苗禾狀，嚴(yán)文潔，張曉飛

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089)

高原條件對(duì)航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能影響分析

苗禾狀，嚴(yán)文潔，張曉飛

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089)

摘要：介紹了航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)原理及特點(diǎn)，分析了高原條件對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)地面啟動(dòng)的影響，并以某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高原啟動(dòng)為例，通過(guò)與其正常啟動(dòng)性能比較，給出了高原條件對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)地面啟動(dòng)的影響及相應(yīng)的調(diào)整措施，為渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行高原啟動(dòng)提供參考。

關(guān)鍵詞：渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)；地面啟動(dòng)；高原條件；調(diào)整措施

1引言

啟動(dòng)是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)非常重要的瞬態(tài)過(guò)程。對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)的要求是：在高壓壓氣機(jī)不喘振和渦輪前排氣溫度不超溫的條件下，在允許的時(shí)間內(nèi)按照設(shè)計(jì)的啟動(dòng)和供油規(guī)律使主燃燒室點(diǎn)燃，并能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子加速至慢車狀態(tài)。隨著機(jī)場(chǎng)海拔高度的增加，大氣環(huán)境壓力降低，空氣密度減小，導(dǎo)致進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量比平原地區(qū)的明顯減少。在啟動(dòng)時(shí)，受設(shè)計(jì)給定供油規(guī)律等限制，極易造成富油燃燒、發(fā)動(dòng)機(jī)超溫等問(wèn)題，影響發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的成功率。為了能充分考核渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在其啟動(dòng)包線內(nèi)的高原啟動(dòng)能力，GJB243A-2004《航空燃?xì)鉁u輪動(dòng)力裝置飛行試驗(yàn)要求》5.1.2.4.1節(jié)中b)項(xiàng)要求“在海平面至規(guī)定的發(fā)動(dòng)機(jī)地面啟動(dòng)高度區(qū)間，選擇不同標(biāo)高機(jī)場(chǎng)進(jìn)行地面啟動(dòng)試驗(yàn)”[1]。

本文介紹了航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)原理及特點(diǎn)，分析了高原條件對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)地面啟動(dòng)的影響，并以某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為例，通過(guò)與其正常啟動(dòng)性能比較分析，最后給出高原條件對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)地面啟動(dòng)的影響及相應(yīng)調(diào)整措施，為渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行高原啟動(dòng)提供參考。

2渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)地面啟動(dòng)

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)地面啟動(dòng)是指在地面啟動(dòng)控制系統(tǒng)下，使發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)加速至慢車狀態(tài)的非穩(wěn)定瞬態(tài)過(guò)程。這時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)必須依靠外界提供啟動(dòng)時(shí)所需動(dòng)力，因?yàn)檫@時(shí)沒(méi)有相對(duì)氣流流過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)，如果此時(shí)向主燃燒室供油點(diǎn)火，只能將發(fā)動(dòng)機(jī)燒損而不會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。只有使轉(zhuǎn)子加速至一定合適的轉(zhuǎn)速后，燃燒室內(nèi)的氣流才能提供穩(wěn)定燃燒時(shí)所需的壓力和溫度。因此，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)地面啟動(dòng)時(shí)必須依靠啟動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力源來(lái)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子至啟動(dòng)點(diǎn)火時(shí)所需的合適轉(zhuǎn)速。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)地面啟動(dòng)一般包含以下3個(gè)階段，如圖1所示[2]。

圖1　啟動(dòng)3個(gè)階段-啟動(dòng)功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系注：圖中，NK為啟動(dòng)時(shí)壓氣機(jī)消耗所需功率，NC為啟動(dòng)機(jī)輸出功率(陰影區(qū)域?yàn)榭朔簹鈾C(jī)所需功率NK后的啟動(dòng)機(jī)的剩余功率)，NT為燃?xì)鉁u輪發(fā)出的功率。

第Ⅰ階段(即冷運(yùn)轉(zhuǎn)階段)：從啟動(dòng)機(jī)開始帶動(dòng)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速至可以向主燃燒室供油、點(diǎn)火(即渦輪開始輸出功率)，啟動(dòng)機(jī)輸出功率可以帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子加速至點(diǎn)火轉(zhuǎn)速n1。

