萬照云

（中國航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇無錫214063）

微型渦輪噴氣發(fā)動機風車起動特性研究

萬照云

（中國航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇無錫214063）

為研究微小型渦輪噴氣發(fā)動機風車起動的特性，以某微型渦輪噴氣發(fā)動機為原型，通過數(shù)值模擬和試驗研究相結合的方法，研究了其風車起動過程的各種特性。通過試驗研究了丙烷氣點火時間和丙烷氣壓對微型渦噴發(fā)動機轉速以及燃燒室溫度的影響規(guī)律，以在最短時間內使得微型渦噴發(fā)動機轉速和燃燒室溫度滿足可供油燃燒的條件，并確定所需要的丙烷氣最小氣量。結果表明：在本試驗條件下發(fā)動機從起動到慢車狀態(tài)過程中，以先快后慢的供油規(guī)律起動加速時間最短約為82 s；發(fā)動機從慢車到80%全轉速狀態(tài)過程中，實現(xiàn)相對最短加速時間的供油規(guī)律可分為2段，前段供油斜率較大為0.79，后段供油斜率較小為0.14。對其它結構形式和起動過程類似的微小型渦輪噴氣發(fā)動機有一定借鑒作用。

微型發(fā)動機；風車起動；低速特性；點火特性；航空發(fā)動機

0 引言

微型渦輪發(fā)動機（Micro Turbine Engine，MTE）具有質量輕、功率大、能量密度高等優(yōu)點，可作為微小型導彈、無人機、單兵飛行器等空中武器平臺的推進動力裝置，國內外對MTE進行了廣泛研究[1-5]。針對該類飛行器通常采用空中投放或助推器發(fā)射的特點，MTE的起動過程通常采用空中起動方式，因此，研究MTE的空中起動過程對于MTE的工程實用化有著重要意義。

微型渦輪發(fā)動機起動過程相對于大中型渦輪發(fā)動機存在著明顯不同，尤其是風車起動過程有較大差異。常規(guī)大中型渦輪發(fā)動機風車起動僅應用于空中熄火后的再起動過程，而其正常起動過程采用起動機輔助起動方式；微型燃氣渦輪發(fā)動機由于其所需起動功率較小，可采用風車起動方式進行正常起動。國內外對于發(fā)動機風車起動過程有著廣泛研究[6-8]，研究方法主要分為特性計算[9-13]和風洞試驗[14]。其中特性計算方法多由于其計算精度有限、算法復雜，難以推廣應用于微小型渦輪發(fā)動機；而試驗研究方法可以獲得準確且與實際工作相符的發(fā)動機特性[15-17]。

本文主要通過地面試車和3維流場仿真的方法對MTE-A型微型發(fā)動機風車、低轉速、丙烷點火、供油點火等特性進行研究，并順利完成發(fā)動機風車起動整機試驗，為研究微型渦輪發(fā)動機的風車起動過程奠定了基礎。

1 微型發(fā)動機風車起動試驗臺

發(fā)動機的風車狀態(tài)是指在一定的飛行速度下，發(fā)動機獲得一定風車轉速的狀態(tài)。本文只模擬地面常溫條件，對不同來流速度下的微型發(fā)動機風車起動過程進行試驗研究。

試驗裝置結構示意圖如圖1所示，主要由流量管、發(fā)動機、真空泵、調節(jié)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。在試驗過程中，通過真空泵抽氣提供氣源，而通過調節(jié)閥門和通氣旁路，可形成不同的發(fā)動機背壓，從而模擬發(fā)動機不同的來流條件，實現(xiàn)不同的風車狀態(tài)。

圖1 模擬風車起動試驗裝置

在試驗中，對發(fā)動機各截面參數(shù)進行實時監(jiān)測和采集，以獲取發(fā)動機在不同狀態(tài)下的起動特性。其中對發(fā)動機前方未擾動截面（0-0）的靜壓進行測量；對壓氣機出口截面（2-2）、擴壓器出口截面（3-3）和渦輪出口截面（5-5）的總壓進行測量；對擴壓器出口截面（3-3）、燃燒室出口截面（4-4）、渦輪出口截面（5-5）、噴管出口截面（9-9）和后方未擾動截面（11-11）的總溫進行測量。

