張 媛 ，苗禾狀

（中國飛行試驗(yàn)研究院，西安 710089）

某型渦軸發(fā)動機(jī)地面低溫起動技術(shù)研究

張 媛 ，苗禾狀

（中國飛行試驗(yàn)研究院，西安 710089）

分別從不加溫直接起動、數(shù)控系統(tǒng)控制規(guī)律更改、加溫后起動等各方面對某型全數(shù)控渦軸發(fā)動機(jī)在高寒機(jī)場的地面低溫起動試驗(yàn)進(jìn)行分析研究，最終總結(jié)出該型發(fā)動機(jī)的地面低溫起動規(guī)律。結(jié)果表明：延長起動機(jī)帶轉(zhuǎn)時間，并對發(fā)動機(jī)進(jìn)行適時加溫，可使發(fā)動機(jī)低溫起動成功。

低溫起動；起動機(jī)；渦軸發(fā)動機(jī)；數(shù)控系統(tǒng)；加溫

0 引言

起動過程是航空發(fā)動機(jī)的重要工作階段，直接關(guān)系到發(fā)動機(jī)工作的可靠性和安全性。為了驗(yàn)證發(fā)動機(jī)在各種環(huán)境下，特別是在低溫條件下的地面起動性能，需要對發(fā)動機(jī)進(jìn)行低溫起動試驗(yàn)。在試驗(yàn)時，在低溫條件下發(fā)動機(jī)滑油黏度增大，且流動性差，使發(fā)動機(jī)潤滑不良和起動困難。在一般情況下，隨著外界氣溫下降到-15℃以下時，發(fā)動機(jī)滑油黏度逐漸增大，加之摩擦偶間隙值的改變，使發(fā)動機(jī)在起動過程中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)阻力增加，軸承組件和滑油系統(tǒng)工作失常，從而使發(fā)動機(jī)起動困難，甚至造成起動失敗[1]。

本文通過某型渦軸發(fā)動機(jī)低溫起動試驗(yàn)，分析和探索了發(fā)動機(jī)在低溫條件下成功起動的有效方法和保證措施。

1 試驗(yàn)概況

發(fā)動機(jī)地面低溫起動試驗(yàn)需要在自然環(huán)境下進(jìn)行，因此選擇高寒機(jī)場。高寒機(jī)場最低氣溫可達(dá)-35℃以下，在這種條件下，滑油流動性變差，阻力增加，同時發(fā)動機(jī)在起動后需要帶動旋翼及尾槳，因此起動存在一定困難。本試驗(yàn)是首次進(jìn)行全數(shù)控型渦軸發(fā)動機(jī)的低溫起動試驗(yàn)，沒有經(jīng)驗(yàn)可循。根據(jù)其他發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，在起動前，必須對發(fā)動機(jī)的主要部件進(jìn)行加溫。根據(jù)該型發(fā)動機(jī)的特點(diǎn)，決定對發(fā)動機(jī)滑油箱和主減速器滑油箱進(jìn)行重點(diǎn)加溫。此時，將滑油和主減滑油加溫到什么程度，既能滿足起動和運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性，又不會因?yàn)榧訙貢r間過長而影響飛機(jī)的機(jī)動性能，這是試驗(yàn)面臨的首要問題；同時，還要研究發(fā)動機(jī)在不太低的環(huán)境溫度下不需加溫而直接起動的措施。

為此，首先在-25℃左右的環(huán)境溫度下進(jìn)行不加溫起動試驗(yàn)。如果試驗(yàn)成功，則可以在更低溫度下繼續(xù)進(jìn)行不加溫起動試驗(yàn)；如果失敗，則根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對控制規(guī)律進(jìn)行更改，可以選擇對發(fā)動機(jī)及主減滑油進(jìn)行加溫的方法再進(jìn)行試驗(yàn)，加溫時間根據(jù)試驗(yàn)情況而定。

