韓文俊，王 軍，隋巖峰，邊家亮

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng)110015）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定、快速地起動(dòng)至關(guān)重要[1-4]。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)是個(gè)加速的過(guò)渡過(guò)程，由于熱力節(jié)流的作用而造成渦輪前總溫T4升高，從而引起壓氣機(jī)后壓力P3升高，引起壓氣機(jī)穩(wěn)定裕度減小[5]。如果發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)供油規(guī)律的給定油量過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致起動(dòng)過(guò)程壓氣機(jī)共同工作線提高，可能引起發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中失速或喘振。同時(shí)對(duì)于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，其起動(dòng)性能還受到大氣條件的影響，比如：在炎熱的天氣下起動(dòng)時(shí)，若仍然保持與標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下相同的供油量，則會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)“冷懸掛”；相反，在寒冷的天氣下起動(dòng)時(shí)，則必須減少其供油量，以避免發(fā)生“起動(dòng)失速”。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的穩(wěn)定性主要是由壓氣機(jī)工作穩(wěn)定性決定的。研究表明，對(duì)壓氣機(jī)中間級(jí)或壓氣機(jī)后進(jìn)行放氣能夠提高壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作裕度[6～10]。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)模型為研究發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程提供了方便的平臺(tái)。20世紀(jì)90年代，Chappell等建立了雙轉(zhuǎn)子起動(dòng)模型ATEST-V3[12]，2007年Morini等針對(duì)大型單軸燃?xì)廨啓C(jī)建立了起動(dòng)模型[13]；國(guó)內(nèi)學(xué)者建立了發(fā)動(dòng)機(jī)單轉(zhuǎn)子起動(dòng)模型[14]，以及基于部件級(jí)的雙軸渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)模型[3，11]等。

本文首先建立了帶放氣的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)模型，定性分析放氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)起動(dòng)過(guò)程的影響；然后對(duì)某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行放氣起動(dòng)試驗(yàn)研究，最終得到放氣起動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的影響規(guī)律。

1 放氣起動(dòng)的建模與仿真分析

1.1 放氣起動(dòng)過(guò)程的建模

本文基于文獻(xiàn)[3]介紹的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)模型建立簡(jiǎn)單的發(fā)動(dòng)機(jī)放氣起動(dòng)模型，如圖1所示。

該放氣起動(dòng)模型基于積分法，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)初始條件和各部件特性，采用氣動(dòng)熱力學(xué)關(guān)系式計(jì)算風(fēng)扇、壓氣機(jī)及高、低壓渦輪的進(jìn)、出口截面參數(shù)，其中壓氣機(jī)出口可認(rèn)為分成了2股氣流，1股進(jìn)入主燃燒室，另1股放入大氣。

1.1.1 模型初始化

計(jì)算前，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)模型各截面參數(shù)和高、低壓轉(zhuǎn)子相對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行初始化。其中各截面的總壓和總溫初始量與大氣條件相同，發(fā)動(dòng)機(jī)高、低壓相對(duì)轉(zhuǎn)速可給定1個(gè)較小的量（1%～5%）。

1.1.2 4大部件計(jì)算

4大部件指風(fēng)扇、壓氣機(jī)和高、低壓渦輪。根據(jù)部件的進(jìn)、出口參數(shù)和轉(zhuǎn)速，在事先給定的部件特性上插值得到壓比、流量、效率、出口總溫和功。

1.1.3 容腔計(jì)算

外涵、主燃燒室、加力燃燒室和噴管為容腔，可根據(jù)能量方程、連續(xù)方程和理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算[4]得到各容腔出口總壓、總溫對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。能量方程為

連續(xù)方程為

狀態(tài)方程為

1.1.4 新一周期的計(jì)算

通過(guò)容腔計(jì)算得到各容腔出口總壓、總溫對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，然后再根據(jù)積分步長(zhǎng)，也就是微小的時(shí)間步長(zhǎng)Δt，計(jì)算得到各容腔出口新一周期的總壓和總溫[4]，即

式中；ρ、Cv、Tt、C、ht、Pt分別為氣體的密度、定容比熱容、總溫、速度、總焓和總壓。

根據(jù)計(jì)算得到的風(fēng)扇、壓氣機(jī)及高、低壓渦輪的功，可以得到4大部件的扭矩。通過(guò)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程便可得到高、低壓轉(zhuǎn)子對(duì)時(shí)間的倒數(shù)，見(jiàn)式（6）、（7）。然后根據(jù)積分步長(zhǎng)得到新一周期的高、低壓轉(zhuǎn)速。