2 供油點火起動特性

2.1 微型渦噴發(fā)動機丙烷點火特性

針對4個風車轉速，即4種不同來流速度條件進行丙烷點火試驗。對于同1種來流條件，均針對8種丙烷氣量進行丙烷點火試驗研究，不同丙烷氣量通過調節(jié)供氣壓力獲得。丙烷供氣壓力與丙烷流量的對應關系見表1。

表1 丙烷氣瓶壓力與對應的丙烷流量

試驗結果表明，在某一來流速度條件下，丙烷濃度過小或過大均會導致無法可靠點火；隨著來流速度的增大，能夠可靠點火的丙烷濃度范圍變窄；當流速增大到某一值時，丙烷無法成功點火。通過對4種來流條件下丙烷點火特性試驗結果的統(tǒng)計，獲得了風車條件下丙烷能夠可靠點火的包線，如圖2所示。從圖中可見，對于MTE-A微型發(fā)動機，在風車條件下，能夠可靠進行丙烷點火的來流速度范圍為5～10.33 m/s，丙烷濃度范圍為0.5%～1.34%。只有當來流速度和丙烷濃度值位于丙烷可靠點火包線內，發(fā)動機才能可靠地進行丙烷點火。

圖2 風車條件下丙烷可靠點火包線

圖2同時表明，隨著來流速度增大，能夠可靠丙烷點火需要的最小丙烷濃度會先增大后減小。這是因為隨著來流速度的增大，氣流在燃燒室的駐留時間減少，因而要求燃燒室中具有更高的丙烷濃度才能可靠點火，所以最小丙烷濃度會增大，同時點火越來越困難，可靠點火范圍變窄；但隨著來流速度進一步增大，發(fā)動機流量會急劇增加，其流量增大的速度遠大過了丙烷可靠點火所需丙烷流量，因而丙烷點火需要的最小丙烷濃度又會減小。

2.2 微型渦輪發(fā)動機供油點火特性

當微型渦輪發(fā)動機丙烷點火成功并將燃燒室加熱到一定的預熱溫度，發(fā)動機轉速進一步提高、空氣流量進一步增大后，發(fā)動機可進行供油點火。供油點火起動過程是發(fā)動機風車起動過程的關鍵，供油起動過程的影響因素是研究供油點火起動過程的關鍵。

影響供油點火起動過程的關鍵因素有燃燒室入流速度、燃燒室油氣比、燃燒室入流總溫總壓等。燃燒室入流速度主要由發(fā)動機幾何結構和風車來流條件決定，對于特定的微型渦輪發(fā)動機，當來流總溫和總壓一定時，其燃燒室入流速度與來流速度一一對應。供油點火階段燃燒室油氣比為供入燃燒室燃油量和流經燃燒室空氣量的比值，由于發(fā)動機空氣流量主要由發(fā)動機轉速決定，因而發(fā)動機供油點火受到初始供油量和點火轉速的影響。在來流總溫總壓一定的情況下，發(fā)動機點火轉速也決定了流入燃燒室的總溫和總壓。故發(fā)動機供油點火起動過程受到來流條件、初始供油量、點火轉速的影響。

