李大為 ，李家瑞 ，李鋒 ，崔金輝 ，王嘉瞳

（1.中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽110015；2.空裝駐長春地區(qū)軍事代表室，長春130000）

0 引言

起動是航空發(fā)動機(jī)的1個重要的過渡過程，是發(fā)動機(jī)工作的第1個階段，因此顯得格外重要。樸英、廉筱純等[1-2]對發(fā)動機(jī)起動過程等進(jìn)行了原理闡述，并建立起動過程的數(shù)學(xué)模型，將發(fā)動機(jī)起動過程按3個階段進(jìn)行劃分，并總結(jié)歸納的了影響起動成功的各種因素；苗禾狀等[3]從“三高”的條件因素對發(fā)動機(jī)起動影響進(jìn)行研究，并提出了在進(jìn)行“三高”試驗(yàn)的方法和注意事項(xiàng)；王兆銘[4]以某型發(fā)動機(jī)為例對高原起動供油規(guī)律的調(diào)整進(jìn)行研究，通過改變自動起動器和起動放氣嘴，得到了高原機(jī)場起動的調(diào)整方法；郭昕[5]總結(jié)了英、俄等國在高空模擬試驗(yàn)臺進(jìn)行發(fā)動機(jī)高原起動的驗(yàn)證方法，提出了符合中國國情的發(fā)動機(jī)高低溫起動及高原起動的試驗(yàn)途徑和方法；江勇[6]等分別在不同海拔地區(qū)開展了發(fā)動機(jī)高原起動試車臺架研究，得到了起動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)與發(fā)動機(jī)共同工作的規(guī)律，并得到了海拔因素對起動機(jī)功率影響規(guī)律。何立明、李俊鋼等[7-8]對CFM56-7民航發(fā)動機(jī)在冬季高原上多次發(fā)生冷起動故障進(jìn)行分析，得到環(huán)境因素及民航運(yùn)輸航線對燃燒室噴嘴的霧化特性產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致點(diǎn)火不成功造成起動失敗。因此，發(fā)動機(jī)起動成功與周圍環(huán)境影響非常大。發(fā)動機(jī)起動受環(huán)境溫度、壓力、起動機(jī)功率和壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪等部件匹配等因素影響，具有較大的不確定性，特別是在高原低氣壓、空氣低含氧量、氣溫和向多變風(fēng)等特殊氣候環(huán)境下，容易出現(xiàn)發(fā)動機(jī)點(diǎn)火失敗、超溫、懸掛、失速等問題，從而導(dǎo)致起動失敗，在一定程度上，嚴(yán)重制約飛機(jī)在高原地區(qū)使用。

本文以某型航空發(fā)動機(jī)高原起動過程為研究對象，通過高原環(huán)境各因素對發(fā)動機(jī)起動過程帶來的影響進(jìn)行理論分析，得到不同調(diào)整措施對起動過程3個階段的起動參數(shù)影響規(guī)律，提出解決發(fā)動機(jī)高原起動困難的措施，并進(jìn)行了高原起動試驗(yàn)驗(yàn)證

1 某型發(fā)動機(jī)地面起動原理

以某型小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)為例（起動前段采用燃?xì)鉁u輪起動機(jī)），發(fā)動機(jī)從零轉(zhuǎn)速過渡到慢車轉(zhuǎn)速的過程稱為起動過程。航空發(fā)動機(jī)在地面起動時必須依靠外界動力源，因?yàn)檫@時沒有空氣流過發(fā)動機(jī)，如果向燃燒室噴油點(diǎn)火只能將發(fā)動機(jī)燒傷而轉(zhuǎn)子不會轉(zhuǎn)動起來。只有達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速后，燃燒室內(nèi)的氣流才能建立起穩(wěn)定燃燒所需要的氣流壓力和溫度[9-10]。

地面起動過程是在電氣及燃油系統(tǒng)起動控制邏輯下，使轉(zhuǎn)子由靜止?fàn)顟B(tài)加速到慢車狀態(tài)的過渡過程。發(fā)動機(jī)地面起動分為3個階段[11]，靜止?fàn)顟B(tài)到主燃燒室初始點(diǎn)火狀態(tài)（第1階段）、主燃燒室初始點(diǎn)火狀態(tài)到起動機(jī)脫開狀態(tài)（第2階段）、起動機(jī)脫開狀態(tài)到慢車狀態(tài)（第3階段），第1～3階段分別以點(diǎn)火轉(zhuǎn)速、起動機(jī)脫開轉(zhuǎn)速作為分界條件，如圖1所示。

圖1 發(fā)動機(jī)起動過程

第1階段，主燃燒室未點(diǎn)火，由起動機(jī)的功率帶動發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提高，轉(zhuǎn)速的上升速率主要取決于起動機(jī)的功率。影響第1階段起動成功與否的重點(diǎn)是發(fā)動機(jī)點(diǎn)火轉(zhuǎn)速和起動機(jī)輸出功率的選取。點(diǎn)火轉(zhuǎn)速的選取對發(fā)動機(jī)起動過程影響很大，如供油過早，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速低，空氣流量較小，使主燃燒室富油燃燒而容易引起發(fā)動機(jī)超溫和喘振；轉(zhuǎn)速過高，將延長發(fā)動機(jī)起動時間。起動機(jī)輸出扭矩應(yīng)滿足發(fā)動機(jī)及附件的阻力矩，將發(fā)動機(jī)帶轉(zhuǎn)至點(diǎn)火轉(zhuǎn)速，若起動機(jī)輸出扭矩充分，可以縮短帶轉(zhuǎn)至點(diǎn)火轉(zhuǎn)速時間，縮短起動時間。

