趙志華，周人治，黃金泉

(1.南京航空航天大學能源與動力學院，江蘇南京210016；2.中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

核心機地面起動供油規(guī)律快速確定方法

趙志華1，2，周人治2，黃金泉1

(1.南京航空航天大學能源與動力學院，江蘇南京210016；2.中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

確定核心機地面起動規(guī)律是航空發(fā)動機研制中的重要環(huán)節(jié)。通過對核心機與發(fā)動機起動供油規(guī)律的對比，和起動過程中數(shù)值仿真與試驗數(shù)據(jù)特點的分析，提出了采用數(shù)值仿真與試驗數(shù)據(jù)分析相結合，快速確定核心機合適起動供油規(guī)律的方法。經(jīng)幾型核心機試驗驗證，該方法能有效解決起動點火和起動加速等問題，減少起動調(diào)試次數(shù)，提高起動成功率和試驗調(diào)試的安全性。核心機起動供油規(guī)律的確定，為發(fā)動機起動供油規(guī)律的確定奠定了基礎。

航空發(fā)動機；核心機；起動過程；供油規(guī)律；燃油填充；點火匹配；數(shù)值仿真

1 引言

航空發(fā)動機起動過程是一個較為復雜的氣動熱力學過程，一直是發(fā)動機研制中的一個難題，也是發(fā)動機調(diào)試的一個關鍵[1]。國外航空發(fā)動機研制成功經(jīng)驗表明，“核心機-驗證機-原型機”道路，是一條科學、合理的航空發(fā)動機發(fā)展道路[2]。開展核心機起動研究，可準確了解并獲得起動過程中，發(fā)動機流道的氣動和熱力特性、燃燒室的點火特性及起動邊界等重要信息，對于解決發(fā)動機起動調(diào)試時燃油匹配難等問題，縮短發(fā)動機起動試驗周期和降低調(diào)試風險，具有十分重要的意義。因此，快速確定合適的起動供油規(guī)律，是解決發(fā)動機起動問題的一個關鍵，也是起動調(diào)試過程中的一個主要匹配因素。

在核心機地面起動調(diào)試過程中，確定起動供油規(guī)律的傳統(tǒng)方法是，通過大量起動調(diào)試試驗反復摸索獲得，但調(diào)試過程易出現(xiàn)超溫、熱懸掛、爆燃等問題，既損害發(fā)動機，又延誤試驗進度[3]。本文通過對核心機起動過程中數(shù)值仿真和起動供油規(guī)律試驗特點的分析，提出了采用數(shù)值仿真與試驗數(shù)據(jù)分析相結合，快速確定合適起動供油規(guī)律的方法，并通過試驗予以驗證。

2 發(fā)動機起動過程特點分析

發(fā)動機起動過程中，主要解決起動點火和起動加速兩個問題。起動點火時的轉(zhuǎn)速一般在設計轉(zhuǎn)速的20.0%以下，此時發(fā)動機各部件的低轉(zhuǎn)速特性誤差較大，導致燃燒室進口參數(shù)難以準確獲得[4-5]；同時，由于燃油管路中存在殘余燃油，也難以準確獲得燃油填充量。剛被點燃后一段時間內(nèi)，燃燒室積油且進口條件惡劣，導致燃燒效率變化范圍大[6]；另外，燃氣流與渦輪葉片、輪盤及機匣壁面間的熱交換量，因不同次起動時核心機的冷熱狀態(tài)不同而有較大差異[7-8]。由于上述因素的存在，此階段數(shù)值仿真氣動參數(shù)結果與實際試驗結果偏差較大，難以用數(shù)值仿真的方法解決起動點火問題。此時，可通過發(fā)動機冷運轉(zhuǎn)和假起動的試驗數(shù)據(jù)，來較為準確地獲得燃燒室進口參數(shù)和燃油填充量[8]，從而解決起動點火問題。

隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的升高，約在設計轉(zhuǎn)速的40.0%后，各部件的低轉(zhuǎn)速特性精度大大提高，燃燒效率升高并趨于恒值，發(fā)動機內(nèi)部熱交換趨于平衡。此時，數(shù)值仿真氣動參數(shù)結果與實際試驗結果偏差較小，可通過數(shù)值仿真定量開展起動加速段的供油規(guī)律調(diào)試研究[9-12]。

3 核心機起動供油規(guī)律獲取方法

核心機的起動過程與發(fā)動機的相同，也具備上述特點，因此可將核心機起動供油規(guī)律研究，分為點火段供油和起動加速段供油兩段，分別開展研究。點火段供油規(guī)律主要是在理論計算的基礎上，通過試車數(shù)據(jù)進行調(diào)整獲得；加速段供油規(guī)律主要通過理論計算獲取。