微型渦輪發(fā)動機的起動方式與常規(guī)發(fā)動機起動過程有所不同，即在供油點火起動之前，發(fā)動機需要先進行丙烷點火起動，預熱燃燒室，將燃油蒸發(fā)霧化，當燃燒室預熱到一定溫度、發(fā)動機空氣流量達到一定水平時，燃氣會在丙烷燃燒的火焰區(qū)直接燃燒，從而實現(xiàn)供油點火起動，無需再使用點火器進行點火。當燃燒室預熱溫度過低，燃油無法完全蒸發(fā)霧化時，發(fā)動機無法順利點火，故微型渦輪發(fā)動機供油點火起動過程還受到丙烷點火起動后燃燒室預熱效果的影響。為了研究來流條件和初始供油量對發(fā)動機供油點火的影響，在4種不同的來流條件下，每種來流條件下給定9種不同的供氣和供油量，分別進行供油點火試驗，對試驗中各工況下的丙烷供氣量、供油量，各氣動截面的溫度壓力數(shù)據(jù)、發(fā)動機實時監(jiān)控數(shù)據(jù)進行采集，對點火成功性進行記錄。試驗條件參數(shù)見表2。

試驗結果表明，對于某一來流速度條件，燃燒室油氣比過小或過大均會導致無法可靠點火；隨著來流速度的增大，能夠可靠點火的油氣比范圍變窄；當流速增大到某一值時，燃油無法成功點火。通過對4種來流條件下供油點火特性試驗結果的統(tǒng)計，獲得了微型渦輪發(fā)動機在風車條件下燃油能夠可靠點火的包線，如圖3所示。從圖中可見，對于MTE-A微型發(fā)動機，在風車條件下，能夠可靠進行丙烷點火的來流速度范圍為3.6～10.33 m/s，油氣比范圍為2.38%～7.78%。只有當來流速度和油氣比值位于丙烷可靠點火包線內，發(fā)動機才能可靠地進行供油點火。

表2 供油點火工況及參數(shù)

圖3 微型渦輪發(fā)動機供油點火包線

3 風車起動過程優(yōu)化

在分別研究獲得發(fā)動機風車階段、丙烷起動階段和供油起動階段相關特性和各階段點火起動參數(shù)范圍的基礎上，還對發(fā)動機從0轉速到80%全轉速過程的各階段進行優(yōu)化。通過風車至供油點火過程中的起動參數(shù)的優(yōu)化，可優(yōu)選出各階段最優(yōu)的點火起動參數(shù)；通過對供油點火成功后發(fā)動機的加速過程進行優(yōu)化，可獲取在本試驗條件下該加速過程的最優(yōu)供油規(guī)律；通過對整個風車起動過程的加速時間進行優(yōu)化，能大大縮短發(fā)動機起動加速時間。

3.1 風車階段和丙烷起動階段優(yōu)化

分別在發(fā)動機進口速度為4.52、6.51和8.29 m/s下進行風車試驗，分別獲得了動機從0轉速到風車平衡轉速的發(fā)動機轉速變化規(guī)律，如圖4所示。由圖中可見，發(fā)動機進口速度越大，發(fā)動機達到風車平衡轉速的時間越短。在發(fā)動機進口速度為4.52、6.51和8.29 m/s下，發(fā)動機達到風車平衡轉速的時間分別為15、18和26 s，在不同發(fā)動機進口速度條件下，風車階段加速時間最多可縮短42%。在發(fā)動機進口速度為4.52 m/s下，發(fā)動機不能進行丙烷點火，考慮風車階段加速時間的最短，選取在本試驗條件下發(fā)動機進口速度最優(yōu)值為6.51 m/s。

圖4 不同來流速度下發(fā)動機轉速隨時間變化關系

不同發(fā)動機進口速度對丙烷點火起動的影響如圖5所示。從圖中可見，在發(fā)動機進口速度分別為7.6、11.3和12.5 m/s時，發(fā)動機進行丙烷點火起動后可實現(xiàn)的平衡轉速分別達到7740、8220和9300 r/min。不同發(fā)動機進口速度對發(fā)動機丙烷起動階段加速時間也有影響，在本試驗條件下，當發(fā)動機進口速度為11.3 m/s時，其丙烷起動加速時間相對較短，約為13 s，較發(fā)動機進口速度為7.6 m/s時加速時間可縮短53%。

