陳 立，羅載奇

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500)

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車(chē)起動(dòng)點(diǎn)火匹配研究

陳 立，羅載奇

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500)

針對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在高空狀態(tài)的風(fēng)車(chē)起動(dòng)點(diǎn)火失敗情況進(jìn)行了原因分析和油氣匹配研究。通過(guò)分析影響風(fēng)車(chē)起動(dòng)點(diǎn)火的主要因素，找出了點(diǎn)火失敗的原因是點(diǎn)火油氣不匹配，偏離了燃燒室可靠點(diǎn)火的余氣系數(shù)邊界。在油氣匹配研究的基礎(chǔ)上，提出了調(diào)整點(diǎn)火油氣比的解決措施，并在高空臺(tái)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證表明：該渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車(chē)起動(dòng)點(diǎn)火失敗的分析評(píng)估方法和解決措施合理可行，可為同類(lèi)型發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車(chē)起動(dòng)點(diǎn)火匹配設(shè)計(jì)和評(píng)估提供參考。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；風(fēng)車(chē)起動(dòng)；燃油霧化；點(diǎn)火匹配；起動(dòng)控制；余氣系數(shù)

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車(chē)起動(dòng)是指發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車(chē)、燃燒室熄火或不工作后，發(fā)動(dòng)機(jī)在空氣動(dòng)力、轉(zhuǎn)子慣性和阻力矩的共同作用下，在不低于最低風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速的情況下，經(jīng)過(guò)燃燒室再點(diǎn)火，并且能夠成功加速到空中慢車(chē)狀態(tài)的過(guò)程[1]。風(fēng)車(chē)起動(dòng)的第一步即是點(diǎn)火，而燃燒室風(fēng)車(chē)狀態(tài)點(diǎn)火是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，受到發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車(chē)特性、壓氣機(jī)特性、燃燒室進(jìn)口參數(shù)、點(diǎn)火能量、燃燒室余氣系數(shù)、燃油霧化特性等諸多因素的綜合影響[2-3]，若匹配不當(dāng)很可能出現(xiàn)點(diǎn)火失敗。目前國(guó)內(nèi)對(duì)風(fēng)車(chē)起動(dòng)點(diǎn)火問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)研究，楊萍等[4]用計(jì)算和圖解的方法來(lái)確定空中起動(dòng)點(diǎn)火邊界，馮延光等[5]研究了提高發(fā)動(dòng)機(jī)高空點(diǎn)火性能的方法，田金虎等[6]通過(guò)試驗(yàn)探究了不同燃油急增方案對(duì)點(diǎn)火特性的影響，閻巍等[7]研究了漸進(jìn)式供油提高點(diǎn)火性能的方法。但長(zhǎng)期以來(lái)，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車(chē)起動(dòng)空中點(diǎn)火都是一個(gè)難題，缺乏系統(tǒng)性研究。

本文針對(duì)某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)中出現(xiàn)的風(fēng)車(chē)起動(dòng)點(diǎn)火失敗問(wèn)題，開(kāi)展了原因分析及風(fēng)車(chē)起動(dòng)點(diǎn)火油氣匹配研究，提出了相應(yīng)的油氣匹配方案，并在后續(xù)進(jìn)行的高空風(fēng)車(chē)起動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證中取得了較為滿意的效果。該方法具有工程參考價(jià)值，可為其他航空發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)點(diǎn)火匹配研究提供參考。

2 風(fēng)車(chē)起動(dòng)點(diǎn)火失敗概述

該渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在高空臺(tái)進(jìn)行了高度H=5 km、表速Vb=500 km/h的FS01風(fēng)車(chē)起動(dòng)試驗(yàn)，和H=5 km、Vb=700 km/h的FS02、FS03風(fēng)車(chē)起動(dòng)試驗(yàn)。3次風(fēng)車(chē)起動(dòng)試驗(yàn)點(diǎn)火電壓、電流正常，風(fēng)車(chē)狀態(tài)參數(shù)調(diào)節(jié)正常，風(fēng)車(chē)點(diǎn)火轉(zhuǎn)速正常，供往燃燒室的燃油符合給定要求，但出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不上升、發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪出口溫度T6不上升等現(xiàn)象，均點(diǎn)火失敗。各次風(fēng)車(chē)起動(dòng)過(guò)程主要點(diǎn)火參數(shù)見(jiàn)圖1，圖中Nc為壓氣機(jī)相對(duì)物理轉(zhuǎn)速。