第Ⅱ階段(即啟動(dòng)機(jī)與渦輪共同輸出功率帶轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子加速階段)：從渦輪輸出功率(即主燃燒室開始供油點(diǎn)火時(shí))到啟動(dòng)機(jī)完全脫開，轉(zhuǎn)速n1加速至n2。當(dāng)轉(zhuǎn)子加速至超過(guò)最小平衡轉(zhuǎn)速nmin(NT=NK)后，渦輪輸出功率將大于壓氣機(jī)所消耗的功率，此時(shí)啟動(dòng)機(jī)可以完全脫開，不需要繼續(xù)帶轉(zhuǎn)，但有時(shí)為提高啟動(dòng)的可靠性和縮短轉(zhuǎn)子后半段的加速時(shí)間，啟動(dòng)機(jī)還將繼續(xù)帶轉(zhuǎn)一會(huì)兒，與渦輪共同做功，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子帶轉(zhuǎn)至轉(zhuǎn)速n2，再脫開。

第Ⅲ階段(即渦輪單獨(dú)做功帶動(dòng)核心機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速加速至慢車狀態(tài))：從啟動(dòng)機(jī)完全脫開至核心機(jī)轉(zhuǎn)子加速至慢車狀態(tài)，該過(guò)程單獨(dú)由渦輪輸出剩余功率△NT(△NT=NT-NK)將轉(zhuǎn)子帶轉(zhuǎn)至慢車轉(zhuǎn)速。該階段渦輪輸出功率和壓氣機(jī)所消耗功率達(dá)到平衡，即NT=NK，最終發(fā)動(dòng)機(jī)在慢車轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，啟動(dòng)成功。

3高原條件對(duì)航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的影響

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高原啟動(dòng)的主要問(wèn)題是啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)(甚至超出指標(biāo)要求)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子超轉(zhuǎn)、啟動(dòng)機(jī)或主機(jī)排氣溫度超溫和啟動(dòng)可靠性差。高原條件的特點(diǎn)主要是氣壓低、空氣密度小，以小型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)作為啟動(dòng)機(jī)或由輔助動(dòng)力裝置引氣吹動(dòng)燃?xì)鉁u輪作啟動(dòng)機(jī)時(shí)，由于較平原正常啟動(dòng)時(shí)吸入發(fā)動(dòng)機(jī)或啟動(dòng)機(jī)的空氣質(zhì)量流量變小，進(jìn)而啟動(dòng)機(jī)功率顯著降低，增加了啟動(dòng)過(guò)程中第Ⅰ階段和第Ⅱ階段的轉(zhuǎn)子加速時(shí)間；在啟動(dòng)過(guò)程中的第Ⅲ階段，由于主機(jī)的進(jìn)氣量變小，導(dǎo)致了其燃燒室內(nèi)的燃燒條件變差，進(jìn)而使渦輪剩余功率變小，使發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子加速度變慢，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間。如果沒(méi)有合理有效的措施，在海拔3500m以上，一般發(fā)動(dòng)機(jī)可能會(huì)由于啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)而導(dǎo)致啟動(dòng)失敗[3]。

在啟動(dòng)過(guò)程中，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室燃油供油量，一般由轉(zhuǎn)子加速過(guò)程供油規(guī)律和轉(zhuǎn)速控制器同時(shí)控制，并與燃油流量控制器和啟動(dòng)放油電磁活門配合控制啟動(dòng)供油量。在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的第Ⅰ階段，燃油不進(jìn)入主機(jī)，而是經(jīng)燃油流量控制器后，再經(jīng)啟動(dòng)供油電磁活門等回到燃油低壓系統(tǒng)，導(dǎo)致氣壓式啟動(dòng)控制器調(diào)節(jié)的供油量不能適應(yīng)高原環(huán)境的變化，進(jìn)而導(dǎo)致啟動(dòng)過(guò)程中排氣溫度高。在渦扇啟動(dòng)過(guò)程中的第Ⅱ階段，由于發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小，轉(zhuǎn)速控制器不能對(duì)主燃燒室供油量進(jìn)行控制，這時(shí)膜盒組件對(duì)供油量進(jìn)行控制。由于高原環(huán)境壓力的變化，使膜盒組件難以合理準(zhǔn)確地控制啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的供油量，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)超溫現(xiàn)象。

