王旭 陸勝軍 鄒黎

摘 要：起動(dòng)過程是一個(gè)典型的非線性變化過程，影響因素眾多，大氣環(huán)境是導(dǎo)致起動(dòng)性能變化的最重要因素之一。起動(dòng)可劃分為不同階段，在不同階段下，大氣溫度和大氣壓力對起動(dòng)性能影響的機(jī)理不一樣。本文通過開展某型發(fā)動(dòng)機(jī)在不同大氣環(huán)境下的起動(dòng)性能試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了不同大氣環(huán)境對起動(dòng)影響的趨勢，按不同階段解析了大氣環(huán)境影響起動(dòng)性能的原因，為起動(dòng)供油規(guī)律給定和修正提供了參考。

關(guān)鍵詞：渦軸發(fā)動(dòng)機(jī);大氣環(huán)境;起動(dòng)特性

中圖分類號：V233 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）09-0105-05

隨著用戶對直升機(jī)野外惡劣環(huán)境適應(yīng)性的要求提高，其對起飛場地保障條件的要求也較低。在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，難以依靠機(jī)場保障設(shè)備來提高起動(dòng)成功率（如采用機(jī)場電源車起動(dòng)，熱風(fēng)暖車等）。因此，為保證直升機(jī)全氣候范圍使用，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)一般要求在大氣溫度-40℃～50℃范圍內(nèi)進(jìn)行起動(dòng)。

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程屬于瞬態(tài)過程，影響因素多，如何分析發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程是非常困難的[1-2]大氣溫度對發(fā)動(dòng)機(jī)性能、起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)能力，燃燒室點(diǎn)火和聯(lián)焰均有較大影響，除了在設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮足夠的裕度外，完善的起動(dòng)供油規(guī)律也是保證起動(dòng)成功的重要因素之一。

本文對起動(dòng)進(jìn)行階段劃分，開展了某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)溫度影響試驗(yàn)驗(yàn)證，通過對不同階段的分析，總結(jié)出了溫度影響起動(dòng)性能的原因，并提出了起動(dòng)供油規(guī)律溫度的修正方法。

1起動(dòng)影響因素

1.1不可控因素

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)原理和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)因素有很多，根據(jù)是否可控制分為不可控因素和可控因素

不可控因素主要為外界環(huán)境，不受設(shè)計(jì)者控制：（1）大氣溫度;（2）大氣壓力;（3）大氣濕度;（4）飛行馬赫數(shù)。

此類影響因素需要對其影響機(jī)理和程度進(jìn)行分析，并通過起動(dòng)控制裝置來進(jìn)行調(diào)節(jié)以減弱外界環(huán)境對起動(dòng)的影響，這也是起動(dòng)規(guī)律的研究目標(biāo)之一。

1.2可控因素

可控因素可由發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)者進(jìn)行選擇和控制，主要為發(fā)動(dòng)機(jī)自身的參數(shù)：（1）各部件效率;（2）渦輪導(dǎo)向器面積;（3）可調(diào)壓氣機(jī)導(dǎo)葉;（4）壓氣機(jī)級間放氣;（5）燃油供油規(guī)律以及起動(dòng)故障模式;（6）起動(dòng)機(jī)功率等級及脫開轉(zhuǎn)速。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)完成方案設(shè)計(jì)后，發(fā)動(dòng)機(jī)本身大部分參數(shù)已固定，無法進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)主要通過起動(dòng)機(jī)和供油來控制和改善起動(dòng)性能。

2 起動(dòng)階段劃分

一般來說，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程由以下三個(gè)階段組成[3-4]，各階段起動(dòng)扭矩變化見圖1。

2.1第1階段

第1階段為起動(dòng)機(jī)開始帶轉(zhuǎn)至燃燒室點(diǎn)火成功。此階段發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子完全由起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)，電機(jī)帶轉(zhuǎn)扭矩MCT隨燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速ng的上升逐步下降，變化趨勢接近于直線。

壓氣機(jī)阻力矩MC由機(jī)械阻力和氣動(dòng)阻力組成。大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明：在整個(gè)起動(dòng)過程中，壓氣機(jī)的氣動(dòng)扭矩與燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速ng的平方成正比。機(jī)械阻力在一般情況下均較小，在起動(dòng)過程中可以忽略，但是在極低的溫度下機(jī)械阻力將急劇增加，在設(shè)計(jì)起動(dòng)規(guī)律時(shí)需予以考慮。