圖1 各次風(fēng)車(chē)起動(dòng)T6和Nc曲線Fig.1 T6andNccurve of all windmilling starting

3 點(diǎn)火失敗原因分析與匹配研究

3.1 點(diǎn)火機(jī)理

風(fēng)車(chē)起動(dòng)點(diǎn)火過(guò)程是指發(fā)動(dòng)機(jī)在風(fēng)車(chē)狀態(tài)下，采用電火花或其他點(diǎn)火熱源將周?chē)挠蜌饣旌衔稂c(diǎn)燃，再傳焰到整個(gè)燃燒室的過(guò)程。該渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室點(diǎn)火采用的是電點(diǎn)火方式，點(diǎn)火系統(tǒng)產(chǎn)生高能電火花，直接點(diǎn)燃燃燒室油氣混合氣。其點(diǎn)火過(guò)程大致可分為以下三個(gè)階段：

(1)通過(guò)點(diǎn)火電嘴產(chǎn)生的高能電火花將附近的油氣混合氣點(diǎn)燃，形成一個(gè)熱氣體核心，這個(gè)階段主要取決于電嘴的工作能力；

(2)熱氣體核心將周?chē)挠蜌饣旌衔稂c(diǎn)燃，形成一個(gè)具有足夠大小和溫度的火焰核心，這個(gè)階段主要取決于點(diǎn)火能量和持續(xù)時(shí)間，也取決于點(diǎn)火噴嘴附近混合氣濃度和紊流度；

(3)火焰隨即從這個(gè)核心傳到整個(gè)燃燒區(qū)，與火焰筒頭部的氣流結(jié)構(gòu)和濃度分布密切相關(guān)。

3.2 點(diǎn)火失敗原因分析

發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車(chē)起動(dòng)點(diǎn)火失敗的原因有多方面，結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)具體情況，排除了啟封不徹底、燃油中摻雜有滑油等情況?，F(xiàn)針對(duì)幾個(gè)主要可能原因進(jìn)行分析，圖2列出了點(diǎn)火失敗故障樹(shù)。其中，經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)后分解檢查和試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，可排除點(diǎn)火電嘴積碳、燃油噴嘴面積變化、空氣流量偏差較大等問(wèn)題。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車(chē)起動(dòng)點(diǎn)火失敗故障樹(shù)Fig.2 The fault tree of windmilling starting ignition failure of the engine

3.2.1 點(diǎn)火能量分析

一般來(lái)說(shuō)，點(diǎn)火能量越大，點(diǎn)火范圍越寬。點(diǎn)火過(guò)程的第一階段就是要形成一個(gè)足夠大、溫度足夠高的火花核心，此熱核心的放熱率要大于輻射換熱和紊流擴(kuò)散的散熱率。當(dāng)點(diǎn)火能量較小時(shí)，隨著點(diǎn)火能量的增加，點(diǎn)火性能改善，但點(diǎn)火能量增加到一定程度后，對(duì)點(diǎn)火性能的改善并不大，反而增加了點(diǎn)火器質(zhì)量[2，4]。

該發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車(chē)起動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，點(diǎn)火裝置的點(diǎn)火電壓和點(diǎn)火電流隨時(shí)間的變化曲線分別如圖3、圖4所示，可見(jiàn)點(diǎn)火電壓和點(diǎn)火電流均在正常范圍內(nèi)。由于用該能級(jí)完成過(guò)燃燒室空中點(diǎn)火性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果也表明點(diǎn)火需求能量能夠得到保障，可排除點(diǎn)火能量的影響。