2 試驗(yàn)過程及分析

2.1 不加溫直接起動

由于該型發(fā)動機(jī)未進(jìn)行過低溫起動試驗(yàn)，因此，在不確定其低溫起動能力的情況下，先進(jìn)行不加溫時起動試驗(yàn)摸底。試驗(yàn)時的環(huán)境溫度為-28.5℃，起動過程的主要參數(shù)變化如圖1所示。圖中豎線1表示起動機(jī)斷開，豎線2表示斷油停車。在-28.5℃的環(huán)境條件下，不加溫滑油溫度起動前接近于環(huán)境溫度，而在此環(huán)境溫度下起動時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化緩慢，從圖中可見，從起動開始至起動機(jī)斷開時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速還比較低；起動機(jī)斷開后，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速開始下降，下降一段時間后，執(zhí)行斷油停車。

隨后，在-21℃的環(huán)境溫度下，再次進(jìn)行不加溫直接起動，發(fā)動機(jī)起動過程主要參數(shù)變化如圖2所示。從圖中可見，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化仍然比較緩慢，在起動開始至起動機(jī)斷開時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速仍然較低，轉(zhuǎn)速變化明顯慢于常溫條件下的起動；起動機(jī)斷開后轉(zhuǎn)速緩慢升高，直至起動成功。

經(jīng)過多次不加溫起動試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在大氣溫度為-20℃以上時，可以不加溫直接起動，在大氣環(huán)境溫度為-20℃以下時，則不能保證起動成功率為100%，特別是在更低溫度下，不加溫就不能成功起動。

2.2 控制軟件更改

發(fā)動機(jī)起動過程包括冷轉(zhuǎn)動狀態(tài)和加速轉(zhuǎn)動狀態(tài)，通常需要3個階段。第1階段為冷轉(zhuǎn)動狀態(tài)，燃燒室沒有點(diǎn)火，由起動機(jī)帶動轉(zhuǎn)子加速；第2階段，燃燒室燃油點(diǎn)燃，渦輪開始作功，和起動機(jī)一起帶動轉(zhuǎn)子加速；第3階段，起動機(jī)停止工作，渦輪功足夠大，能夠單獨(dú)帶動轉(zhuǎn)子加速，直到慢車狀態(tài)[2]。

對于該全數(shù)控型發(fā)動機(jī)來說，數(shù)控系統(tǒng)通過控制起動機(jī)帶轉(zhuǎn)時間和起動過程供油來控制發(fā)動機(jī)起動，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)自動化起動。根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計，在起動機(jī)帶轉(zhuǎn)至一定時間，或者發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)一定值時，起動機(jī)斷開[3]。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，在低溫條件下，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化緩慢，通常是起動機(jī)帶轉(zhuǎn)時間到達(dá)限制值時，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速還比較低。因此，在起動機(jī)斷開后，轉(zhuǎn)速降低，導(dǎo)致起動失敗。

為了增強(qiáng)發(fā)動機(jī)低溫起動能力，提高起動成功率，在燃?xì)鉁u輪后溫度還有較大余量的情況下，在起動過程起動機(jī)帶轉(zhuǎn)階段增加供油量[4]，以及延長起動機(jī)帶轉(zhuǎn)時間等2項(xiàng)措施，以期在更低溫度下不需加溫即可直接起動發(fā)動機(jī)。

控制軟件更改后，在-23.3℃下進(jìn)行了不加溫起動試驗(yàn)，結(jié)果起動失敗。在相同環(huán)境溫度下，控制軟件更改前、后發(fā)動機(jī)不加溫起動失敗過程，其轉(zhuǎn)速和渦輪后溫度的變化如圖3所示。2次起動失敗均是在起動機(jī)斷開后，轉(zhuǎn)速開始降低，執(zhí)行斷油停車。圖中虛線為起動供油量增加和起動機(jī)帶轉(zhuǎn)時間延長后的參數(shù)。從圖中可見，在起動機(jī)斷開前10、增加起動供油量的情況下，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化仍然比較緩慢，雖然起動機(jī)帶轉(zhuǎn)時間延長了，但在起動機(jī)斷開后轉(zhuǎn)速僅有33%，仍然不足以使發(fā)動機(jī)自動加速至慢車狀態(tài)。而且在供油量增加、起動機(jī)斷開后，由于第2油路充油較多，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速降低，同時渦輪后溫度卻開始上升，比供油量增加前的最大值高出130℃左右。由此可見，增加供油量并沒有使起動過程的轉(zhuǎn)速明顯升高，反而使渦輪后溫度有了較大升高，也使以后的常溫起動過程有超溫的可能。