圖5 不同發(fā)動機進口速度對丙烷點火起動的影響

由供油點火特點可知，在丙烷點火成功并起動至供油點火轉速后，發(fā)動機初始供油量對發(fā)動機供油點火成功性基本沒有影響，即在不同的初始供油量條件下，發(fā)動機都能完成供油點火?？紤]當初始供油量較大，其燃燒室富油情況更為嚴重，燃燒室點火初始溫度和排氣初始溫度均會較高，不利于發(fā)動機正常運轉。因而對發(fā)動機初始供油量進行優(yōu)選，獲得在本試驗條件下發(fā)動機最優(yōu)初始供油量為0.56 g/s。

綜合以上分析，在本文試驗條件下對發(fā)動機風車階段、丙烷起動階段和供油起動階段進行優(yōu)化，優(yōu)選獲得了1套發(fā)動機風車到供油點火過程中的最優(yōu)點火起動參數(shù)，同時在本試驗條件下優(yōu)化得到了最優(yōu)的風車起動過程。當丙烷點火來流為6.51 m/s，丙烷點火轉速為3360 r/min，丙烷供氣量為0.125 g/s，供油點火發(fā)動機進口速度為11.3 m/s，初始供油量為0.56 g/s下進行風車起動，發(fā)動機可達到最優(yōu)的點火起動狀態(tài)。在本試驗條件下的風車階段和丙烷起動階段，發(fā)動機起動加速時間可分別相對縮短42%和53%。

3.2 風車起動供油規(guī)律研究

在發(fā)動機進口速度條件、丙烷壓力、丙烷流量和點火轉速等條件相同時，對發(fā)動機進行點火起動試驗，起動后分別以均勻加速、先慢后快、先快后慢的加速特點供油，以獲取不同供油規(guī)律對發(fā)動機供油起動過程的影響。試驗參數(shù)見表3。

表3 不同供油規(guī)律試驗參數(shù)

在不同供油規(guī)律下發(fā)動機轉速隨時間變化關系如圖6所示。在3種供油規(guī)律下發(fā)動機起動過程相同，但加速時間各異，其中均勻加速時加速最慢，加速斜率最小，從供油點火成功到慢車狀態(tài)加速時間為130 s,平均加速度為350 rad/s；在先慢后快的供油規(guī)律下，發(fā)動機加速更快一點，從供油點火到慢車狀態(tài)加速時間為90 s，平均加速度為300 rad/s；而在先快后慢的供油規(guī)律下，發(fā)動機加速最快，從供油點火到慢車狀態(tài)加速時間為80 s,平均加速度為320 rad/s。

在發(fā)動機從起動到慢車階段過程中，B種供油規(guī)律條件下加速時間相對最短，即該階段最優(yōu)控制規(guī)律為供油斜率先大后小、供油先快后慢。因而在本試驗條件下發(fā)動機相對最短加速時間約為82 s，相比于A種供油規(guī)律下加速時間可縮短約36%。

圖6 不同供油規(guī)律下轉速隨時間變化關系

3.3 慢車以上階段優(yōu)化

在發(fā)動機進入慢車狀態(tài)后，對發(fā)動機以不同的供油規(guī)律進行自動供油，完成發(fā)動機從慢車到80%全轉速的試驗。在4種不同供油規(guī)律下，發(fā)動機加速過程的轉速隨時間變化如圖7所示。在4種不同供油規(guī)律下，發(fā)動機由慢車到80%全轉速過程中其轉速隨時間的變化基本為線性增加，但增加的斜率各不相同，發(fā)動機加速時間分別為10、17、75和150 s。同時也進一步說明發(fā)動機在加速過程中，最大可實現(xiàn)6500 rad/s的加速度。