3.1 點火段供油規(guī)律

與發(fā)動機相同，一般將核心機開始供油到燃燒室點燃后且形成穩(wěn)定火焰這段供油定義為點火段供油。此階段供油規(guī)律的獲取，需考慮燃油總管填充、點火參數(shù)匹配、穩(wěn)焰階段油氣匹配等因素。

由于燃油總管填充主要與燃油管路容積相關，與燃燒室進口流量(供油規(guī)律中常用壓氣機出口總壓pt3表征)的相關性相對較小，加之地面臺試車時點火穩(wěn)焰段同一轉(zhuǎn)速下燃燒室進口的空氣流量變化也較小，對燃油匹配的影響在可接受范圍內(nèi)。因此，在試驗初期，為點火段供油調(diào)整方便，核心機點火段地面起動供油規(guī)律(圖1)采用物理流量的供油方式。其關系式為WFB=f1(N2r)，其中N2r為核心機進口相對換算轉(zhuǎn)速，WFB為給定燃油流量(kg/s)。在“三高”(高原、高溫和高寒)起動調(diào)試時，同一轉(zhuǎn)速下燃燒室進口空氣流量變化較大，為獲得較為理想的燃油匹配，應將燃油流量與燃燒室進口空氣流量相關聯(lián)，故將點火穩(wěn)焰段的供油規(guī)律形式改為WFB/pt3=f2(N2r)。

圖1 點火段供油規(guī)律Fig.1 Fuel flow law in the ignition period

3.1.1 燃油總管填充

燃油填充段的主要作用，是將計量活門到燃油噴嘴間的燃油管路內(nèi)充滿燃油，為發(fā)動機點火匹配提供支持。此階段供油規(guī)律的獲取方法為：根據(jù)燃油總管容積估算出燃油填充所需的理論燃油量，結合發(fā)動機燃油系統(tǒng)的最大供油邊界值、冷運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速與時間的關系，擬合并獲得填充段的初始燃油供油規(guī)律。為消除核心機實際工作時燃油管路中存在殘留燃油、部分燃油進入燃燒室等影響，需借助假起動試驗數(shù)據(jù)對初始燃油供油規(guī)律進行修正。

為更好地解決填充問題，試驗時主要通過分析假起動時燃油總管壓力(pf，表壓)的驟升情況(圖2)，來修正燃油填充段的燃油流量，獲得較為準確的燃油供油規(guī)律。工程應用時，利用pf判斷填充情況，獲取填充段供油規(guī)律的主要方法為：

(1)pf驟升速率要快，應盡量在1.0%～1.5%轉(zhuǎn)速內(nèi)上升到燃燒室能順利點燃所需的壓力。此壓力可根據(jù)燃燒室部件點火試驗結果獲得，若無試驗數(shù)據(jù)，對渦噴/渦扇發(fā)動機及其核心機，一般在40.0～100.0 kPa之間進行初次選擇。若pf驟升速率太慢，則易導致燃燒室積油過多，點燃時易發(fā)生爆燃，形成“熱堵”，引起發(fā)動機失速從而導致起動失??；同時，大量燃油混合氣將在渦輪、加力燃燒室及噴管中燃燒，燒蝕渦輪葉片、加力燃燒室及噴管隔熱屏，嚴重時甚至引起核心機損壞等。

圖2 燃油總管壓力與渦輪后排氣溫度的關系Fig.2 Fuel manifold pressure v.s.turbine exhaust temperature

(2)應避免在pf驟升過程中出現(xiàn)尖峰值。若出現(xiàn)尖峰值，則易使燃燒室供油量過多而富油，導致點火困難或點燃時易發(fā)生爆燃，進而引起渦輪葉片燒蝕和核心機失速等問題。假起動時，若燃油壓力出現(xiàn)尖峰值，需調(diào)低燃油流量。

起動設計主要關心點燃轉(zhuǎn)速，但獲取供油規(guī)律時只能確定開始供油轉(zhuǎn)速。點燃轉(zhuǎn)速根據(jù)實際供油規(guī)律、燃油填充、燃油總管壓力建立及點火頻率等情況共同決定。因此在反推開始供油轉(zhuǎn)速時，根據(jù)調(diào)試經(jīng)驗，燃油總管壓力開始建立轉(zhuǎn)速應比理想點燃點轉(zhuǎn)速提前約1.0%～1.5%轉(zhuǎn)速。即如果理想點燃點N2r=15.0%，則燃油總管壓力開始驟升時N2r=13.5%～14.0%。

利用核心機供油規(guī)律擬合發(fā)動機供油規(guī)律時，雖然兩者燃油管路的布局發(fā)生了變化，但也可通過上述方法獲得發(fā)動機燃油管路填充段的供油規(guī)律。