圖3 點(diǎn)火電壓曲線Fig.3 The ignition voltage curve

圖4 點(diǎn)火電流曲線Fig.4 The ignition current curve

3.2.2 燃燒室進(jìn)口參數(shù)分析

燃燒室進(jìn)口空氣壓力、溫度對(duì)點(diǎn)火性能都有不同程度的影響，通常是壓力、溫度越高點(diǎn)火相對(duì)容易。氣流壓力降低，化學(xué)反應(yīng)減慢，使其放熱速率降低，不利于點(diǎn)燃混合氣。溫度不僅影響可燃混合氣的初始化學(xué)反應(yīng)速率，還會(huì)影響燃料的蒸發(fā)和霧化。溫度低會(huì)使火花團(tuán)的熱量更容易散失，且影響火焰的傳播和穩(wěn)定性[8]。

將該發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車(chē)起動(dòng)試驗(yàn)中燃燒室進(jìn)口壓力p3和溫度T3，與部件點(diǎn)火試驗(yàn)中的燃燒室進(jìn)口壓力和溫度進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。圖中，部件點(diǎn)火試驗(yàn)中的試驗(yàn)點(diǎn)均為點(diǎn)火成功的試驗(yàn)點(diǎn)，可見(jiàn)其與整機(jī)試驗(yàn)點(diǎn)的壓力、溫度基本一致。所以，在此壓力和溫度下，整機(jī)具備點(diǎn)火成功的燃燒室進(jìn)口條件，因此排除燃燒室進(jìn)口參數(shù)的影響。

圖5 整機(jī)和部件試驗(yàn)點(diǎn)對(duì)比圖Fig.5 The contrast between the engine and parts test points

3.2.3 燃油霧化效果分析

燃油霧化是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，與供油壓力(影響相對(duì)速度及液/氣接觸面積)、噴嘴型式和尺寸(影響出口速度以及液/氣接觸面積)、燃油物理性質(zhì)(影響表面張力、黏性等)、氣流速度、溫度及環(huán)境壓力(影響密度等)等有關(guān)[9]。

在發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)中，噴嘴壓降沒(méi)有直接測(cè)量，而是通過(guò)燃油總管壓降Δpf來(lái)間接表示。該發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車(chē)起動(dòng)點(diǎn)火時(shí)的Δpf變化見(jiàn)圖6，圖中綠色區(qū)域是部件試驗(yàn)中點(diǎn)火成功的Δpf范圍。由于三次起動(dòng)的供油規(guī)律有所調(diào)整，所以三次起動(dòng)的Δpf不同?？梢?jiàn)，F(xiàn)S01、FS02這兩次風(fēng)車(chē)起動(dòng)是由于噴嘴前后Δpf較低，低于點(diǎn)火成功的范圍，導(dǎo)致了點(diǎn)火失??；而FS03噴嘴前后Δpf在點(diǎn)火成功范圍內(nèi)，故燃油霧化效果不是導(dǎo)致FS03點(diǎn)火失敗的原因。

圖6 點(diǎn)火時(shí)刻燃油總管壓降變化情況Fig.6 The change ofΔpfat ignition moment

3.2.4 可燃極限分析

在發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)起動(dòng)包線范圍內(nèi)，均要求燃燒室能穩(wěn)定點(diǎn)火并保持火焰穩(wěn)定。能夠使火焰從點(diǎn)火源開(kāi)始在整個(gè)混合氣空間范圍內(nèi)傳播的余氣系數(shù)α的極限被稱(chēng)為混合氣的可燃極限，其又分為貧油邊界(余氣系數(shù)最大值)和富油邊界(余氣系數(shù)最小值)[8]。