2.2第2階段

第2階段為燃燒室點(diǎn)火成功至電機(jī)脫開（自立轉(zhuǎn)速）。

此階段，發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪和起動(dòng)機(jī)共同工作，渦輪帶轉(zhuǎn)扭矩Mg快速上升，當(dāng)ng轉(zhuǎn)速超過自立轉(zhuǎn)速后，Mg將超過MC，理論上可以脫開起動(dòng)機(jī)。但是為了增加可靠性和縮短起動(dòng)時(shí)間，一般保持起動(dòng)機(jī)繼續(xù)工作一段時(shí)間，待Mg大于MC較多后再脫開。

2.3第3階段

第3階段為電機(jī)脫開后獨(dú)立加速至地面慢車。

此階段，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪將獨(dú)立帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)至地面慢車。在前半部分，由于電機(jī)脫開，加速凈扭矩有所減少，為維持較高的起動(dòng)加速度，一般會(huì)繼續(xù)保持較高的渦輪前總溫。隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加，所需轉(zhuǎn)速加速度減少，以及渦輪效率提升，渦輪前總溫將逐漸降低。

由于第1階段時(shí)間較短，且影響因素與第2階段較為接近，因此為了方便分析，本文將第1階段和第2階段合并，統(tǒng)稱為第Ⅰ階段，第3階段稱為第Ⅱ階段。

3大氣溫度對發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的影響

3.1 溫度影響試驗(yàn)驗(yàn)證分析

為驗(yàn)證大氣溫度對發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的影響，利用某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在高空模擬臺上進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度由-20℃～50℃，試驗(yàn)情況見圖2～圖4。

由圖分析可知：

（1）當(dāng)大氣溫度低于10℃時(shí)，隨著溫度逐步下降，第Ⅰ階段起動(dòng)時(shí)間逐漸增加。當(dāng)大氣溫度處于10℃～40℃時(shí)，起動(dòng)時(shí)間較短且變化量不大。在接近環(huán)境使用極限50℃時(shí)，起動(dòng)時(shí)間有所增加;

（2）大氣溫度越高，第Ⅱ階段起動(dòng)時(shí)間越長，但是其總體變化趨勢較小;

（3）在標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度15℃左右，發(fā)動(dòng)機(jī)總起動(dòng)時(shí)間最短，而隨著溫度偏離標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，總起動(dòng)時(shí)間均較快的增加。

3.2 溫度對第Ⅰ階段影響分析

大氣溫度對第一階段起動(dòng)過程的影響原因分析如下：

（1）壓氣機(jī)氣動(dòng)載荷增加。

由上式可知，在第一階段，隨著大氣氣溫降低，θ減小，同樣物理轉(zhuǎn)速下，通過壓氣機(jī)的空氣流量增加，因此壓氣機(jī)的氣動(dòng)負(fù)荷也隨之增加，在同樣的電機(jī)功率下，ng轉(zhuǎn)速加速度較小，起動(dòng)時(shí)間變長。

（2）低溫下潤滑油的粘度增大導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)裝置的阻力增大。

以目前國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)使用的飛馬二號滑油為例，當(dāng)溫度下降時(shí)，滑油粘度急劇增加，其中以30℃和-30℃為例子，兩者的運(yùn)動(dòng)粘度相差66倍，因此低溫下發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)阻力將急劇增加。

為研制溫度對發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)阻力矩的影響，分別用同一臺發(fā)動(dòng)機(jī)在30℃和-30℃（在該溫度下存放超過12h）條件下進(jìn)行了起動(dòng)阻力矩測量，測量結(jié)果見圖5，在30℃條件相比，-30℃條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)阻力矩增加29.5%。

溫度越低，起動(dòng)阻力越大矩越大，如果起動(dòng)供油量不增加，電機(jī)功率不變，起動(dòng)第Ⅰ階段的燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子加速度將減少，起動(dòng)時(shí)間增加。

為減少發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)阻力矩，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫下的起動(dòng)，一般采用70℃～90℃的熱空氣對燃燒室、滑油箱、泵調(diào)節(jié)器、附件傳動(dòng)機(jī)匣等的外表面加溫10min～20min后，再次進(jìn)行起動(dòng)。通過發(fā)動(dòng)機(jī)在-21℃條件下加溫和不加溫時(shí)的起動(dòng)驗(yàn)證情況（見圖6），加溫15min后，起動(dòng)時(shí)間縮短了33%。

如外場沒有加溫裝備，也可通過重復(fù)熱起動(dòng)的方法進(jìn)行緊急起動(dòng)。外場低溫的起動(dòng)驗(yàn)證情況，在-28℃條件下冷起動(dòng)失敗后，再次進(jìn)行熱起動(dòng)成功，起動(dòng)情況見圖7。