擁有大量試驗數(shù)據(jù)后，可對每次起動時的燃油填充量數(shù)據(jù)，采用概率統(tǒng)計相關算法獲得較優(yōu)的燃油填充量。

3.1.2 點火參數(shù)匹配

點火參數(shù)匹配是為了獲得理想點燃點的燃油流量與空氣流量的最佳匹配，主要獲取方法為：對試驗數(shù)據(jù)進行計算獲取燃燒室進口空氣流量，結合燃燒室部件試驗點火邊界，選取點火時較優(yōu)的余氣系數(shù)，從而獲得點火時所需的燃油流量，擬合出相應的供油規(guī)律。

方案制定階段，雖然可通過起動過程仿真計算燃燒室進口的空氣流量，但由于高、低壓壓氣機的低轉(zhuǎn)速特性偏差較大，計算出的空氣流量存在不同大小的偏差量，理論匹配出的點火參數(shù)將偏離預期。因此，核心機還必須通過試驗測量參數(shù)，間接獲得燃燒室的進口空氣流量，以進行相應的點火參數(shù)匹配。

核心機試車時，通過臺架的流量管可較為準確地獲得核心機的進口空氣流量，得到合適的點火參數(shù)，較好解決核心機點火參數(shù)的匹配問題。其主要方法為，通過核心機進口空氣質(zhì)量流量，估算出燃燒室進口空氣質(zhì)量流量。數(shù)據(jù)處理時，選用的過渡態(tài)或動態(tài)采集參數(shù)，應特別注意各測量參數(shù)的零點校準；為提高流量估算結果精度，可多選取幾次冷運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)進行處理。

核心機進口空氣質(zhì)量流量Wa(kg/s)計算公式為：

式中：Wa,3為燃燒室進口空氣質(zhì)量流量(kg/s)；K1為流量修正系數(shù)，由流量管吹風試驗曲線查取(或取定值約0.99)；C為常數(shù)，對空氣，常壓下R=287.06 J/kg、γ= 1.4時，；ps1為核心機進口測量截面靜壓；pt1為核心機進口測量截面總壓；Tt1為核心機進口測量截面總溫(K)；A為核心機進口測量截面有效流通面積(m2)；C1為壓氣機進口到出口總的引氣系數(shù)(含二股流)，取慢車點值(或設計點值)；C2為壓氣機進口到出口的飛機引氣系數(shù)，取慢車點值(或設計點值)；Wf為點火時的燃油流量(kg/s)；α為點火時的余氣系數(shù)。

理想點燃點的余氣系數(shù)可根據(jù)燃燒室部件試驗貧油點火邊界的余氣系數(shù)確定，一般取貧油點火邊界的0.5倍余氣系數(shù)，從而估算出理想點燃點的燃油流量。若缺少燃燒室部件點火試驗數(shù)據(jù)，則點燃點的余氣系數(shù)可在1.5～2.0之間選擇。

相比核心機，發(fā)動機試車時，由于核心機進口空氣流量的測點少、測量位置有限等，導致發(fā)動機起動調(diào)試時出現(xiàn)燃油匹配難等問題，獲取合適的點火參數(shù)更加困難。但燃燒室點燃前(含點燃時)，低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速極低(接近靜止)，無論是發(fā)動機還是核心機，燃燒室進口參數(shù)都基本一致，其點火參數(shù)也基本一致，因此發(fā)動機的點火參數(shù)可直接采用核心機試驗調(diào)試結果。

3.1.3 點火穩(wěn)焰階段油氣匹配

點火穩(wěn)焰階段主要為燃燒室被點燃后的一段時間，一般為點燃后持續(xù)到N2r=22.0%～24.0%。此階段油氣匹配的主要目的，是能在燃燒室內(nèi)形成穩(wěn)定、連續(xù)的火焰。

方案制定方法為：此時給定供油量可選擇與理想點燃點的供油量一致，形成一個供油平臺；或參考點火參數(shù)確定方法，選擇2～3個轉(zhuǎn)速點，估算出理論燃油流量，再擬合獲得該轉(zhuǎn)速段的供油規(guī)律。

核心機試驗調(diào)試階段，可根據(jù)燃燒室點燃后噴管噴出的火焰長度或持續(xù)時間，對此階段的供油規(guī)律進行優(yōu)化。若火焰過長或火焰持續(xù)時間過長，則說明燃燒室內(nèi)燃油過剩、燃燒不充分，部分燃油在渦輪和噴管流道內(nèi)燃燒，需適當降低此階段的燃油流量。同時，根據(jù)排氣溫度、起動工作線等實際情況進行優(yōu)化。