4某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高原啟動(dòng)研究

4.1發(fā)動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)特性

現(xiàn)以某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)某次正常地面啟動(dòng)來(lái)分析其正常啟動(dòng)特性。平原啟動(dòng)典型歷程曲線如圖2所示，啟動(dòng)時(shí)，大氣壓力為P0=95.32kPa、大氣溫度為25℃。對(duì)該渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程3個(gè)階段進(jìn)行分析，從圖中可以看出：I階段：油泵不向發(fā)動(dòng)機(jī)供油，啟動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，但轉(zhuǎn)子速度上升約n2=16%時(shí)，為了確保可靠點(diǎn)火，產(chǎn)生了一個(gè)可調(diào)節(jié)的急增油量，并持續(xù)一段時(shí)間。II階段：在轉(zhuǎn)子達(dá)到啟動(dòng)機(jī)脫開轉(zhuǎn)速約為n2=53%之前，啟動(dòng)機(jī)和渦輪同時(shí)工作。Ⅲ階段：脫開啟動(dòng)機(jī)之后發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)立工作，由渦輪將轉(zhuǎn)子增速至慢車轉(zhuǎn)速。隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，由于燃油流量的主要限制來(lái)自于壓氣機(jī)的氣動(dòng)穩(wěn)定裕度，但供油壓力也隨高壓壓氣機(jī)增壓能力上升而增加，排氣溫度增加，啟動(dòng)過(guò)程中渦輪后最高排氣溫度為600℃左右，啟動(dòng)時(shí)間為50s左右。

圖2　某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)典型歷程圖

4.2高原啟動(dòng)

該渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在標(biāo)高3000m以上的高原機(jī)場(chǎng)進(jìn)行啟動(dòng)檢查，場(chǎng)壓約為P0=63.5kPa～64.1kPa、大氣溫度范圍為8.9℃～21.4℃。此次高原啟動(dòng)期間，發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中參數(shù)變化平穩(wěn)，未出現(xiàn)轉(zhuǎn)速懸掛、喘振等異常情況，典型歷程曲線見圖3。此次啟動(dòng)時(shí)，大氣壓力約為P0=63.7kPa、大氣溫度約為21.4℃。

圖3　某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高原啟動(dòng)典型歷程圖

從圖3中可以看出：I階段：?jiǎn)?dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)加速，但轉(zhuǎn)子速度上升至約為n2=14%時(shí)開始點(diǎn)火，此時(shí)沒(méi)有達(dá)到點(diǎn)火轉(zhuǎn)速(按設(shè)計(jì)點(diǎn)火時(shí)間進(jìn)行)；II階段：在轉(zhuǎn)子達(dá)到啟動(dòng)機(jī)脫開轉(zhuǎn)速約為n2=50%之前(按設(shè)計(jì)啟動(dòng)機(jī)脫開時(shí)間進(jìn)行)，啟動(dòng)機(jī)和渦輪同時(shí)工作；Ⅲ階段：脫開啟動(dòng)機(jī)之后發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)立工作，由渦輪將轉(zhuǎn)子增速至慢車轉(zhuǎn)速，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，啟動(dòng)過(guò)程中渦輪后最高排氣溫度為650℃左右，啟動(dòng)時(shí)間為70s左右。在高原啟動(dòng)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)切油現(xiàn)象比較明顯(控制器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)超溫保護(hù)，最多切油5次)，典型歷程曲線見圖4。

圖4　高原啟動(dòng)切油保護(hù)歷程曲線

4.3高原啟動(dòng)與正常啟動(dòng)比較

從圖2和圖3比較來(lái)看，在環(huán)境溫度基本相當(dāng)?shù)那闆r下，高原條件下該渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)較正常啟動(dòng)，點(diǎn)火時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低(高原條件下都是在達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定點(diǎn)火時(shí)間進(jìn)行點(diǎn)火)，導(dǎo)致了進(jìn)入啟動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量變小，使主機(jī)燃燒條件變得惡化，進(jìn)而使啟動(dòng)機(jī)和主機(jī)的渦輪功率變小，使剩余功率也隨著減小。因此，在高原啟動(dòng)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓轉(zhuǎn)子的速度變小，導(dǎo)致了高原啟動(dòng)一般是先到設(shè)計(jì)規(guī)定的啟動(dòng)機(jī)脫開時(shí)間后再脫開啟動(dòng)機(jī)，上述分析導(dǎo)致了高原啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。

