渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)高原啟動(dòng)熱懸掛分析研究

候博群，汪 濤

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089)

1 引 言

發(fā)動(dòng)機(jī)高原啟動(dòng)試驗(yàn)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)定型的重要考核內(nèi)容，其啟動(dòng)性能反映了發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)高原環(huán)境的適應(yīng)能力[1]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)能夠可靠、快速地啟動(dòng)，并且可以在各種復(fù)雜惡劣的環(huán)境下正常啟動(dòng)[2]。在GJB 243A-2004《航空燃?xì)鉁u輪動(dòng)力裝置飛行試驗(yàn)要求》中，明確規(guī)定航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)包線內(nèi)能夠可靠啟動(dòng)，在啟動(dòng)過(guò)程中不能出現(xiàn)超溫、超轉(zhuǎn)、喘振等異?，F(xiàn)象[3]。

高原條件下，空氣密度低，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣質(zhì)量流量減少，導(dǎo)致燃燒室余氣系數(shù)降低，出現(xiàn)富油。富油會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)點(diǎn)火困難，進(jìn)而提高了渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)出口溫度，容易超溫觸發(fā)超溫保護(hù)系統(tǒng)，導(dǎo)致啟動(dòng)失敗[4-6]。啟動(dòng)過(guò)程的影響因素實(shí)際上是影響剩余功率，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣質(zhì)量流量減少，渦輪剩余功率降低，使得發(fā)動(dòng)機(jī)加速性變差。為使轉(zhuǎn)子迅速加速至慢車(chē)，需要增加啟動(dòng)供油。若啟動(dòng)供油量調(diào)整不當(dāng)，容易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)超溫[7-10]。發(fā)動(dòng)機(jī)在高原條件下熱啟動(dòng)時(shí)，極易發(fā)生喘振以及熱懸掛現(xiàn)象，導(dǎo)致啟動(dòng)失敗[11]。

國(guó)內(nèi)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高原地面啟動(dòng)進(jìn)行了大量的研究工作。敖良忠等通過(guò)在高空臺(tái)模擬不同高度的地面啟動(dòng)試驗(yàn)，初步探索了發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段的供油規(guī)律[12]。李小彪等采取增大啟動(dòng)機(jī)功率、卸載液壓、優(yōu)化調(diào)整供油量等三項(xiàng)措施，將某型發(fā)動(dòng)機(jī)高原啟動(dòng)成功率提高了30%[13]。李文峰等通過(guò)小型可移動(dòng)式地面試車(chē)臺(tái)，研究了啟動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)調(diào)整規(guī)律[14]。吳利榮等建立了發(fā)動(dòng)機(jī)高原啟動(dòng)模型，為發(fā)動(dòng)機(jī)高原啟動(dòng)試驗(yàn)提供了理論參考[15]。李凡玉等采用補(bǔ)氧的方法增加發(fā)動(dòng)機(jī)剩余功率，縮短了啟動(dòng)時(shí)間[16]。苗禾壯等認(rèn)為，減少啟動(dòng)過(guò)程中來(lái)自飛機(jī)等設(shè)備的電負(fù)載和液壓負(fù)載，可以有效地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)成功率[17]。李俊鋼分析了CFM56-7B型發(fā)動(dòng)機(jī)在冬季高原多次發(fā)生冷啟動(dòng)不成功的原因，并給出了排故措施及具體建議[18]。中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院多次進(jìn)行了渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)配裝直升機(jī)的高原地面啟動(dòng)試驗(yàn)，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

本文介紹了某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)高原地面啟動(dòng)的特點(diǎn)，對(duì)地面啟動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的熱懸掛現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)分析，針對(duì)該問(wèn)題提出了具體改進(jìn)建議并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，為發(fā)動(dòng)機(jī)高原啟動(dòng)試驗(yàn)提供參考。

2 某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)特點(diǎn)

某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)地面啟動(dòng)包含3個(gè)階段：

第一階段：?jiǎn)?dòng)機(jī)初始帶轉(zhuǎn)階段，啟動(dòng)電機(jī)帶轉(zhuǎn)燃?xì)鉁u輪開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，該階段點(diǎn)火不噴油。

第二階段：?jiǎn)?dòng)電機(jī)與燃?xì)鉁u輪共同帶轉(zhuǎn)階段，該階段開(kāi)始噴油點(diǎn)火，燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速上升至脫開(kāi)轉(zhuǎn)速后并網(wǎng)，當(dāng)Ng=50%或帶轉(zhuǎn)時(shí)間達(dá)到35s時(shí)脫開(kāi)。