對于發(fā)動機，本段供油規(guī)律可直接采用核心機試驗調(diào)試結果。

3.2 起動加速段供油規(guī)律

與發(fā)動機類似，核心機起動加速段地面起動供油規(guī)律一般為WFB/pt3=f2(N2r)，即等余氣系數(shù)供油控制。

在N2r≥40.0%至慢車起動加速段，可通過部件級模型進行起動仿真，獲得起動加速段的供油規(guī)律。主要獲取步驟為：

(1)通過同類型核心機的試驗數(shù)據(jù)，對仿真模型進行修正、校核，獲得計算精度較高的仿真模型；

(2)將核心機各部件特性(最好為試驗特性)帶入仿真模型優(yōu)化，獲取初始起動加速段供油規(guī)律；

(3)試驗調(diào)試時，根據(jù)核心機排氣溫度、起動過程工作線、起動時間等反映起動特征的性能參數(shù)，對此段起動供油規(guī)律進行優(yōu)化。

對于點火段到N2r≤40%段的起動供油規(guī)律，通過點火段末的供油量與數(shù)值仿真獲得的N2r=40%時的供油量連線即可獲得。

發(fā)動機起動加速段的供油規(guī)律，與核心機的基本相近，但受低壓渦輪容積效應的影響，其起動工作線比核心機更偏近喘振(失速)邊界。為發(fā)動機試車安全，可將核心機起動供油規(guī)律降低合適百分比作為發(fā)動機的起動供油規(guī)律。

3.3 注意事項

試驗初期，為更優(yōu)、更快地獲得合適的核心機起動供油規(guī)律，除通過上述方法外，還需詳細了解燃油與控制系統(tǒng)的半物理仿真結果，實際供油量與給定供油量間的偏差，核心機排氣溫度測量響應，及點火電嘴火花頻率等實際問題[8]，對給定核心機起動供油規(guī)律進行修正以適應本階段試驗。同時，為給核心機起動供油規(guī)律后期優(yōu)化提供技術支持，建議將起動時間目標值定在45～50 s區(qū)間內(nèi)，排氣溫度限制值留一定裕度。試驗后期開展“三高”試驗時，建議增加溫度、高度及熱機修正[12-13]。

4 試驗驗證情況

本方法已應用于大、中、小多型新研發(fā)動機的核心機起動供油規(guī)律調(diào)試試驗，結果表明，排除非起動系統(tǒng)因素，基本經(jīng)過1～2次地面起動調(diào)試可點火成功，地面點火成功率接近100%；基本能在2～3次地面起動調(diào)試試驗后獲得合適的核心機起動供油規(guī)律，地面起動成功率達95%以上。

在獲得合適的核心機起動供油規(guī)律的基礎上，結合發(fā)動機與核心機的區(qū)別，遵循上述方法，在新研小型和大型發(fā)動機的驗證機上也進行了試驗驗證，基本通過1～2次地面起動調(diào)試可點火成功，2～3次地面起動調(diào)試可獲得合適的發(fā)動機起動供油規(guī)律。

5 結論

(1)通過對核心機與發(fā)動機起動過程和起動供油規(guī)律之間區(qū)別及起動過程特點的分析，認為在發(fā)動機研制過程中開展核心機起動供油規(guī)律研究十分必要。

(2)結合發(fā)動機和核心機試驗調(diào)試、起動數(shù)值仿真的經(jīng)驗及特點，對核心機地面起動供油規(guī)律進行了相應分析，獲得了快速找出核心機合適起動供油規(guī)律的方法。

(3)本文方法經(jīng)幾型核心機的起動調(diào)試驗證，基本經(jīng)過1～2次地面起動調(diào)試可點火成功，經(jīng)過2～3次地面起動調(diào)試可找出合適的核心機起動供油規(guī)律。核心機起動供油規(guī)律的確定，為發(fā)動機起動供油規(guī)律的確定奠定了基礎。

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Research on Fuel Supply Law of Core Engine Ground Start-Up

ZHAO Zhi-hua1，2，ZHOU Ren-zhi2，HUANG Jin-quan1
(1.College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

The ground start-up of core engine is an important part of aero-engine development.Through the comparison of start-up process and start-up fuel supply law between the core engine and engine,and analysis of characteristics of numerical simulation and experiment in start-up process,a method of quickly finding out a suitable start-up fuel delivery law of core engine using numerical simulation combined with ex?periment data analysis was proposed.Through several types of core engine and engine tests,the proposed method has effectively solved the problem such as ignition and acceleration in the start-up process.The test results show that the method can reduce the number of debugging,improve the success rate of starting and the security of the tests of core engine and engine.The ground start-up flue supply law determined for core engine can provide a technical support for the start-up flue supply law of engine.

aero-engine；core engine；start-up process；fuel supply law；fuel filling；ignition match；numerical simulation

V231

：A

：1672-2620(2014)06-0018-04

2014-03-21；

：2014-07-28

趙志華(1981-)，男，四川大竹人，工程師，研究方向為航空發(fā)動機起動系統(tǒng)設計和可靠性設計。