此外，由于高原啟動(dòng)時(shí)未對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)整(即啟動(dòng)時(shí)，仍按正常啟動(dòng)的供油規(guī)律來(lái)供油)，高原條件下空氣密度較低，使得發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口吸入的空氣質(zhì)量流量減少，燃燒室余氣系數(shù)變低，導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)主機(jī)燃燒室出口燃?xì)鉁囟茸兏?，控制器根?jù)啟動(dòng)過(guò)程中溫升情況，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行超溫切油保護(hù)。

5建議措施

通過(guò)高原條件對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的影響和對(duì)某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高原啟動(dòng)特點(diǎn)與正常啟動(dòng)比較，建議采用以下措施來(lái)提高渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高原啟動(dòng)的成功率：

(1)提高發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)機(jī)功率和增加其工作穩(wěn)定性。通過(guò)適當(dāng)提高渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)機(jī)的排氣溫度的方式，來(lái)提高其啟動(dòng)機(jī)的功率。采取合理措施對(duì)啟動(dòng)機(jī)進(jìn)口進(jìn)行增壓和補(bǔ)氧，增大啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)氧量，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)機(jī)功率，進(jìn)而提高啟動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性。

(2)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。

(3)對(duì)啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，主要包括對(duì)高原條件啟動(dòng)過(guò)程中主機(jī)燃油供油壓力的調(diào)整等措施。但是，如果主機(jī)供油量調(diào)整不合適，會(huì)對(duì)燃燒室混合氣的余氣系數(shù)和渦輪前燃?xì)鉁囟犬a(chǎn)生較大的影響，極易產(chǎn)生高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速懸掛。如果在啟動(dòng)過(guò)程中，主機(jī)壓氣機(jī)發(fā)生失速，則會(huì)引起壓氣機(jī)所需功率增大，也極有可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速懸掛。

(4)在高原條件啟動(dòng)時(shí)，如果啟動(dòng)前發(fā)動(dòng)機(jī)主機(jī)排氣溫度較高(均在100℃以上)，導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)排氣溫度上升比較快，調(diào)節(jié)器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)超溫保護(hù)，極易將發(fā)動(dòng)機(jī)切停(典型歷程曲線見圖4)。在上述條件下再次進(jìn)行啟動(dòng)前，建議對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷吹。

6結(jié)論

高原環(huán)境條件對(duì)航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能有較大的影響。為充分考核渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)能力，按相關(guān)規(guī)定對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行相關(guān)高原啟動(dòng)檢查是十分必要的。根據(jù)高原環(huán)境條件對(duì)某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的影響，通過(guò)與該發(fā)動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)燃油供油量、提高啟動(dòng)機(jī)功率、減少啟動(dòng)過(guò)程中飛機(jī)功率提取負(fù)載等措施，來(lái)提高航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在高原條件下啟動(dòng)的成功率。

參考文獻(xiàn)

[1]李文峰,王永生,雷震,等.某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高原啟動(dòng)試驗(yàn)研究[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2003,18(5):599-603.

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Analysis on Influences of Plateau Condition on Starting Performance of Turbofan Engine

Miao Hezhuang,Yan Wenjie,Zhang Xiaofei

(Chinese Flight Test Establishment,Xi′an 710089,Shanxi,China)

Abstract：The starting principle and characteristics of turbofan engine of aircraft are introduced in the paper,and the influences of plateau condition on the starting of turbofan engine on the ground are analyzed.Taking the starting of a turbofan engine on plateau condition as an example,the starting performance is compared with the normal starting performance,and the influences of the plateau condition on the starting of turbofan engine and the corresponding adjustment measurements are proposed,which provides a reference for the starting of turbofan engine in plateau condition.

Keywords:turbofan engine；ground starting；plateau condition；adjustment measurement

[收稿日期]2016-02-29

[作者簡(jiǎn)介]苗禾狀(1984—)，男，遼寧本溪人，碩士，工程師，主要從事航空動(dòng)力裝置性能特性試飛研究工作。

中圖分類號(hào)：V235.13

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.01.016