式中：n1、n2分別為高、低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；MCL、MCH、MTH、MTL分別為風(fēng)扇、壓氣機(jī)和高、低壓渦輪的扭矩；J1、J2分別為高、低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Mst為給定的起動(dòng)機(jī)扭矩，當(dāng)起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)帶轉(zhuǎn)后，該扭矩為0。

根據(jù)上述步驟，不斷更新發(fā)動(dòng)機(jī)在每個(gè)計(jì)算周期下的截面氣動(dòng)參數(shù)和轉(zhuǎn)速，便可逐步計(jì)算到慢車(chē)，計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 起動(dòng)計(jì)算流程

1.2 仿真結(jié)果分析

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程分為3個(gè)階段，如圖3所示，用高壓壓氣機(jī)共同工作線體現(xiàn)。從圖中可見(jiàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的第1階段，發(fā)動(dòng)機(jī)只靠起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)，放氣與否對(duì)壓氣機(jī)共同工作線影響不大；發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后，放氣起動(dòng)共同工作線要低于不放氣起動(dòng)，在起動(dòng)過(guò)程中，放氣量為3%時(shí)，壓氣機(jī)穩(wěn)定裕度比不放氣起動(dòng)時(shí)的高2%～4%。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程

在不同放氣量下，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度T6隨發(fā)動(dòng)機(jī)高壓換算轉(zhuǎn)速n2r的變化和壓氣機(jī)增壓比πc隨發(fā)動(dòng)機(jī)高壓換算轉(zhuǎn)速n2r的變化如圖4、5所示。從圖4、5中可見(jiàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，隨著放氣量的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)最大排氣溫度升高，增壓比減小。因此，對(duì)于起動(dòng)性能差的發(fā)動(dòng)機(jī)可適量提高起動(dòng)放氣量，但為保證發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)不超溫，不能一味的增加放氣量。

圖4 模擬計(jì)算所得T6與n2r的關(guān)系

圖5 模擬計(jì)算所得T6與n2r的關(guān)系

2 發(fā)動(dòng)機(jī)放氣起動(dòng)設(shè)備及方法

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)放氣起動(dòng)試驗(yàn)裝置

發(fā)動(dòng)機(jī)放氣起動(dòng)地面試驗(yàn)裝置和起動(dòng)系統(tǒng)如圖6、7所示，從圖6、7中可見(jiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)放氣口在壓氣機(jī)出口，且將氣體放入大氣中；壓氣機(jī)后氣體通過(guò)管路輸送至放氣控制附件進(jìn)口，放氣控制附件出口通往大氣。采用高壓氮?dú)鉃榭刂茪?，連接至放氣氣動(dòng)電磁閥，當(dāng)打開(kāi)放氣開(kāi)關(guān)時(shí)，氣動(dòng)電磁閥打開(kāi)，高壓氮?dú)饬魅耄_開(kāi)放氣控制附件的放氣活門(mén)，此時(shí)高壓壓氣機(jī)后氣體流入大氣，實(shí)現(xiàn)起動(dòng)放氣功能。本次試驗(yàn)放氣口為固定管徑（Ф=38mm）。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)放氣起動(dòng)試驗(yàn)裝置

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)放氣起動(dòng)系統(tǒng)

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)放氣起動(dòng)試驗(yàn)方法

發(fā)動(dòng)機(jī)放氣起動(dòng)試驗(yàn)方法主要分為驗(yàn)證放氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的影響和摸索發(fā)動(dòng)機(jī)放氣起動(dòng)的穩(wěn)定供油邊界2部分。

（1）放氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的影響主要從3方面來(lái)研究，即對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間的影響，對(duì)起動(dòng)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)最大排氣溫度的影響，以及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)穩(wěn)定性的影響。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在不放氣情況下起動(dòng)時(shí)，記錄起動(dòng)過(guò)程中各段時(shí)間（發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)間、起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)時(shí)間和發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)到慢車(chē)的時(shí)間）及發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度T6的最大值；然后不對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)作任何調(diào)整，進(jìn)行放氣起動(dòng)，記錄起動(dòng)各段時(shí)間及T6最大值，對(duì)比2次記錄的數(shù)據(jù)。

通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)供油規(guī)律，使發(fā)動(dòng)機(jī)在不放氣條件下起動(dòng)失速；不對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)作任何調(diào)整，進(jìn)行放氣起動(dòng)，檢查發(fā)動(dòng)機(jī)能否成功起動(dòng)。