2.3 加溫條件下起動

從前期的試驗(yàn)結(jié)果可知，在-20℃以下的低溫條件下，如果發(fā)動機(jī)不加溫，就不能保證起動成功，而通過更改起動控制軟件，尤其是通過增加起動供油量，在低溫條件下發(fā)動機(jī)不通過加溫也不能直接起動，還可能造成常溫條件下起動超溫。因此，取消增加起動供油量的措施，而保留延長起動機(jī)帶轉(zhuǎn)時間的措施，在加溫條件下進(jìn)行試驗(yàn)。

在-31℃下，采取不同的加溫時間進(jìn)行發(fā)動機(jī)起動比較，如圖4所示。圖中虛線為起動機(jī)帶轉(zhuǎn)時間延長，且加溫時間較長的參數(shù)變化；實(shí)線為加溫時間較短，且起動失敗的參數(shù)變化。

從圖4中可見，在發(fā)動機(jī)起動過程中，隨著加溫時間的延長，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化率增加，起動機(jī)斷開點(diǎn)從時間限制點(diǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)速到達(dá)點(diǎn)，起動成功率也明顯提高。

在大氣環(huán)境溫度為-35.2℃下，分別選擇加溫時間為15和20min進(jìn)行起動試驗(yàn)，發(fā)動機(jī)起動均成功。隨后，又在大氣環(huán)境溫度為-35～-20℃下進(jìn)行了20余次加溫起動試驗(yàn)，加溫時間根據(jù)不同的環(huán)境溫度而定，發(fā)動機(jī)起動均成功。至此，經(jīng)過大量試驗(yàn)，總結(jié)出不同環(huán)境溫度下最適合的加溫時間。在加溫起動時，可用出口溫度為70℃左右的加溫管對發(fā)動機(jī)滑油箱、燃滑油散熱器等部位進(jìn)行加溫，具體加溫時間見表1。

表1 不同環(huán)境溫度下發(fā)動機(jī)起動時的加溫時間

4 結(jié)論

（1）在環(huán)境溫度為-20℃以上時，發(fā)動機(jī)具有自主起動能力。但由于受到起動時間、發(fā)動機(jī)及其滑油的物理特性等限制，在環(huán)境溫度為-20℃以下時，必須采取加溫措施，才能保證發(fā)動機(jī)起動成功。

（2）在起動機(jī)功率尚有余量的情況下，可以采取延長起動機(jī)帶轉(zhuǎn)時間的措施，提高發(fā)動機(jī)起動成功率[3]。

（3）在環(huán)境溫度為-20℃以下時，加溫起動時間適情而定，溫度越低，加溫時間越長，但最長不超過20min。

[1]張寶誠.航空發(fā)動機(jī)試驗(yàn)和測試技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005：195-198.

[2]鄭緒生，張?zhí)旌?丁毅，等.某型渦軸發(fā)動機(jī)起動建模技術(shù)研究[C]//中國航空學(xué)會第十二屆發(fā)動機(jī)自動控制學(xué)術(shù)會議論文集.北京：中國航空學(xué)會，2004：305-310.

[3]蔡建斌，成本林,劉杰，等.起動電機(jī)特性對燃?xì)鉁u輪軸發(fā)動機(jī)起動性能的影響[C]//中國航空學(xué)會青年科技論壇文集.北京：中國航空學(xué)會，2005：306-310.

[4]李樹人.航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)工作特性試驗(yàn)分析[M].西安：飛行試驗(yàn)研究院，2008：220-225.

Investigation on Ground-Start of a Turboshaft Engine in Low Temperature

ZHANG Yuan,MIAO He-zhuang
（Chinese Flight Test Establishment,Xi'an 710089,China）

The ground-start of turboshaft with full authority digital electric control system（FADEC）in low temperature test was analyzed on aspects of immediate start with no calefaction,FADEC controlling law updatinog,and start after heat up.The engine ground-start law in low temperature was summarized.The results indicate that prolonging the work time of starter and proper heating up on the engine will achieve the engine starting in low temperature.

start in low temperature;starter;turboshaft engine;FADEC;heat up

張媛（1982），女，工程師，從事航空動力裝置飛行試驗(yàn)研究工作。