第2階段，從主燃燒室點(diǎn)火成功開始，依靠起動機(jī)提供的功率和渦輪功率帶動發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提高，轉(zhuǎn)速的上升速率主要取決于起動機(jī)提供的功率和渦輪剩余功率。影響第2階段起動成功與否的重點(diǎn)是主燃燒室供油規(guī)律設(shè)計(jì)和起動機(jī)脫開轉(zhuǎn)速的選取。起動供油規(guī)律需綜合考慮起動時間要求、壓氣機(jī)特性、最大供油量邊界（失速/喘振邊界）、最小供油量邊界（懸掛邊界）、飛機(jī)附件加載等條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，起動過程壓氣機(jī)工作線及邊界限制條件如圖2所示。

圖2 起動過程壓氣機(jī)工作線及邊界限制條件

第3階段，起動機(jī)退出工作，由渦輪功率帶動發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子提高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速的上升速率主要取決于渦輪剩余功率。此階段影響起動成功與否的重點(diǎn)是主燃燒室供油規(guī)律，設(shè)計(jì)原則與第2階段相同。

2 高原起動影響理論分析

高原機(jī)場具有海拔高、氣壓低、空氣密度小、含氧量低、晝夜溫差大等特殊氣候環(huán)境，對于航空發(fā)動機(jī)高原起動均會產(chǎn)生不利影響[12-15]。

對于航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)及燃?xì)鉁u輪起動機(jī)來說，在高原環(huán)境下，由于空氣壓力及空氣密度降低，限制轉(zhuǎn)速條件下，起動機(jī)輸出功率變小，因此，在發(fā)動機(jī)起動前段（第1、2階段），起動機(jī)帶轉(zhuǎn)能力將有所下降，相應(yīng)到達(dá)第1、2階段的轉(zhuǎn)速會降低或時間變長。根據(jù)高原試驗(yàn)結(jié)果可知，最長的轉(zhuǎn)速懸掛可達(dá)3～5 min，并多次出現(xiàn)。因此要對高原地區(qū)起動供油規(guī)律及控制時序進(jìn)行調(diào)整，以使發(fā)動機(jī)油氣匹配達(dá)到最佳。此外，由于進(jìn)氣密度減小，在相同體積流量的進(jìn)氣條件下，進(jìn)入發(fā)動機(jī)的空氣質(zhì)量流量相對降低，余氣系數(shù)減小，在相同進(jìn)氣溫度條件下若按平原地區(qū)供油規(guī)律供油，油氣比會偏高，會產(chǎn)生富油燃燒，造成排氣溫度升高，從而造成起動失敗。因此，可采用提高起動機(jī)功率的方法，來提高發(fā)動機(jī)在高原地區(qū)的點(diǎn)火轉(zhuǎn)速和脫開轉(zhuǎn)速，以使發(fā)動機(jī)油氣匹配達(dá)到最佳。

根據(jù)飛機(jī)需求，發(fā)動機(jī)還需給飛機(jī)附件提供動力，以滿足飛機(jī)日常需要。在高原起動過程中，發(fā)動機(jī)自身剩余功率降低，若要給飛機(jī)提供正常的功率輸出，將會大大增加起動失敗的概率。在發(fā)動機(jī)起動初期，發(fā)動機(jī)剩余功率相對較少，若起動過程全程加載（飛機(jī)附件）或中間加載，相當(dāng)于發(fā)動機(jī)負(fù)載相對變大，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)偏離正常工作線，從而使排氣溫度升高，起動轉(zhuǎn)速懸掛，起動時間變長，進(jìn)而造成起動失敗。在起動過程中提供飛機(jī)附件的功率相對較少，供飛機(jī)液壓系統(tǒng)正常工作有限，因此起動過程提供飛機(jī)功率提取的意義十分有限。

3 高原起動改進(jìn)措施及試驗(yàn)驗(yàn)證

針對高原環(huán)境對起動過程不利影響的分析，結(jié)合發(fā)動機(jī)自身可實(shí)現(xiàn)的調(diào)整手段，初步制定以下改進(jìn)措施，并在某型發(fā)動機(jī)高原起動試驗(yàn)中驗(yàn)證（高原海拔高度為3700 m）。

3.1 起動機(jī)功率提升

針對起動機(jī)在高原環(huán)境下工作功率有所降低及第1、2階段帶轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不足的問題，提出提高起動機(jī)功率的措施。在某型發(fā)動機(jī)高原起動試驗(yàn)中，起動機(jī)功率調(diào)整后約提高1%，在相同條件下，發(fā)動機(jī)冷運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速提高約1.2%，如圖3所示。起動機(jī)功率提高約1%，發(fā)動機(jī)點(diǎn)火轉(zhuǎn)速可提高2%，起動機(jī)脫開轉(zhuǎn)速可提高2.5%，排氣溫度可降低8%，起動時間將縮短約8%。

