任丁丁，張 浩，翟亞浩

(中國飛行試驗研究院 發(fā)動機所，陜西 西安 710089)

1 引 言

啟動過程是航空發(fā)動機的重要工作階段之一，其性能好壞決定了發(fā)動機能否在各種環(huán)境條件下順利運轉(zhuǎn)。啟動過程通常分為地面啟動和空中啟動。地面啟動是指發(fā)動機在地面從靜止的停車狀態(tài)加速到慢車狀態(tài)的過程[1]。高原啟動試驗是航空發(fā)動機設(shè)計定型階段的重要考核內(nèi)容之一，其啟動性能反映了發(fā)動機對高原壓力環(huán)境的啟動適應(yīng)能力[2]，不僅是發(fā)動機工作特性檢查的重要組成部分，也是進行后續(xù)空中啟動等風(fēng)險科目試飛的基礎(chǔ)。

可靠、快速的啟動能力是航空燃氣渦輪發(fā)動機的重要特性之一[3]。GJB 243A-2004《航空燃氣渦輪動力裝置飛行試驗要求》中，也要求航空發(fā)動機在啟動包線內(nèi)可靠啟動，并且啟動過程中沒有出現(xiàn)超轉(zhuǎn)、超溫、振動超限、喘振等異?，F(xiàn)象[1]。

本文通過對某型渦軸發(fā)動機高原啟動時出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速懸掛現(xiàn)象進行分析，給出了轉(zhuǎn)速懸掛的原因，為出現(xiàn)同類問題的分析及該型渦軸發(fā)動機的改進設(shè)計提供參考。

2 某渦軸發(fā)動機轉(zhuǎn)速熱懸掛現(xiàn)象

某型直升機用渦軸發(fā)動機的地面啟動需要啟動電機進行帶轉(zhuǎn)，待發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到脫開轉(zhuǎn)速或啟動電機達到帶轉(zhuǎn)時間限制后，啟動電機脫開，發(fā)動機依靠渦輪剩余功率繼續(xù)加速轉(zhuǎn)子達到慢車轉(zhuǎn)速，啟動完成。

某型直升機用渦軸發(fā)動機在進行高原啟動試驗時，出現(xiàn)了發(fā)動機轉(zhuǎn)速熱懸掛現(xiàn)象。采用蓄電池供電，進行發(fā)動機冷機啟動，啟動過程中，燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速上升較慢，啟動30s后，啟動電機并網(wǎng)成功，隨后發(fā)動機燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速停留在45%左右，無法繼續(xù)上升，燃氣渦輪出口溫度T45先后4次超過800℃的限制，如表1所示。

表1 啟動過程中T45超過800℃限制情況

3 熱懸掛原因分析

對比此次熱懸掛和一典型正常啟動成功過程的點火時間(從點火繼電器打開到T45開始出現(xiàn)明顯的上升，3次蓄電池冷啟動成功的點火時間分別為2.63s、3.25s、3.25s)，如圖1所示(橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)從下到上依次為燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速、燃氣渦輪出口溫度、點火繼電器狀態(tài)信號(開關(guān)量))，此次熱懸掛的點火時間為5.56s，而正常啟動過程點火時間僅為3.25s。點火延遲的可能原因有：環(huán)境溫度低，導(dǎo)致燃油的黏度較大，且大氣壓力低，燃油霧化質(zhì)量差；所需點火能量增大；燃燒室散熱率大；燃燒效率低。點火時間的延遲可能會對轉(zhuǎn)速的上升產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的實際上升時間減少，從而使得啟動30s后Ng未達到50%。根據(jù)啟動過程的控制邏輯，此時啟動電機由啟動狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)，為后續(xù)的熱懸掛留下隱患。

圖1 熱懸掛啟動過程的點火時間

此次啟動過程中典型參數(shù)的時間歷程曲線如圖2所示，橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)從下往上分別為燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速(Ng)、燃氣渦輪出口溫度(T45)、壓氣機出口壓力(P3)、燃油流量(Wf)、燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速變化率(NgDot)、油氣比(Wf/P3)、點火繼電器狀態(tài)信號(GSDHJ)、啟動電機狀態(tài)信號(GSQDDJ)、啟動電磁閥狀態(tài)信號(GSQDF)、蓄電池電流(IXU)、啟動發(fā)電機電流(IQF)。

t0時刻：飛行員將發(fā)動機控制開關(guān)撥至“地慢”位，進入發(fā)動機正常啟動的控制邏輯，點火繼電器打開、啟動電機打開、啟動電磁閥打開，蓄電池開始供電。