通過(guò)燃燒室點(diǎn)火試驗(yàn)，得到H=5 km的貧油邊界和富油邊界。將該發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車(chē)起動(dòng)點(diǎn)火余氣系數(shù)與貧、富油邊界進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。FS01風(fēng)車(chē)起動(dòng)的余氣系數(shù)在可燃極限之內(nèi)，故可燃極限問(wèn)題不是導(dǎo)致FS01點(diǎn)火失敗的原因；FS02風(fēng)車(chē)起動(dòng)的余氣系數(shù)過(guò)大，已經(jīng)超出了貧油邊界，未點(diǎn)火成功；FS03風(fēng)車(chē)起動(dòng)的余氣系數(shù)較小，超出了富油邊界，未點(diǎn)火成功。

圖7 余氣系數(shù)對(duì)比圖Fig.7 The contrast of excess air coefficient

3.3 油氣匹配研究

綜上分析可知，發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車(chē)起動(dòng)點(diǎn)火失敗主要原因是點(diǎn)火油氣不匹配，出現(xiàn)了燃油霧化效果不好、燃燒室頭部富油和貧油等情況：FS01點(diǎn)火失敗是由于燃油霧化效果不好，F(xiàn)S02點(diǎn)火失敗是由于燃油霧化效果不好及燃燒室頭部貧油超出了可燃極限，F(xiàn)S03點(diǎn)火失敗是由于燃燒室頭部富油超出了可燃極限。

為解決該發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火油氣不匹配的問(wèn)題，評(píng)估了風(fēng)車(chē)起動(dòng)包線內(nèi)各個(gè)風(fēng)車(chē)工況點(diǎn)的可燃油氣范圍，并對(duì)起動(dòng)供油附件裝置特性進(jìn)行分析。將燃油泵一維差值特性改為多維差值特性，使燃油計(jì)量更加精確。對(duì)燃燒室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，量化燃油急增霧化特性，修正急增燃油量。利用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口氣流參數(shù)等變量值，對(duì)風(fēng)車(chē)起動(dòng)供油量Wf進(jìn)行修正，使點(diǎn)火油氣匹配滿足風(fēng)車(chē)起動(dòng)全包線設(shè)計(jì)要求。Wf修正如下：

式中：p2為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口壓力，T2為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度，V為總管充填容積。

使用改進(jìn)后的風(fēng)車(chē)起動(dòng)控制規(guī)律，該發(fā)動(dòng)機(jī)在H=5 km、Vb=500 km/h和H=5 km、Vb=700 km/h兩個(gè)風(fēng)車(chē)工況下，計(jì)算得出的燃燒室頭部點(diǎn)火余氣系數(shù)如圖8所示，已將風(fēng)車(chē)狀態(tài)的點(diǎn)火余氣系數(shù)調(diào)整到燃燒室可燃極限范圍內(nèi)。

圖8 計(jì)算得出的余氣系數(shù)Fig.8 The calculated excess air coefficient

4 高空風(fēng)車(chē)起動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)方法

高空臺(tái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車(chē)起動(dòng)，先分別啟動(dòng)試驗(yàn)所需要的供、抽氣及加溫/降溫設(shè)備，使排氣擴(kuò)壓器的循環(huán)水系統(tǒng)投入運(yùn)行，高溫或低溫供氣氣流經(jīng)混合后通過(guò)916、995、916-2閥排入大氣，抽氣系統(tǒng)完成抽氣機(jī)的并、串網(wǎng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)做好風(fēng)車(chē)起動(dòng)準(zhǔn)備，見(jiàn)圖9。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入風(fēng)車(chē)狀態(tài)后，按發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車(chē)起動(dòng)操作要求進(jìn)行風(fēng)車(chē)起動(dòng)[10]。

圖9 高空臺(tái)模擬風(fēng)車(chē)起動(dòng)工作原理圖Fig.9 High altitude simulation windmilling starting working principle