第三階段：燃?xì)鉁u輪單獨(dú)帶轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)至慢車(chē)狀態(tài)，啟動(dòng)電機(jī)脫開(kāi)之后，完全靠燃?xì)鉁u輪剩余功率將發(fā)動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)至慢車(chē)狀態(tài)。

3 高原啟動(dòng)熱懸掛現(xiàn)象分析

某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在西大灘進(jìn)行海拔4630m的高原地面試驗(yàn)，采用蓄電池供電，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)。啟動(dòng)前蓄電池電壓為23.2V，啟動(dòng)過(guò)程中，35s時(shí)啟動(dòng)電機(jī)脫開(kāi)(此時(shí)Ng為33.3%，T45達(dá)到728.7℃)，隨后Ng最大達(dá)到37.3%，T45最大達(dá)到829℃，47.8s時(shí)飛行員手動(dòng)關(guān)停，終止啟動(dòng)過(guò)程。此次高原啟動(dòng)熱懸掛和一次高原成功啟動(dòng)的時(shí)間歷程曲線如圖1所示，圖中，Ng為燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速，T45為燃?xì)鉁u輪出口溫度，GSDHJ為點(diǎn)火繼電器狀態(tài)信號(hào)。出現(xiàn)啟動(dòng)熱懸掛的點(diǎn)火時(shí)間為8.94s，而正常啟動(dòng)時(shí)間僅為3.94s，啟動(dòng)失敗時(shí)出現(xiàn)點(diǎn)火成功時(shí)間延長(zhǎng)的現(xiàn)象。

(a)正常啟動(dòng)過(guò)程的時(shí)間歷程曲線

(b)熱懸掛啟動(dòng)過(guò)程的時(shí)間歷程曲線圖1 兩次高原啟動(dòng)的時(shí)間歷程曲線

高原環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致點(diǎn)火困難的原因有：

(1)高原空氣較為稀薄，對(duì)點(diǎn)火不利；

(2)高原環(huán)境溫度低，燃油黏度較大，對(duì)燃油的霧化不利；

(3)低轉(zhuǎn)速固定供油量較大，容易出現(xiàn)富油現(xiàn)象，對(duì)點(diǎn)火不利[19]。

點(diǎn)火成功時(shí)間延長(zhǎng)會(huì)對(duì)啟動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生不利的影響。點(diǎn)火成功時(shí)間延長(zhǎng)導(dǎo)致Ng上升較慢，從而使得35s時(shí)Ng仍低于50%，而35s時(shí)啟動(dòng)電機(jī)脫開(kāi)轉(zhuǎn)入發(fā)電狀態(tài)，此時(shí)電負(fù)載突然增加，Ng上升更加緩慢，為后續(xù)熱懸掛留下隱患。

圖2是啟動(dòng)熱懸掛過(guò)程中的發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)時(shí)間歷程曲線，圖中，T45trans為T(mén)45預(yù)測(cè)值，P3為壓氣機(jī)出口壓力，Wf為燃油流量，GSQDDJ為啟動(dòng)電機(jī)狀態(tài)信號(hào)，GSQDF為啟動(dòng)電磁閥狀態(tài)信號(hào)(開(kāi)關(guān)量)，IXU為蓄電池電流，UH2為啟動(dòng)電機(jī)電壓。

圖2 啟動(dòng)過(guò)程中典型參數(shù)的時(shí)間歷程曲線

t0時(shí)刻：飛行員將發(fā)動(dòng)機(jī)控制開(kāi)關(guān)撥至“地慢”位，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)的控制邏輯，啟動(dòng)電磁閥打開(kāi)，蓄電池開(kāi)始供電，啟動(dòng)電機(jī)打開(kāi)，點(diǎn)火繼電器打開(kāi)。

t1時(shí)刻：燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速達(dá)到8%，此刻發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始按某固定值供油。

t2時(shí)刻：燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速超過(guò)15%，燃油流量不再固定，而是根據(jù)燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速的變化率更改燃油流量。

t3時(shí)刻：?jiǎn)?dòng)時(shí)間超過(guò)25s，點(diǎn)火系統(tǒng)關(guān)閉。

t4時(shí)刻：?jiǎn)?dòng)時(shí)間超過(guò)35s，啟動(dòng)電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，啟動(dòng)電機(jī)并網(wǎng)，蓄電池開(kāi)始充電。此時(shí)相當(dāng)于提供了一個(gè)電負(fù)載，導(dǎo)致Ng上升速度變緩，Ng為33.27%，供油規(guī)律為Ng加速度閉環(huán)控制。由于Ng實(shí)際變化率小于給定變化率，因此增加供油量。

