總結(jié)了影響點(diǎn)火成功的因素。該文以某一型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)為例，研究了“三高度”模式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的影響，提出了“三高度”模式的試驗(yàn)方法和注意事項(xiàng)。并且研究了“三高”模式的供油規(guī)律以及海上推力的變化，分析CFM56-7 型民用發(fā)動(dòng)機(jī)冬季冷啟動(dòng)對(duì)冬季高地性能的影響，賀利明和李軍發(fā)現(xiàn)：由于空氣溫度、壓力、啟動(dòng)功率、壓縮機(jī)匹配對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、燃燒室、渦輪及其他部件啟動(dòng)的影響，在高原低壓、低氧、多變溫度和風(fēng)向等特殊氣候條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)容易出現(xiàn)點(diǎn)火故障、溫度過(guò)高、懸掛不穩(wěn)、失速啟動(dòng)失敗的情況，飛機(jī)在高原地區(qū)的使用受到一定程度的限制。

1 某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)地面啟動(dòng)原理

渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的小繞線啟動(dòng)過(guò)程（在啟動(dòng)前由燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)）稱為啟動(dòng)過(guò)程。當(dāng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)在地面上啟動(dòng)時(shí)，由于缺少空氣吸入，必須依靠外部電源才能啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。此時(shí)如果向燃燒室噴油，發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)燃燒，轉(zhuǎn)子就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)燃燒室的流量達(dá)到一定的速度時(shí)，只需要穩(wěn)定燃燒所需要的壓力和溫度。在電、油系統(tǒng)的啟動(dòng)控制邏輯下，地面啟動(dòng)過(guò)程由靜止?fàn)顟B(tài)過(guò)渡到怠速狀態(tài)。

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行地面啟動(dòng)，可以將其劃分為3 個(gè)階段：從靜止到主燃燒室初始點(diǎn)火狀態(tài)為NC段扭矩（N·m）、主燃燒室初始點(diǎn)火狀態(tài)到啟動(dòng)機(jī)分離為NC+NT段扭矩（N·m）、啟動(dòng)機(jī)分離到減速為NT段扭矩（N·m）。如圖1 所示（x軸為轉(zhuǎn)速，r/min。y軸為扭矩，N·m）。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程

在某一時(shí)刻，主燃燒室沒(méi)有火，并且發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與啟動(dòng)器的功率成正比。啟動(dòng)器的啟動(dòng)速度主要取決于功率。成功啟動(dòng)的關(guān)鍵是選擇著火速度和啟動(dòng)機(jī)的輸出功率。點(diǎn)火速度的選擇對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)有很大影響，供油速度低，油耗提前，轉(zhuǎn)速低，耗氣量小，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間就會(huì)延長(zhǎng)；供油速度高，主燃燒室油耗高，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱和喘振；啟動(dòng)裝置的輸出扭矩必須滿足發(fā)動(dòng)機(jī)及其機(jī)組的阻力力矩要求，發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到點(diǎn)火速度，在充分分配啟動(dòng)器輸出扭矩的情況下，可以縮短達(dá)到點(diǎn)火速所需的時(shí)間以及啟動(dòng)時(shí)間。第二階段，在主燃燒室點(diǎn)火成功后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速通過(guò)啟動(dòng)機(jī)功率和渦輪功率增加，主要取決于啟動(dòng)機(jī)功率和渦輪剩余功率。分離器的設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)速的選擇要符合燃燒室供油的基本規(guī)律，是影響二次啟動(dòng)成功的關(guān)鍵因素。啟動(dòng)時(shí)燃油供應(yīng)規(guī)則的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮所有對(duì)啟動(dòng)時(shí)間的要求、壓縮機(jī)的性能、極限啟動(dòng)界限（失速/喘振界限）、最低啟動(dòng)界限（懸掛界限）和飛機(jī)機(jī)組負(fù)荷。啟動(dòng)線路和壓縮機(jī)界限見(jiàn)圖2（左圖x軸為工作線時(shí)長(zhǎng)，min，y軸為渦輪剩余功率，kW；o點(diǎn)為發(fā)動(dòng)機(jī)起始點(diǎn)，n1為第一階段；n2為第二階段；n3為第三階段，右圖x軸為點(diǎn)火后時(shí)長(zhǎng)，min；y軸為起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)轉(zhuǎn)速，r/min）。