（2）摸索發(fā)動(dòng)機(jī)放氣起動(dòng)的穩(wěn)定供油邊界試驗(yàn)是通過(guò)調(diào)整起動(dòng)供油規(guī)律，使發(fā)動(dòng)機(jī)在不同高壓換算轉(zhuǎn)速下失速，記錄失速點(diǎn)的供油量，從而確定發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)供油的供油邊界。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)放氣起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 放氣起動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)在同樣起動(dòng)供油規(guī)律條件下不放氣起動(dòng)和放氣起動(dòng)的參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。從表中可見(jiàn)，放氣起動(dòng)時(shí)間比不放氣起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)2s，最大排氣溫度相對(duì)值提高1.7%。試驗(yàn)結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表2。試驗(yàn)結(jié)果和模擬計(jì)算結(jié)果均表明，發(fā)動(dòng)機(jī)在放氣起動(dòng)時(shí)壓氣機(jī)增壓比減小，起動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，其中放氣量為1.5%時(shí)的模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果接近。

表1 放氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的影響

表2 試驗(yàn)結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果比較

在2次試車(chē)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)供油規(guī)律是一致的，如圖8所示。在同一起動(dòng)供油條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)在放氣起動(dòng)過(guò)程中，排氣溫度時(shí)刻高于不放氣起動(dòng)過(guò)程的，如圖9所示。

圖8 Wf與n2r的關(guān)系

由此可知，在相同起動(dòng)供油條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)放氣起動(dòng)比不放氣起動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)、排氣溫度高，從而定性地驗(yàn)證了仿真計(jì)算的結(jié)果。

發(fā)動(dòng)機(jī)2次起動(dòng)的供油規(guī)律一致，如圖10、11所示，但發(fā)動(dòng)機(jī)在不放氣起動(dòng)時(shí)，當(dāng)n2r加速到57%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)主燃油量突然減少，壓氣機(jī)增壓比也突然減小，這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中發(fā)生失速、消喘系統(tǒng)投入工作、發(fā)動(dòng)機(jī)切油所致；而發(fā)動(dòng)機(jī)在放氣起動(dòng)時(shí)，壓氣機(jī)共同工作線下移，發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作裕度增加，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中放氣，可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)穩(wěn)定性，這與仿真計(jì)算結(jié)果（圖3）一致。

圖9 T6與n2r的關(guān)系

3.2 確定發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)供油邊界的試驗(yàn)研究

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)供油規(guī)律如圖12所示。圖中橫坐標(biāo)為高壓相對(duì)換算轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)為燃油相似參數(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)控制器供油規(guī)律為Wf/P3＝f(n2r)，其中Wf/P3為油量相似參數(shù)。從圖中可見(jiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)供油規(guī)律需設(shè)定在失速喘振邊界和冷懸掛邊界之間才能保證發(fā)動(dòng)機(jī)成功起動(dòng)。

圖12 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)供油規(guī)律

本次試驗(yàn)通過(guò)調(diào)整不同n2r對(duì)應(yīng)的Wf/P3，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下失速。

將發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下失速時(shí)的供油相似參數(shù)點(diǎn)通過(guò)最小二乘法擬合，便組成發(fā)動(dòng)機(jī)的供油邊界，如圖13所示。從圖中可見(jiàn)，與不放氣起動(dòng)供油邊界相比，發(fā)動(dòng)機(jī)放氣起動(dòng)供油邊界的油量相似參數(shù)平均提高9%。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在放氣條件下起動(dòng)，壓氣機(jī)共同工作線下移，為了使壓氣機(jī)共同工作線達(dá)到不放氣起動(dòng)時(shí)的水平，需提高起動(dòng)供油量，如果發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中發(fā)生喘振，需進(jìn)一步提高起動(dòng)供油量，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)放氣起動(dòng)供油邊界提高。從圖12中可見(jiàn)，失速喘振邊界越高，起動(dòng)供油的調(diào)整范圍越大，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)穩(wěn)定裕度也隨之增大，這不僅降低了起動(dòng)供油調(diào)整難度，也提高了發(fā)動(dòng)機(jī)在不同大氣條件下起動(dòng)的成功率。

圖13 發(fā)動(dòng)機(jī)供油邊界

4 結(jié)論

（1）通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)放氣起動(dòng)仿真計(jì)算，得到在放氣量為3%時(shí)，壓氣機(jī)穩(wěn)定裕度比不放氣起動(dòng)時(shí)的提高2%～4%

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)放氣起動(dòng)模擬計(jì)算結(jié)果表明，放氣起動(dòng)排氣溫度高于不放氣起動(dòng)的。

（3）通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)放氣試驗(yàn)初步得到，發(fā)動(dòng)機(jī)放氣起動(dòng)的時(shí)間比不放氣起動(dòng)的長(zhǎng)2s，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程最大排氣溫度提高1.7%，但是放氣起動(dòng)可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的穩(wěn)定性。

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)放氣起動(dòng)邊界比不放氣起動(dòng)邊界平均高9%。

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