t5時(shí)刻：T45預(yù)測(cè)值超過(guò)800℃，觸發(fā)T45超溫限制邏輯，開(kāi)始降低供油量。

t6時(shí)刻：燃油流量受最小燃油流量限制，燃油流量固定，隨后T45開(kāi)始下降。當(dāng)T45低于800℃后，按照Ng加速度閉環(huán)控制的供油規(guī)律開(kāi)始增加供油量，隨后再次達(dá)到T45超溫限制，從而降低供油量，重復(fù)以上控制過(guò)程。

t7時(shí)刻：飛行員手動(dòng)關(guān)停，終止啟動(dòng)過(guò)程。

為分析熱懸掛啟動(dòng)失敗的原因，進(jìn)行了本次熱懸掛和某次發(fā)動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比(如圖3所示)。兩次啟動(dòng)均為蓄電池冷啟動(dòng)，并且環(huán)境溫度接近(啟動(dòng)熱懸掛時(shí)環(huán)境溫度為8.2℃，成功啟動(dòng)時(shí)環(huán)境溫度為9.7℃)。由圖可以看出，熱懸掛時(shí)Ng轉(zhuǎn)速上升較慢，這是熱懸掛啟動(dòng)過(guò)程的點(diǎn)火時(shí)間長(zhǎng)達(dá)9s導(dǎo)致。在35s時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)脫開(kāi)，由啟動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)(正常啟動(dòng)Ng為48.95%，熱懸掛Ng為33.27%)，蓄電池開(kāi)始充電，Ng增長(zhǎng)速度明顯變慢。由于Ng的增長(zhǎng)率小于給定的變化率，根據(jù)供油規(guī)律，增大供油量。隨后，二者均進(jìn)行了一次增大供油量→T45預(yù)測(cè)值超限→降低供油量的過(guò)程，區(qū)別在于熱懸掛會(huì)重復(fù)這一過(guò)程，而正常啟動(dòng)僅觸發(fā)一次超溫，其原因在于啟動(dòng)熱懸掛時(shí)，啟動(dòng)機(jī)脫開(kāi)后燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速Ng較小，蓄電池負(fù)載從發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪提取了較大的相對(duì)功率(電負(fù)載/燃?xì)鉁u輪功率)，導(dǎo)致Ng轉(zhuǎn)速上升緩慢，陷入增大供油量→T45預(yù)測(cè)值超限→降低供油量的死循環(huán)，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)失敗。

圖3 熱懸掛和成功啟動(dòng)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比

綜上所述，初步分析啟動(dòng)熱懸掛原因如下：一方面，點(diǎn)火成功時(shí)間延長(zhǎng)導(dǎo)致Ng上升較慢，燃?xì)鉁u輪投入工作時(shí)間變短，啟動(dòng)機(jī)脫開(kāi)時(shí)Ng轉(zhuǎn)速較低，燃?xì)鉁u輪輸出功率較低；另一方面，在35s啟動(dòng)機(jī)脫開(kāi)時(shí)，Ng僅為33.27%，而此時(shí)蓄電池負(fù)載從發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子提取了較大的相對(duì)功率，導(dǎo)致Ng轉(zhuǎn)速上升緩慢，陷入增大供油量→T45預(yù)測(cè)值超限→降低供油量的死循環(huán)，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)失敗，即燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速過(guò)低，燃?xì)鉁u輪功率與所需負(fù)載功率不匹配，進(jìn)而出現(xiàn)熱懸掛。

4 啟動(dòng)熱懸掛改進(jìn)措施及試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 啟動(dòng)熱懸掛改進(jìn)措施

造成發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)熱懸掛的原因主要有Ng上升速度慢導(dǎo)致啟動(dòng)電機(jī)脫開(kāi)時(shí)Ng過(guò)低、點(diǎn)火成功時(shí)間較長(zhǎng)。針對(duì)該原因，提出以下改進(jìn)措施：

(1)延長(zhǎng)啟動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)時(shí)間。理論上，延長(zhǎng)帶轉(zhuǎn)時(shí)間可以延長(zhǎng)啟動(dòng)電機(jī)脫開(kāi)前燃?xì)鉁u輪投入工作的時(shí)間，改善啟動(dòng)電機(jī)脫開(kāi)時(shí)Ng過(guò)低的問(wèn)題。一方面可以通過(guò)延長(zhǎng)啟動(dòng)電機(jī)脫開(kāi)并網(wǎng)的時(shí)間，另一方面，將啟動(dòng)電機(jī)脫開(kāi)后立刻并網(wǎng)改為發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到地慢狀態(tài)后再進(jìn)行并網(wǎng)。即在啟動(dòng)成功后啟動(dòng)電機(jī)再由啟動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)，啟動(dòng)過(guò)程中啟動(dòng)/發(fā)電機(jī)不再提取功率，這樣可以有效降低啟動(dòng)過(guò)程中的負(fù)載，提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