（3）在溫度較低的時(shí)候，燃油霧化效果較差，燃燒室聯(lián)焰緩慢。

在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴類型及結(jié)構(gòu)尺寸確定的情況下，燃油燃燒與燃油霧化質(zhì)量密切相關(guān)，霧狀油珠愈細(xì)、表面積愈大，愈有利于充分燃燒。低溫下，燃油霧化效果變差，燃燒室聯(lián)焰緩慢，導(dǎo)致起動(dòng)變慢。不同溫度下發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后溫度上升情況見圖8，燃?xì)鉁u輪溫度的上升速度隨大氣溫度下降而變小。

可見，在點(diǎn)火成功后的4s內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪溫度上升斜率逐步減小，具體數(shù)值見圖9。

在大氣溫度較高時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪溫度上升斜率較小，每下降1℃，發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪溫度上升速率下降0.9℃/s。而在大氣溫度在0℃以下時(shí)，每下降1℃，發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪溫度上升速率下降為2℃/s。

因此，當(dāng)溫度下降到-20℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室點(diǎn)火和聯(lián)焰十分緩慢，再進(jìn)一步降低溫度有可能導(dǎo)致起動(dòng)懸掛。特別是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)存在其他影響燃燒室性能的情況，如燃油噴嘴積碳[8]，在綜合因素的影響下，會(huì)導(dǎo)致渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中出現(xiàn)燃?xì)鉁u輪溫度起動(dòng)初始緩慢的現(xiàn)象，在包線范圍內(nèi)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)不成功。

3.3 溫度對第Ⅱ階段影響分析

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程第Ⅱ階段為燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速平衡轉(zhuǎn)速至地面慢車狀態(tài)的階段，由前文分析可知：大氣溫度越高，此階段起動(dòng)時(shí)間越長，但是其總體變化趨勢較小。

大氣溫度對第Ⅱ階段的影響分析如下：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)阻力扭矩減少。根據(jù)前面分析，隨著溫度的增加，壓氣機(jī)氣動(dòng)載荷減少，發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)裝置的阻力也減小，因此起動(dòng)的起動(dòng)阻力矩減少。

（2）燃?xì)鉁u輪做功能力減少，用以加速扭矩減小。在ng平衡轉(zhuǎn)速至地面慢車狀態(tài)階段，燃?xì)鉁u輪為發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的主要加速扭矩來源，隨著大氣溫度的增加，在同樣的ng轉(zhuǎn)速下，通過發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量急劇下降，燃?xì)鉁u輪做功能力也減弱。

相對于壓氣機(jī)氣動(dòng)載荷和燃?xì)鉁u輪做功來，傳動(dòng)裝置的阻力對發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)第二階段的影響較小，因此起動(dòng)第二階段的時(shí)間主要由壓氣機(jī)氣動(dòng)載荷和燃?xì)鉁u輪做功的變化決定。當(dāng)大氣溫度升高時(shí)，在同樣的燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速下，需要更高的燃?xì)鉁囟炔拍鼙３秩細(xì)鉁u輪功率和壓氣機(jī)功率平衡。因此如保持起動(dòng)過程中燃?xì)鉁囟炔蛔?，用于加速的剩余功率將減小，起動(dòng)加速度減少，起動(dòng)時(shí)間增加。

4 高度對發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的影響

隨著高度的上升，大氣壓力降低，空氣密度逐步減小，大氣溫度也隨之降低，因此會(huì)對發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能產(chǎn)生很大影響。其中溫度的變化在前文中已做論述，不再累述，下面只針對壓力和空氣密度的影響進(jìn)行分析。

為了驗(yàn)證高度對發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的影響，在同樣的大氣溫度條件下（10℃），分別進(jìn)行了地面、1.5km和4.5km高度的起動(dòng)試驗(yàn)，具體見圖10。

由圖10分析可知，在起動(dòng)第Ⅰ階段，高度越高，ng上升速率越快。在起動(dòng)的第Ⅱ階段，高度越高，ng上升速率越慢。

這種現(xiàn)象是大氣壓力和空氣密度減小導(dǎo)致的，大氣壓力和空氣密度的減小對起動(dòng)性能的影響分析如下：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出功率減小，起動(dòng)過程中剩余功率減小。對發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)過程進(jìn)行模擬計(jì)算，在3km高度條件下，電機(jī)脫開后，渦輪有較大的剩余功率（相當(dāng)于126%電機(jī)額定功率）用于帶轉(zhuǎn)壓氣機(jī)及附件。在4km高度條件下，電機(jī)脫開后，渦輪剩余功率較小（相當(dāng)于12%電機(jī)額定功率）。由于可用于加速燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子的剩余功率減少，因此在高空起動(dòng)過程的第2階段和第3階段，上升速率隨著高度的上升而減小。

