某型發(fā)動(dòng)機(jī)高原起動(dòng)失敗問(wèn)題分析

朱明勇 唐平一 彭文輝 張光宇 鄒黎

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002）

航空燃?xì)鉁u輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的過(guò)程，它涉及工程熱力學(xué)、氣體動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)和控制技術(shù)在內(nèi)的多門學(xué)科[1]。不同的大氣條件、控制規(guī)律等均會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能，如何保證發(fā)動(dòng)機(jī)在使用包線范圍內(nèi)快速、可靠地起動(dòng)是人們一直以來(lái)廣泛關(guān)注的課題[2-4]。

某型發(fā)動(dòng)機(jī)是軸向進(jìn)氣、單轉(zhuǎn)子燃?xì)獍l(fā)生器、環(huán)形回流燃燒室燃燒室、自由渦輪式渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，采用全權(quán)限數(shù)字式電子控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱數(shù)控系統(tǒng)），以雙發(fā)型式配裝某直升機(jī)。在某次高原試飛過(guò)程中，在4600m高原出現(xiàn)起動(dòng)失敗現(xiàn)象。圖1為某次高原起動(dòng)歷程曲線，圖中ng、np、T45、nr分別表示燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速、動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速、燃?xì)鉁u輪出口溫度、旋翼轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、起動(dòng)發(fā)電機(jī)帶轉(zhuǎn)正常，當(dāng)ng達(dá)到75%時(shí)，np小于20%，數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)停車，起動(dòng)失敗。

圖1 某次高原起動(dòng)失敗歷程曲線

1.起動(dòng)控制規(guī)律簡(jiǎn)介

在起動(dòng)控制規(guī)律的發(fā)展早期，廣泛使用機(jī)械液壓式的燃調(diào)系統(tǒng)，起動(dòng)過(guò)程主要采取在給定燃油流量的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)單的修正方法，比如根據(jù)大氣溫度調(diào)整修正螺釘。隨著數(shù)控系統(tǒng)的使用，使得燃油給定更為靈活，出現(xiàn)了給定轉(zhuǎn)速率閉環(huán)計(jì)算燃油流量的方法[5-6]。某型發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)控制規(guī)律包括以下3個(gè)階段：ng轉(zhuǎn)速開環(huán)階段，ng加速度閉環(huán)階段，慢車工作階段。

ng轉(zhuǎn)速開環(huán)階段:達(dá)到開始供油轉(zhuǎn)速后，發(fā)動(dòng)機(jī)按給定的供油規(guī)律開始供油，該階段按固定初始供油量進(jìn)行供油，并根據(jù)大氣條件對(duì)供油量進(jìn)行修正。

ng加速度閉環(huán)階段：根據(jù)給定的ng加速度，數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算燃油流量需求值，發(fā)動(dòng)機(jī)加速至慢車狀態(tài)。

慢車工作狀態(tài)：ng加速度閉環(huán)階段結(jié)束后，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)慢車目標(biāo)值，自動(dòng)調(diào)節(jié)燃油流量，加速至地面慢車狀態(tài)。

起動(dòng)過(guò)程中，由于外界環(huán)境極度惡化或發(fā)動(dòng)機(jī)本身故障可能導(dǎo)致起動(dòng)溫度偏高，或起動(dòng)轉(zhuǎn)速上升較慢甚至懸掛，為保障發(fā)動(dòng)機(jī)的安全，需根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)變化對(duì)起動(dòng)使用過(guò)程進(jìn)行限制或保護(hù)，其主要的的參數(shù)限制集中在以下幾個(gè)方面：

（1）燃?xì)鉁囟认拗婆c保護(hù)。為了盡快起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，需要保持較高的渦輪前溫度，一般來(lái)說(shuō)，渦輪前溫度越高起動(dòng)越快，但是由于材料的限制，航空發(fā)動(dòng)機(jī)必須對(duì)燃?xì)鉁囟冗M(jìn)行限制，否則將使損壞發(fā)動(dòng)機(jī)。而由于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的實(shí)時(shí)性和復(fù)雜性，很容易出現(xiàn)起動(dòng)超溫現(xiàn)象，如果沒有超溫保護(hù)，燃?xì)鉁囟葘⒃跇O短的時(shí)間內(nèi)上升到發(fā)動(dòng)機(jī)材料的熔點(diǎn)溫度。

（2）轉(zhuǎn)速限制。目前渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)中，一般將發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子和動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速在2階臨界轉(zhuǎn)速和和3階臨界轉(zhuǎn)速之間，以保證較大的轉(zhuǎn)速裕度。因此渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程會(huì)需要跨越1階臨界轉(zhuǎn)速和和2階臨界轉(zhuǎn)速，如果起動(dòng)緩慢或起動(dòng)懸掛，有可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在臨界轉(zhuǎn)速上工作，振動(dòng)增大而損壞發(fā)動(dòng)機(jī)，因此需對(duì)起動(dòng)時(shí)間和地面慢車轉(zhuǎn)速進(jìn)行合適的定義和限制，避免出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在臨界轉(zhuǎn)速附近范圍維持時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