t1時刻：Ng到達9%，開始供油，且燃油流量固定。

t2時刻：Ng超過15%，供油規(guī)律由固定供油變?yōu)榘凑杖細獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速供油。

t3時刻：點火繼電器、啟動電磁閥工作時間達到25s，根據(jù)正常啟動的控制邏輯，斷開點火繼電器、啟動電磁閥。

t4時刻：啟動電機工作時間達到30s，根據(jù)正常的啟動邏輯，啟動電機由啟動狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)，隨后啟動電機并網(wǎng)成功(啟動發(fā)電機電流突然增大)，蓄電池開始充電，相當(dāng)于提供了一個很大的負載，導(dǎo)致Ng無法繼續(xù)上升(剛開始并網(wǎng)時由于負載提取的功率很大，Ng有所下降)。此時供油規(guī)律為Ng加速度閉環(huán)控制，Ng的實際變化率小于給定變化率。要保證Ng的實際增長率達到控制規(guī)律所給定的變化率，開始增加燃油流量。

t5時刻：隨著燃油流量的增加，轉(zhuǎn)速的變化需要響應(yīng)時間，且由于負載依然比較大，Ng沒有很大的變化，P3變化也不大，所以油氣比會增大，從而在t5時刻達到啟動過程中的油氣比限制值，燃油流量被限制在一接近穩(wěn)定的值，隨著P3的變化而有所變化。

t6時刻：隨著燃油流量的增加，T45持續(xù)增加，在t6時刻，T45超過800℃，觸發(fā)了T45超溫限制邏輯，開始切油(以較大的速率減小燃油流量)。

t7時刻：從t6時刻燃油流量減小，到t7時刻，燃油流量受到加速度閉環(huán)段最小燃油流量的限制，穩(wěn)定在一固定值。隨后，T45開始下降，直至其低于800℃，而此時Ng實際變化率依然小于給定變化率，因此又會增加燃油流量，而后達到油氣比限制，再達到T45超溫限制，切油，重復(fù)以上控制過程。

圖2 啟動過程中典型參數(shù)的時間歷程曲線

為進一步分析并網(wǎng)成功對發(fā)動機啟動的影響，將本次啟動熱懸掛與另一次成功啟動的關(guān)鍵參數(shù)進行對比，如圖3所示，參數(shù)含義與圖2一致。兩次啟動均為在同一試驗場進行的蓄電池啟動，環(huán)境溫度接近(熱懸掛4.2℃，啟動成功4.3℃)，氣壓高度接近(熱懸掛4458m，啟動成功4475m)。從圖中可以看到，兩次啟動過程中，熱懸掛的點火延遲時間更長(熱懸掛5.56s，啟動成功3.25s)，且兩次均為啟動電機帶轉(zhuǎn)時間達到30s后脫開，此時Ng為：熱懸掛45.44%，啟動成功45.78%。可見，點火時間延遲的差別對于轉(zhuǎn)速的上升有一定影響。而后，啟動電機由啟動狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)，蓄電池充電電流分別為：熱懸掛65A，啟動成功40A并很快衰減，啟動電機不再對蓄電池充電，此時的啟動發(fā)電機電流分別為：熱懸掛156.9A，而啟動成功為72A，并在約0.4s后降為0A，這是由于此時啟動電機出現(xiàn)差動保護，斷開發(fā)電機接觸器，斷開發(fā)電機勵磁，并網(wǎng)失敗?？梢?，并網(wǎng)失敗時，由于蓄

電池不需要從燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子提取很大的功率，按照既定供油規(guī)律供油，燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速可以正常上升，直至啟動成功。而并網(wǎng)成功時，蓄電池及機載設(shè)備需提取很大的功率，導(dǎo)致燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速無法正常上升，出現(xiàn)熱懸掛現(xiàn)象。

圖3 熱懸掛和成功啟動關(guān)鍵參數(shù)對比

4 結(jié) 論

本文對某渦軸發(fā)動機在進行高原啟動時出現(xiàn)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速懸掛現(xiàn)象進行了詳細分析，分析了出現(xiàn)轉(zhuǎn)速懸掛的原因是采用蓄電池供電，在高高原條件下，發(fā)動機啟動系統(tǒng)的能力與啟動電機并網(wǎng)發(fā)電所產(chǎn)生的功率負載不匹配，從而導(dǎo)致發(fā)動機啟動失敗。通過前后兩次啟動的數(shù)據(jù)對比，進一步驗證了該原因，本文的結(jié)論可為出現(xiàn)同類問題的分析及該型渦軸發(fā)動機的改進設(shè)計提供參考。