圖2 啟動(dòng)過(guò)程壓氣機(jī)工作線及邊界限制條件

在第三階段，啟動(dòng)器停止工作，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加速。轉(zhuǎn)速的增加主要依賴于殘余功率。該階段主燃燒室的供油規(guī)律是啟動(dòng)成功的關(guān)鍵因素，其設(shè)計(jì)原則與第二階段相同[1]。

2 高原啟動(dòng)影響理論分析

由于高海拔特殊的氣候環(huán)境，如低氣壓、低空氣密度、低氧含量以及較大的晝夜溫差等，給航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高原啟動(dòng)帶來(lái)不利影響。對(duì)航空燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)器而言，高原環(huán)境下，由于氣壓和空氣密度的降低，在轉(zhuǎn)速限制的情況下，啟動(dòng)器輸出功率較小。因此，在啟動(dòng)前（第一級(jí)和第二級(jí)），啟動(dòng)器的承載能力就會(huì)降低，相應(yīng)地達(dá)到第一級(jí)和第二級(jí)，轉(zhuǎn)速就會(huì)降低，或者啟動(dòng)時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)。根據(jù)高原試驗(yàn)結(jié)果，最大懸掛速度為3min～5min，頻率較高。因此，為了實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與氣體的最佳相容性，高原地區(qū)供油規(guī)律和順序需要調(diào)整。此外，由于進(jìn)氣密度的降低，在同一流量下進(jìn)氣量的相對(duì)減少，以及殘余空氣系數(shù)的降低，在相同的進(jìn)氣溫度下，如果按照平原地區(qū)供給規(guī)則進(jìn)入燃油，油氣量會(huì)更高，出現(xiàn)富油燃燒的情況，導(dǎo)致排氣溫度升高，點(diǎn)火失敗。

發(fā)動(dòng)機(jī)需要根據(jù)飛行器的需要，為飛機(jī)的日常使用提供所需的功率。高空作業(yè)開(kāi)始后，引擎本身的多余功率就會(huì)減少。啟動(dòng)初期循環(huán)，發(fā)動(dòng)機(jī)剩余功率較??；在整個(gè)啟動(dòng)（飛機(jī)機(jī)組）或裝料過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)載導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)偏離正常工作線。提高排氣溫度，暫停啟動(dòng)，延長(zhǎng)啟動(dòng)壽命，導(dǎo)致啟動(dòng)失敗。啟動(dòng)時(shí)為飛機(jī)機(jī)組提供動(dòng)力，飛機(jī)液壓系統(tǒng)的正常工作受到限制，因此，飛機(jī)在起飛期間的能量回收值受到限制[2]。

3 高原啟動(dòng)改進(jìn)措施及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 啟動(dòng)機(jī)功率增高

為解決高原環(huán)境下啟動(dòng)器功耗降低和一、兩級(jí)怠速不足的問(wèn)題，在同等工況下，高原試驗(yàn)時(shí)，啟動(dòng)功率提高1%左右，冷速提高約1.2%，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火速度提高2%，離合器啟動(dòng)速度提高2.5%，排氣溫度降低8%，啟動(dòng)時(shí)間縮短8%。