圖3 起動過功率調(diào)整前后發(fā)動機(jī)冷運(yùn)轉(zhuǎn)情況對比

圖4 高原及平原地區(qū)發(fā)動機(jī)起動情況對比

3.2 延長點(diǎn)火時間和起動機(jī)脫開時間

對比平原（海拔300 m）及高原起動過程，如圖4所示。從圖中可見，高原起動過程的點(diǎn)火轉(zhuǎn)速和脫開轉(zhuǎn)速都比平原地區(qū)的低，點(diǎn)火和脫開時間也要比平原地區(qū)的長。針對發(fā)動機(jī)高原起動過程中，到達(dá)點(diǎn)火轉(zhuǎn)速和起動機(jī)脫開轉(zhuǎn)速變長的現(xiàn)象，對發(fā)動機(jī)起動控制時序進(jìn)行優(yōu)化，相應(yīng)滯后或延長發(fā)動機(jī)供油時間，使發(fā)動機(jī)點(diǎn)火成功率增加，點(diǎn)火后油氣比分配更合理，為起動后段創(chuàng)造有利條件。同時也可延長起動機(jī)脫開時間，盡可能使帶轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速提高，以提高發(fā)動機(jī)高原起動成功率；根據(jù)起動機(jī)轉(zhuǎn)速和功率的關(guān)系，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在40%時起動機(jī)功率開始達(dá)到峰值，此時起動機(jī)脫開，未能充分發(fā)揮其帶轉(zhuǎn)能力。因此提出起動機(jī)帶轉(zhuǎn)時間由70 s延長至90 s，初步評估可使高壓轉(zhuǎn)速提高20%。該項(xiàng)改進(jìn)措施可提高42%～48%范圍內(nèi)剩余加速功率，以解決發(fā)動機(jī)脫開時轉(zhuǎn)速偏低及較低轉(zhuǎn)速狀態(tài)發(fā)動機(jī)加速能力不足的問題。

3.3 提高起動機(jī)功率

針對發(fā)動機(jī)在起動過程中進(jìn)行液壓加載造成負(fù)載增加、起動困難的情況，采取在起動過程中全程飛機(jī)卸載，卸載后發(fā)動機(jī)輸出功率完全用于發(fā)動機(jī)起動（飛機(jī)加載功率可達(dá)20 kW），對于起動初期發(fā)動機(jī)產(chǎn)生功率較小的階段幫助較大，卸載的功率可提高脫開轉(zhuǎn)速，降低排氣溫度。從高原試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果來看，在起動過程中飛機(jī)全程液壓卸載措施十分有效，在飛機(jī)加載條件下起動不成功時，采取飛機(jī)卸載措施可使起動成功，如圖5所示。

飛機(jī)加載時，在起動第3階段（起動機(jī)脫開后），發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不提高，出現(xiàn)懸掛現(xiàn)象；在相同條件下，在起動過程中飛機(jī)卸載，雖然在起動第3階段（起動機(jī)脫開后）轉(zhuǎn)速懸掛現(xiàn)象仍持續(xù)20 s左右，但最終可以保證起動成功。為評估飛機(jī)加載對起動性能影響的關(guān)系，挑選飛機(jī)卸載和飛機(jī)加載均起動成功的數(shù)據(jù)，在飛機(jī)卸載的情況下，起動時間縮短20%，排氣溫度下降3%，起動機(jī)脫開轉(zhuǎn)速提高3%。加載和卸載對起動過程中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速影響如圖6、7所示。

圖5 飛機(jī)液壓加載對起動過程中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速影響

圖6 飛機(jī)液壓加載對起動過程中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速影響

圖7 飛機(jī)液壓加載對起動過程中發(fā)動機(jī)排氣溫度影響

4 結(jié)論

本文通過一系列高原起動分析及試驗(yàn)，總結(jié)出提高發(fā)動機(jī)高原起動成功率的有效措施，結(jié)論如下：

（1）在發(fā)動機(jī)起動過程中飛機(jī)卸載可以有效降低排氣溫度和縮短起動時間，提高高原起動成功率，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，采取飛機(jī)卸載措施后，起動時間可縮短20%，排氣溫度下降3%，起動機(jī)脫開轉(zhuǎn)速提高3%。

（2）采取延長點(diǎn)火時間和起動機(jī)脫開時間等優(yōu)化控制時序，可使發(fā)動機(jī)點(diǎn)火成功率提高，點(diǎn)火后油氣比分配更合理，從而為起動后段創(chuàng)造有利條件，提升發(fā)動機(jī)高原起動成功率。

（3）發(fā)動機(jī)在高原使用時應(yīng)采用相對平原時更大功率的起動機(jī)，以提高發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速上升率（起動過程第1、2階段），經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，起動機(jī)功率提高約1%，點(diǎn)火轉(zhuǎn)速及脫開轉(zhuǎn)速可提高約2%，起動時間縮短8%。