（2）大氣壓力和空氣密度減小，壓氣機(jī)氣動(dòng)載荷減小。以4.5km高空為例，此高度下的大氣壓力降低至57.7kPa，同樣物理轉(zhuǎn)速下流過壓氣機(jī)的空氣流量減小，因此起動(dòng)過程中壓氣機(jī)氣動(dòng)載荷減小。

為驗(yàn)證高度對壓氣機(jī)起動(dòng)氣動(dòng)載荷的影響，在同一溫度下對4.5km高空和地面的起動(dòng)扭矩進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，見圖11。

由圖11可知，在同樣的20%ng轉(zhuǎn)速，地面和4.5km起動(dòng)阻力矩差值為38.4%，而10%轉(zhuǎn)速時(shí)地面和4.5km起動(dòng)阻力矩差值只有16.8%，轉(zhuǎn)速越低，大氣壓力對起動(dòng)阻力矩影響越小。這是由于起動(dòng)阻力矩主要由機(jī)械阻力和氣動(dòng)阻力組成，低轉(zhuǎn)速下的空氣流量低，氣動(dòng)阻力也小，因此大氣壓力變化對起動(dòng)阻力矩的影響也小。同理，大氣溫度主要影響機(jī)械阻力，因此對起動(dòng)阻力矩的影響隨轉(zhuǎn)速變化的趨勢較小。

在同一臺發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行空中停車，以測量不同高度下發(fā)動(dòng)機(jī)停車時(shí)阻力矩（此三次測量雖然在不同大氣溫度下進(jìn)行，但是經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)后，大氣溫度對發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩影響可忽略不計(jì)），見圖12，可見高度越高停車阻力矩越小，其中在20%的ng轉(zhuǎn)速，4.5km高度（插值計(jì)算）的扭矩比地面慢車減少了37%，此計(jì)算值和冷運(yùn)轉(zhuǎn)的扭矩計(jì)算值一致，相互驗(yàn)證了高度對壓氣機(jī)阻力矩的影響。

綜上所述，在起動(dòng)第Ⅰ階段，高度越高，ng上升速率越快的原因是壓氣機(jī)氣動(dòng)載荷減小。在起動(dòng)第2階段，高度越高，ng上升速率越慢的原因是發(fā)動(dòng)機(jī)用于加速的剩余功率減小。高度對起動(dòng)第Ⅰ階段的影響較小，對第Ⅱ階段的影響較大，因此對于整個(gè)起動(dòng)過程，高度越高，起動(dòng)時(shí)間越長，起動(dòng)越困難。

5結(jié)論

（1）大氣溫度對發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)影響因素主要為壓氣機(jī)氣動(dòng)載荷，轉(zhuǎn)子阻力，燃燒室聯(lián)焰，燃?xì)鉁u輪做功能力。在第Ⅰ階段，壓氣機(jī)氣動(dòng)載荷，轉(zhuǎn)子阻力，燃燒室聯(lián)焰為主要影響因素，隨著溫度降低，起動(dòng)時(shí)間增加;在第Ⅱ階段，燃?xì)鉁u輪做功能力為主要影響因素，隨著溫度的上升，起動(dòng)時(shí)間逐步增加。因此只要大氣溫度偏離標(biāo)準(zhǔn)溫度，起動(dòng)時(shí)間均會(huì)增加。

（2）大氣壓力對發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)影響因素主要為壓氣機(jī)氣動(dòng)載荷和燃?xì)鉁u輪做功能力。在第Ⅰ階段，壓氣機(jī)氣動(dòng)載荷為主要影響因素，隨著高度的上升，起動(dòng)時(shí)間減少;在第Ⅱ階段，燃?xì)鉁u輪做功能力為主要影響因素，隨著高度的上升，起動(dòng)時(shí)間逐步增加。由于第Ⅱ階段的燃?xì)鉁u輪做功能力影響，因此只要大氣溫度偏離標(biāo)準(zhǔn)溫度，起動(dòng)時(shí)間均會(huì)增加。

（3）由于大氣溫度和大氣壓力對起動(dòng)影響較大，因此需根據(jù)這些因素對起動(dòng)供油量來進(jìn)行修正：

式中Kp為壓力系數(shù)，用來對大氣壓力影響進(jìn)行修正;Kt為溫度系數(shù)，用來對大氣壓力影響進(jìn)行修正。

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