3.2 延長(zhǎng)點(diǎn)火時(shí)間和啟動(dòng)機(jī)脫開(kāi)時(shí)間

與平原過(guò)程啟動(dòng)相比，高原過(guò)程啟動(dòng)的啟動(dòng)時(shí)間和啟動(dòng)速度都比平原過(guò)程啟動(dòng)的要慢，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在高空啟動(dòng)時(shí)達(dá)到點(diǎn)火速度，啟動(dòng)分離器轉(zhuǎn)速提高，從而優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)控制程序。延長(zhǎng)供油時(shí)間或推遲供油時(shí)間都可以增加點(diǎn)火成功的可能性，使點(diǎn)火后的點(diǎn)火分配更合理，為發(fā)動(dòng)機(jī)的后續(xù)啟動(dòng)創(chuàng)造了條件。在該過(guò)程中，可增加啟動(dòng)機(jī)的分離時(shí)間。根據(jù)啟動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率，在40%轉(zhuǎn)速下，啟動(dòng)器的功率開(kāi)始達(dá)到峰值，同時(shí)，啟動(dòng)器斷開(kāi)，無(wú)法完全發(fā)揮工作能力。因此，根據(jù)初步評(píng)估，建議將啟動(dòng)時(shí)間從70s 提高到90s，高壓旋轉(zhuǎn)速度提高20%。有效地解決了發(fā)動(dòng)機(jī)離合器轉(zhuǎn)速低，離合器性能差的問(wèn)題，使發(fā)動(dòng)機(jī)的剩余加速功率提高了42%～48%。

3.3 飛機(jī)卸料

為了解決啟動(dòng)時(shí)液壓加載引起的載荷增加和啟動(dòng)困難的問(wèn)題，研究人員采用飛機(jī)卸料優(yōu)化的方法，發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化后的輸出功率全部用于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)（飛機(jī)的加載功率可達(dá)20kW），從而減少了發(fā)動(dòng)機(jī)的初始輸出。卸料能提高分離速度，降低排氣溫度；在啟動(dòng)第三階段（啟動(dòng)器關(guān)閉后）的負(fù)載情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有提高，導(dǎo)致停機(jī)；在同樣的情況下，盡管在啟動(dòng)第三階段（啟動(dòng)器斷開(kāi)后）仍然存在停機(jī)現(xiàn)象，但它能夠確保成功啟動(dòng)。為評(píng)價(jià)飛機(jī)裝載對(duì)起飛性能的影響，選取了飛機(jī)在優(yōu)化條件下成功起飛的數(shù)據(jù)和裝載，將起飛時(shí)間減少20%，排氣溫度降低3%，啟動(dòng)機(jī)構(gòu)分離速度提高3%。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)異常啟動(dòng)

發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)有手動(dòng)和自動(dòng)2 種方式，引擎自控系統(tǒng)自動(dòng)控制啟動(dòng)過(guò)程，提供全方位保護(hù)；操作者可選擇引擎啟動(dòng)供油時(shí)間及點(diǎn)火時(shí)間，手動(dòng)啟動(dòng)。因此，控制系統(tǒng)將失去某些保護(hù)功能?？梢栽趩?dòng)和啟動(dòng)模式進(jìn)行異常引導(dǎo)。發(fā)動(dòng)機(jī)常見(jiàn)的啟動(dòng)異常包括點(diǎn)火故障、啟動(dòng)過(guò)熱/過(guò)熱/失速、啟動(dòng)懸掛、啟動(dòng)氣壓低以及未發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇或發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)[3]。

4.1 點(diǎn)火失敗

4.1.1 自動(dòng)啟動(dòng)點(diǎn)火失敗

在地面自動(dòng)啟動(dòng)的情況下，全權(quán)限數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)控制器（FADEC）應(yīng)該在選擇供油后的15s 內(nèi)點(diǎn)燃燃油（冷啟動(dòng)），持續(xù)20s。若FADEC 未發(fā)現(xiàn)燃油點(diǎn)，則向飛行警告計(jì)算機(jī)提供顯示信息，燃油計(jì)量門(mén)和點(diǎn)火電源將自動(dòng)關(guān)閉，然后，在30s 內(nèi)使發(fā)動(dòng)機(jī)處于干燥和冷卻狀態(tài)，以排除發(fā)動(dòng)機(jī)熱段的剩余燃油。再打開(kāi)燃油計(jì)量閥，選擇2 個(gè)點(diǎn)火噴嘴同時(shí)點(diǎn)火，試著再次啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。若發(fā)現(xiàn)燃油未被點(diǎn)燃，在10s 內(nèi)（引擎冷態(tài)運(yùn)行15s）再次中斷燃料供給并點(diǎn)火，再冷態(tài)干態(tài)運(yùn)行30s 后，引擎即停止啟動(dòng)。操作者應(yīng)該將啟動(dòng)手柄設(shè)為“off”，而啟動(dòng)開(kāi)關(guān)設(shè)為“on”。選擇空氣自動(dòng)啟動(dòng)時(shí)，燃油應(yīng)該在FADEC 供給燃料后的30s 內(nèi)被點(diǎn)燃。若FADEC 發(fā)現(xiàn)未點(diǎn)火，則引導(dǎo)將終止。如果試圖重新啟動(dòng)，則不需要等待30s 冷卻或風(fēng)車(chē)速度。