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

在模擬高度進(jìn)行了多次風(fēng)車(chē)起動(dòng)，選出具有代表性的FS04、FS05、FS06三次風(fēng)車(chē)起動(dòng)驗(yàn)證結(jié)果(圖10～圖13)。FS04、FS05是H=5 km、Vb=500 km/h的風(fēng)車(chē)起動(dòng)，F(xiàn)S06是H=5 km、Vb=700 km/h的風(fēng)車(chē)起動(dòng)。

圖10 壓氣機(jī)相對(duì)物理轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.10 The curve of relative speed

圖11 低壓渦輪出口溫度變化曲線Fig.11 The curve ofT6

圖12 點(diǎn)火時(shí)刻余氣系數(shù)Fig.12 Excess air coefficient at ignition moment

圖13 點(diǎn)火時(shí)刻燃油壓差Fig.13 Δpfat ignition moment

試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)S04、FS05、FS06風(fēng)車(chē)起動(dòng)均成功點(diǎn)火，且加速到空中慢車(chē)狀態(tài)(圖10、圖11)。點(diǎn)火時(shí)刻的燃燒室頭部余氣系數(shù)都在可燃極限范圍內(nèi)，與油氣匹配研究計(jì)算得出的余氣系數(shù)基本一致(圖12)，但由于供油存在少許偏差，所以實(shí)際余氣系數(shù)與計(jì)算略有差異。燃油總管壓差都在能夠可靠點(diǎn)火的范圍內(nèi)(圖13)。點(diǎn)火油氣匹配達(dá)到了預(yù)期效果，表明該發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火失敗原因分析正確，點(diǎn)火油氣匹配研究方法和提出的相應(yīng)解決方案合理可行。

5 結(jié)論

該型發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車(chē)起動(dòng)點(diǎn)火失敗，經(jīng)分析得出點(diǎn)火油氣不匹配是其失敗的根本原因。據(jù)此對(duì)其進(jìn)行了油氣匹配研究，并采取了相應(yīng)的解決方案，經(jīng)后續(xù)高空風(fēng)車(chē)起動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車(chē)起動(dòng)點(diǎn)火失敗原因分析正確，點(diǎn)火油氣匹配研究方法和相應(yīng)的解決方案合理可行?？罩悬c(diǎn)火油氣匹配應(yīng)關(guān)注和評(píng)估燃油霧化效果(燃油壓差)和燃燒室頭部余氣系數(shù)，只有在一定范圍內(nèi)點(diǎn)火才能成功。目前，確定燃燒室的可燃極限主要依靠試驗(yàn)方法得出，未來(lái)還可利用燃燒室點(diǎn)火模型開(kāi)展點(diǎn)火匹配的理論分析研究。而本文提出的風(fēng)車(chē)起動(dòng)點(diǎn)火匹配研究方法，可有效解決空中點(diǎn)火困難等問(wèn)題，降低風(fēng)車(chē)起動(dòng)調(diào)試試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)和成本。

[1]張東方，李應(yīng)紅，尉詢凱，等.基于約簡(jiǎn)遺傳規(guī)劃的航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車(chē)起動(dòng)模型[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008，20(9)：2262—2265.

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Windmilling starting ignition match for turbofan engine

CHEN Li，LUO Zai-qi
(AECC Sichuan Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

Aiming at windmilling start ignition failure cases in the state of high altitude for a certain type of turbofan engine,mechanism analysis and research of fuel and gas match for the windmilling start ignition has been completed.The main factors affecting windmilling start ignition have been analyzed.The reason for the ignition failure was that fuel and gas was not match and excess air coefficient deviated from the com?bustor ignition boundary.On the basis of fuel and gas match research,the measures were put forward,and verification test at high altitude test bed was completed.Test results show that the methods of analysis and measures are reasonable,which can provide reference for match design and evaluation of windmilling start ignition for the same type of engine.

aero-engine；windmilling start；fuel atomization；ignition match；starting control；excess air coefficient

V233.6

A

1672-2620(2017)05-0008-05

2016-09-20；

2017-10-27

陳 立(1989-)，男，四川南充人，工程師，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)研究。