(2)通過(guò)增大蓄電池容量來(lái)提高啟動(dòng)機(jī)功率。啟動(dòng)機(jī)功率是影響發(fā)動(dòng)機(jī)高原條件下啟動(dòng)的重要因素[20]，蓄電池容量低、性能差會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)電機(jī)功率低，帶轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速低，發(fā)動(dòng)機(jī)加速性差，Ng上升速度較慢。

(3)改進(jìn)供油規(guī)律。點(diǎn)火成功時(shí)間較長(zhǎng)是本次高原啟動(dòng)失敗的重要因素，該現(xiàn)象出現(xiàn)的原因有高原空氣稀薄、溫度低、燃油黏度大導(dǎo)致燃油較難霧化等客觀因素。此外，由于在低轉(zhuǎn)速階段空氣質(zhì)量流量低，而固定供油量較大導(dǎo)致出現(xiàn)“富油”現(xiàn)象，從而造成點(diǎn)火困難。因此，改進(jìn)供油規(guī)律可以改善啟動(dòng)過(guò)程點(diǎn)火成功時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。

4.2 啟動(dòng)熱懸掛改進(jìn)措施試驗(yàn)驗(yàn)證

由上文分析可知，針對(duì)啟動(dòng)熱懸掛的改進(jìn)措施主要有：延長(zhǎng)啟動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)時(shí)間、提高啟動(dòng)機(jī)功率、改進(jìn)供油規(guī)律?？紤]到試驗(yàn)成本及試驗(yàn)可行性，采用延長(zhǎng)啟動(dòng)機(jī)脫開(kāi)時(shí)間和提高啟動(dòng)機(jī)功率兩項(xiàng)措施進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果如下：

(1)將啟動(dòng)電機(jī)脫開(kāi)并網(wǎng)轉(zhuǎn)入發(fā)電狀態(tài)的時(shí)間延長(zhǎng)至40s，隨后進(jìn)行蓄電池冷啟動(dòng)，啟動(dòng)失敗。

(2)采用兩塊蓄電池并聯(lián)。本機(jī)采用的蓄電池容量為15A·h，若將兩塊蓄電池并聯(lián)，可將蓄電池容量增大至30A·h，并且并聯(lián)形式可以降低電池內(nèi)阻。機(jī)上使用并聯(lián)蓄電池進(jìn)行冷啟動(dòng)，啟動(dòng)成功。

圖4為發(fā)動(dòng)機(jī)采用并聯(lián)蓄電池進(jìn)行冷啟動(dòng)成功的關(guān)鍵參數(shù)時(shí)間歷程曲線，啟動(dòng)過(guò)程中未出現(xiàn)超溫，未出現(xiàn)增大供油量→T45預(yù)測(cè)值超限→降低供油的死循環(huán)。

圖4 啟動(dòng)成功過(guò)程中典型參數(shù)的時(shí)間歷程曲線

表1給出了本次啟動(dòng)成功和啟動(dòng)熱懸掛數(shù)據(jù)對(duì)比。采用蓄電池并聯(lián)后，啟動(dòng)過(guò)程中啟動(dòng)機(jī)端電壓峰值提高了31.13%，端電流提高了25.76%。蓄電池性能的增強(qiáng)提高了啟動(dòng)電機(jī)的輸出功率，從而提升了帶轉(zhuǎn)能力，啟動(dòng)電機(jī)帶轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)到開(kāi)始供油(燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速Ng=8%)的用時(shí)相比于單塊蓄電池啟動(dòng)降低了1.1s，點(diǎn)火成功時(shí)間縮短了6.37s，T45max由841.6℃降至631.3℃，距離800℃的溫度限制留有很大裕度。通過(guò)增大蓄電池容量提高了啟動(dòng)機(jī)功率和Ng上升速度，從而有效提高了啟動(dòng)能力，成功解決了啟動(dòng)熱懸掛問(wèn)題。

表1 啟動(dòng)成功和啟動(dòng)熱懸掛關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比

5 結(jié) 論

本文介紹了某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)高原地面啟動(dòng)的特點(diǎn)，并對(duì)地面啟動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的熱懸掛現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)分析。啟動(dòng)熱懸掛的原因是點(diǎn)火成功時(shí)間長(zhǎng)以及啟動(dòng)電機(jī)脫開(kāi)轉(zhuǎn)入發(fā)電狀態(tài)時(shí)，機(jī)載設(shè)備和蓄電池從發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子提取了較大的相對(duì)功率，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)失敗。

增大蓄電池容量可以有效提升電機(jī)帶轉(zhuǎn)能力，提高發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)成功率。本文的研究對(duì)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)高原地面啟動(dòng)具有較大的參考價(jià)值。