4.1.2 人工啟動(dòng)點(diǎn)火失敗

如果選擇手動(dòng)啟動(dòng)，飛機(jī)在地面上，在選擇供油后15s點(diǎn)火；如果選擇供油后30s 點(diǎn)火，在選擇供油后30s 點(diǎn)火；如果沒(méi)有在規(guī)定時(shí)間內(nèi)點(diǎn)火，控制系統(tǒng)將自動(dòng)停止啟動(dòng)。如在空氣中手動(dòng)啟動(dòng)2 次失敗，可嘗試自動(dòng)啟動(dòng)，并注意使用啟動(dòng)機(jī)的限制。

4.2 啟動(dòng)過(guò)熱，失迷，超溫

啟動(dòng)過(guò)熱是指點(diǎn)火后排氣溫度高于啟動(dòng)溫度；啟動(dòng)失速是指啟動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生異常變化，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度與啟動(dòng)溫度相比，異常升高；加速時(shí)，啟動(dòng)溫度越高，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)排氣溫度越高，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度越高，發(fā)動(dòng)機(jī)越熱。過(guò)熱和失速的主要原因包括程序啟動(dòng)故障、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部損壞或壓氣機(jī)性能下降、供油計(jì)劃異常、變幾何控制系統(tǒng)（可調(diào)節(jié)排氣閥、可調(diào)節(jié)靜葉等）工作不正常、空氣系統(tǒng)故障、啟動(dòng)閥過(guò)早關(guān)閉、啟動(dòng)壓力無(wú)效或不足（當(dāng)?shù)厍蜃詣?dòng)啟動(dòng)時(shí)，增壓閥失效，導(dǎo)致燃燒室油污積聚，啟動(dòng)閥過(guò)早關(guān)閉）以及大氣壓不足。FADEC 按順序執(zhí)行下列步驟：如果再次出現(xiàn)異常情況，燃油供應(yīng)再中斷6s，則進(jìn)一步減少7%（比前一種減少4%）；如果持續(xù)過(guò)熱、失速和過(guò)熱，F(xiàn)ADEC 將自動(dòng)停止啟動(dòng)，并且錯(cuò)誤信息將顯示在駕駛艙內(nèi)。操作者在啟動(dòng)時(shí)，如果發(fā)動(dòng)機(jī)可能或已經(jīng)過(guò)熱，F(xiàn)ADEC 將自動(dòng)停止啟動(dòng)，機(jī)組過(guò)熱等應(yīng)在啟動(dòng)時(shí)，可能或過(guò)熱，滅火，過(guò)熱等情況下停止啟動(dòng)[4]。

4.3 啟動(dòng)太慢或懸掛

啟動(dòng)停頓是指點(diǎn)火成功后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升過(guò)慢，甚至出現(xiàn)長(zhǎng)期低于怠速的現(xiàn)象。啟動(dòng)中止的原因可能是啟動(dòng)時(shí)燃油控制方案不當(dāng)，導(dǎo)致燃燒室過(guò)濃或過(guò)稀。啟動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速緩慢上升，同時(shí)油流和排氣溫度都較低，認(rèn)為出現(xiàn)了稀懸；如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升緩慢，但油流較大，排氣溫度上升過(guò)快，則認(rèn)為是富油懸浮。如果是富油（熱）懸浮，操作者必須停止啟動(dòng)；稀油懸浮可提高啟動(dòng)氣壓和供油點(diǎn)火速度。如果燃料流量在136 kg/h 以下，或者在低速下（地面溫度低于20%，空氣溫度低于15%），引擎就不能成功啟動(dòng)。啟動(dòng)暫停的原因可能有以下幾個(gè)：1）啟動(dòng)氣壓不足，啟動(dòng)閥故障或過(guò)早斷開(kāi) 。2）壓縮機(jī)效率太低或有異物損壞 。3）HMU 增壓閥故障。4）氣流控制系統(tǒng)故障。5）渦輪損壞。