圖7 不同加速過程發(fā)動機轉速隨時間變化關系

通過對比4種不同供油規(guī)律下發(fā)動機從慢車加速到80%全轉速狀態(tài)的試驗結果可知，發(fā)動機在10 s供油規(guī)律下加速時間相對最短，即相對最優(yōu)的供油規(guī)律分為2段加速，前段供油斜率較大為0.79，后段供油斜率較小為0.14。在此供油規(guī)律下發(fā)動機加速時間相比于150 s加速狀態(tài)下加速時間可縮短93%。

4 結論

本文對MTE-A型微型發(fā)動機風車起動過程中風車特性、丙烷點火特性、供油點火特性進行研究，獲得如下結論：

（1）以發(fā)動機風車特性為基礎，在不同來流條件下對發(fā)動機進行丙烷點火特性研究，獲得丙烷點火包線和熄火邊界。在風車條件下，能夠可靠進行丙烷點火的來流速度范圍為5～10.33 m/s，丙烷濃度范圍為0.502%～1.343%；發(fā)動機丙烷不熄火的來流速度范圍為5～25 m/s，最低濃度邊界為0.12%，最大丙烷濃度邊界為14.4%。

（2）通過對發(fā)動機風車階段、丙烷點火階段、供油點火階段的特性進行研究，獲得發(fā)動機風車起動過程各影響參數(shù)的邊界范圍，從而選取1套合理的風車起動參數(shù)，并以此成功進行風車起動試驗，將發(fā)動機運行至慢車狀態(tài)，同時驗證了各影響參數(shù)選取的合理性。

（3）通過對發(fā)動機風車起動加速過程中的供油規(guī)律進行優(yōu)化，獲得了在試驗條件下的最優(yōu)供油規(guī)律。在發(fā)動機從起動到慢車階段過程中，發(fā)動機以供油斜率先大后小、供油先快后慢的供油規(guī)律加速，獲得相對最短的加速時間，即相對最優(yōu)的供油規(guī)律為先快后慢。在發(fā)動機從慢車到80%全轉速狀態(tài)過程中，發(fā)動機在10 s供油規(guī)律下加速時間相對最短，即相對最優(yōu)的供油規(guī)律分為2段加速，前段供油斜率較大為0.79，后段供油斜率較小為0.14。

（4）在研究過程中，描述MTE-A的相關起動規(guī)律的參數(shù)為無量綱參數(shù)，與發(fā)動機幾何尺寸無關，根據(jù)相似原則，研究中獲得的相關結論對其它結構形式和起動過程類似的微小型渦輪噴氣發(fā)動機有一定借鑒作用。

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Study on Micro Turboengine Windmill Starting Characteristics

WAN Zhao-yun
（AECC Aero Engine Control System Institute,Wuxi Jiangsu 214063）

Based on a micro turbojet engine prototype and by the method of numerical simulation and experiment,the starting characteristics of micro turbojet engine windmilling were studied in this paper.Based on experiment,the influences of propane ignition time and propane pressure upon engine rotation speed and combustion chamber temperature were studied to meet the demand of combustion in the shortest possible time,as well as confirmed the minimum required propane.Further experiments show that in the experimental conditions of the engine from the start state to the idle state,the process to slow down after the oil law shortest start acceleration time can be about 82 s.Eighty percent of the engine from idle to full speed during the state to achieve the shortest relative acceleration time for oil law can be divided into two sections,the front slope of the larger oil supply is 0.79,while the final part slope of the smaller oil supply is 0.14.It can be well referenced by other micro turbojet engines which have similar structure and starting process

micro engine;windmill starting;low speed characteristic;ignition characteristic；aeroengine

V 235.11

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.06.005

2016-03-01基金項目：國家重大基礎研究項目資助

萬照云（1987），男，碩士，工程師，主要從事發(fā)動機控制方面工作；E-mail：xgdwanzhaoyun@163.com。

萬照云.微型渦輪噴氣發(fā)動機風車起動特性研究[J].航空發(fā)動機，2016,42（6）：30-35.WAN Zhaoyun.Study on micro turboen gine windmill starting characteristics[J].Aeroengine，2016,42（6）：30-35.

（編輯：栗樞）