根據(jù)內(nèi)涵與外延反變關(guān)系的簡(jiǎn)單原理，詞項(xiàng)的內(nèi)涵越簡(jiǎn)單，外延越大；反之，外延越小。結(jié)果責(zé)任不僅是侵權(quán)責(zé)任的最簡(jiǎn)構(gòu)成，也決定了它的最大邊界。過(guò)錯(cuò)責(zé)任與無(wú)過(guò)錯(cuò)責(zé)任均是在結(jié)果責(zé)任基礎(chǔ)上增加構(gòu)成要素或條件，二者的責(zé)任范圍均要小于結(jié)果責(zé)任。所謂“侵權(quán)責(zé)任的擴(kuò)張”實(shí)際上僅指侵權(quán)法自近代以來(lái)以“過(guò)錯(cuò)責(zé)任”為基準(zhǔn)因應(yīng)社會(huì)關(guān)系的深廣發(fā)展而進(jìn)行的必要延伸。但就責(zé)任的構(gòu)成及其邏輯外延來(lái)說(shuō)，近現(xiàn)代法中的侵權(quán)責(zé)任相對(duì)于結(jié)果責(zé)任仍然是限縮的狀態(tài)。并且，無(wú)論侵權(quán)責(zé)任如何“擴(kuò)張”，結(jié)果責(zé)任作為侵權(quán)責(zé)任的最簡(jiǎn)構(gòu)成已限定了它的最大邊界。

為保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)，防止起動(dòng)過(guò)程中超溫、轉(zhuǎn)速懸掛等對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成損傷，某型發(fā)動(dòng)機(jī)主要設(shè)置了起動(dòng)超溫保護(hù)、燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速懸掛保護(hù)、動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速超時(shí)未出現(xiàn)保護(hù)等。觸發(fā)保護(hù)條件后，數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)停車。

某型發(fā)動(dòng)機(jī)使用維護(hù)手冊(cè)規(guī)定：發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速達(dá)到75%時(shí)，動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速仍小于20%，數(shù)控系統(tǒng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)停車。

2.問(wèn)題原因分析

經(jīng)數(shù)據(jù)分析，確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)高原起動(dòng)失敗的原因?yàn)閚p轉(zhuǎn)速在規(guī)定時(shí)刻未達(dá)到20%，數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)保護(hù)停車。發(fā)動(dòng)機(jī)高原起動(dòng)保護(hù)可能有以下4個(gè)方面原因：動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子卡滯、np測(cè)量故障（包括np傳感器故障和裝機(jī)電纜接觸不良）、旋翼負(fù)載增大、渦輪剩余功率不足。具體分析如下：

（1）動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子卡滯。起動(dòng)失敗后，現(xiàn)場(chǎng)盤車檢查動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子靈活性，未見異常。分析發(fā)參數(shù)據(jù)，停車時(shí)np轉(zhuǎn)速由70%降至20%的時(shí)間均為18s，停車np余轉(zhuǎn)時(shí)間未見異常，因此動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子卡滯可排除。

（2）裝機(jī)電纜接觸不良引起np信號(hào)故障。測(cè)試線路插頭及導(dǎo)通性，未見異常，后續(xù)起動(dòng)均成功，裝機(jī)電纜接觸不良引起np信號(hào)故障可排除。

（3）np傳感器故障。測(cè)量2只np傳感器電阻，均在正常范圍，而且后續(xù)多次飛行任務(wù)，np轉(zhuǎn)速及扭矩采集均正常，np傳感器故障可排除。

（5）渦輪剩余功率不足。分析飛參和發(fā)參數(shù)據(jù)，發(fā)動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)時(shí)，ng至66%時(shí)np為17%，此時(shí)旋翼轉(zhuǎn)速nr約為17%。A架機(jī)左發(fā)起動(dòng)失敗過(guò)程中，電機(jī)帶轉(zhuǎn)能力、ng和T45上升時(shí)間均在正常范圍，而ng至66%時(shí)，nr為9%，推測(cè)np約為9%（不能采集到），np轉(zhuǎn)速上升偏慢。B架機(jī)右發(fā)起動(dòng)失敗過(guò)程中，電機(jī)帶轉(zhuǎn)能力、ng和T45上升時(shí)間均在正常范圍，而ng至66%時(shí)，nr為10%，推測(cè)np約為10%（不能采集到），nr旋翼上升偏慢。經(jīng)查發(fā)動(dòng)機(jī)在4600m高原熱機(jī)成功起動(dòng)數(shù)據(jù)，ng至75%時(shí)，np約為22%；查發(fā)動(dòng)機(jī)在3000m高度熱機(jī)起動(dòng)數(shù)據(jù)，ng至75%時(shí)，np約為29%。