4.4 未檢測(cè)到風(fēng)扇或核心機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)

在啟動(dòng)過(guò)程中未檢測(cè)到風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的情況下，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)核心轉(zhuǎn)速達(dá)到51%左右時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)向駕駛艙發(fā)出警報(bào)。在此期間必須停止啟動(dòng)。開(kāi)啟閥門(mén)后，如果控制系統(tǒng)在2min 內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)到核心機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，它就會(huì)通知機(jī)組終止啟動(dòng)。

5 解決高原啟動(dòng)的措施

由于空氣稀薄，APU（輔助動(dòng)力裝置）在高原機(jī)場(chǎng)提供遠(yuǎn)低于低海拔的啟動(dòng)氣壓。發(fā)動(dòng)機(jī)ECU 無(wú)論在低空或高空啟動(dòng)，都提供特殊的啟動(dòng)保護(hù)方式，ECU 中的啟動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)主要以低空區(qū)域?yàn)榛A(chǔ)。通過(guò)以上分析，認(rèn)為在高原機(jī)場(chǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，由于保護(hù)作用，往往會(huì)被ECU 自動(dòng)終止，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難這一問(wèn)題，該文采取了以下對(duì)策：1）提高氣源壓力，可以提高氣源啟動(dòng)壓力。2）提高氣源啟動(dòng)壓力，使發(fā)動(dòng)機(jī)難以自動(dòng)啟動(dòng)，可以采用手動(dòng)啟動(dòng)?，F(xiàn)在，F(xiàn)ADEC 還沒(méi)有抗失速功能，但是很容易啟動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，機(jī)組必須密切注意發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)情況，在出現(xiàn)異常時(shí)立即停止發(fā)射。3）改變冷啟動(dòng)和點(diǎn)火邏輯的供油方式。該軟件利用排放溫度和總溫度的差異。決定引擎冷卻狀態(tài)的機(jī)油，排氣溫度和總溫度閾值被設(shè)置為30 ℃；在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻狀態(tài)下，所有啟動(dòng)高度的引擎采用相同的冷態(tài)供油方案。當(dāng)高壓高度超過(guò)3048 m 并且開(kāi)始供油時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)核心速度從25%提高到30%，即最高冷卻速度。將點(diǎn)火邏輯改為單噴嘴點(diǎn)火，以確定是否正常。若點(diǎn)火成功（排氣溫度升至42℃以上），雙噴管自動(dòng)點(diǎn)火[5]。

6 結(jié)語(yǔ)

該文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高原啟動(dòng)進(jìn)行了一系列的分析和試驗(yàn)，總結(jié)了提高發(fā)動(dòng)機(jī)高原啟動(dòng)成功率的有效方法。研究結(jié)果表明：1）提高高原啟動(dòng)成功率，應(yīng)采用大功率的啟動(dòng)裝置，提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升速度（啟動(dòng)過(guò)程的第一階段和第二階段）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，啟動(dòng)功率提高約1%，啟動(dòng)功率提高1%左右，冷速提高約1.2%，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火速度提高2%，離合器啟動(dòng)速度提高2.5%，排氣溫度降低8%，啟動(dòng)時(shí)間縮短8%。2）在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，飛機(jī)卸料能有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度和啟動(dòng)時(shí)間，增加發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)功率；采用卸料措施能使發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間減少20%，排氣溫度減少3%。3）增加點(diǎn)火時(shí)間和啟動(dòng)關(guān)閉時(shí)間，可提高發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火成功率，使點(diǎn)火后油、氣的分布更為合理。