文獻(xiàn)[7]對(duì)氣壓高度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的影響進(jìn)行了研究。通過(guò)模擬計(jì)算，在3000m高度條件下，電機(jī)脫開后，渦輪有較大的剩余功率（相當(dāng)于126%電機(jī)額定功率）用于帶轉(zhuǎn)壓氣機(jī)及附件。在4000m高度條件下，電機(jī)脫開后，渦輪剩余功率較?。ㄏ喈?dāng)于12%電機(jī)額定功率）。由于可用于加速燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子的剩余功率減少，因此在高空起動(dòng)過(guò)程的第2階段和第3階段，ng上升速率隨著高度的上升而減小。

綜上所述，渦輪剩余功率不足不能排除。

（6）問(wèn)題原因分析小結(jié)。根據(jù)以上分析，動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子卡滯、np測(cè)量故障、旋翼負(fù)載增大可以排除，問(wèn)題原因定位為渦輪剩余功率不足。

3.改進(jìn)措施及驗(yàn)證

為解決高原起動(dòng)失敗問(wèn)題，綜合考慮外場(chǎng)使用需求和改進(jìn)貫改周期，分別提出外場(chǎng)臨時(shí)措施和優(yōu)化改進(jìn)方案。

某型發(fā)動(dòng)機(jī)以雙發(fā)型式配裝直升機(jī)，其中后起發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪處于空載狀態(tài)，np轉(zhuǎn)速出現(xiàn)和上升較快，在高原試飛中未出現(xiàn)np超時(shí)保護(hù)停車現(xiàn)象。因此，提出外場(chǎng)臨時(shí)使用措施如下：當(dāng)一發(fā)起動(dòng)過(guò)程np轉(zhuǎn)速在規(guī)定時(shí)刻未達(dá)到20%保護(hù)停車，先起動(dòng)另一發(fā)至地面慢車狀態(tài)，再起動(dòng)本發(fā)。通過(guò)該措施，保障了發(fā)動(dòng)機(jī)的正常起動(dòng)和運(yùn)行及試飛任務(wù)的順利完成。

由于高原條件下大氣稀薄，發(fā)動(dòng)機(jī)做功能力降低，且起動(dòng)過(guò)程中燃?xì)鉁囟纫呀咏拗浦担ㄟ^(guò)增加起動(dòng)供油量提高發(fā)動(dòng)機(jī)做功能力存在較大風(fēng)險(xiǎn)。因此，選擇對(duì)高原條件下發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)起動(dòng)保護(hù)邏輯進(jìn)行優(yōu)化的改進(jìn)方案，即增加高原條件下np等待時(shí)間，具體如下：

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，在海拔2000m及以下高度，當(dāng)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速首次達(dá)到或超過(guò)75%時(shí)，若動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速小于20%，數(shù)控系統(tǒng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)停車。在海拔2000m以上高度，當(dāng)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速首次達(dá)到或超過(guò)75%時(shí)以后5s時(shí)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速小于20%，數(shù)控系統(tǒng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)停車。

起動(dòng)保護(hù)邏輯改進(jìn)后，發(fā)動(dòng)機(jī)在外場(chǎng)使用未出現(xiàn)該問(wèn)題。驗(yàn)證結(jié)果表明，起動(dòng)控制規(guī)律優(yōu)化措施有效。

4.結(jié)論

針對(duì)某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)高原起動(dòng)失敗問(wèn)題，通過(guò)故障分析的方法，并結(jié)合試驗(yàn)情況進(jìn)行分析排查，得出該問(wèn)題原因是動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速上升緩慢，高原條件下渦輪剩余功率不足。主要結(jié)論如下：

（1）某型發(fā)動(dòng)機(jī)高原起動(dòng)失敗的原因?yàn)閯?dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速上升緩慢，當(dāng)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速達(dá)到75%時(shí)，動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速仍小于20%，數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)停車。

（2）由于高原空氣稀薄，發(fā)動(dòng)機(jī)做功能力降低，綜合考慮改進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)和周期，通過(guò)優(yōu)化數(shù)控系統(tǒng)起動(dòng)保護(hù)邏輯的改進(jìn)措施，解決了該類型高原起動(dòng)失敗問(wèn)題，經(jīng)驗(yàn)證措施有效。

（3）該問(wèn)題發(fā)生在起動(dòng)包線邊界、部分發(fā)動(dòng)機(jī)的少量熱機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，在設(shè)計(jì)控制規(guī)律保護(hù)邏輯時(shí)應(yīng)充分考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的分散性，保留一定的設(shè)計(jì)裕度。

（4）該問(wèn)題的發(fā)生及解決思路，可為其他新研或改型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制規(guī)律設(shè)計(jì)提供參考。