楊 波 樊曉鋒
(1.中國直升機設計研究所,江西 景德鎮(zhèn)333001;2.西藏軍區(qū)航空保障處,西藏 拉薩850000)
直升機采用渦軸發(fā)動機提供動力,主要通過傳動驅(qū)動旋翼和尾槳旋轉(zhuǎn)。正常起動時,旋翼會隨發(fā)動機起動同步旋轉(zhuǎn)。在某些場景下,如強風環(huán)境、狹小空間等,為了保證安全,直升機被限制起動,這極大地限制了直升機的使用和維護。為滿足直升機在特殊情況下的使用、維護以及任務需求,部分直升機設有一種旋翼剎車起動模式,該模式能夠在剎住旋翼的情況下起動發(fā)動機。
從起動過程來看,直升機旋翼剎車起動可分為兩個階段。第一階段為剎車發(fā)動機起動階段。該階段旋翼被剎車裝置制動,發(fā)動機按照預設的控制程序起動并加速到穩(wěn)定狀態(tài)。第二階段為松剎旋翼加速階段。該階段發(fā)動機已成功起動并穩(wěn)定運轉(zhuǎn),此時松開旋翼剎車,旋翼在發(fā)動機扭矩作用下快速加速到慢車額定轉(zhuǎn)速。由于剎車裝置松開之前發(fā)動機已經(jīng)具備了一定的扭矩輸出能力,因此與正常起動相比,采取旋翼剎車起動模式,旋翼擁有更高的加速度和更短的起動時間。
本文介紹了旋翼剎車起動的原理及應用,并結(jié)合某型直升機旋翼剎車起動的試驗數(shù)據(jù),通過對比分析給出了旋翼剎車起動發(fā)動機和旋翼的特點。
典型單轉(zhuǎn)子航空渦軸發(fā)動機的渦輪由燃氣渦輪和動力渦輪兩部分組成。前端燃氣渦輪帶動壓氣機工作,共同構(gòu)成發(fā)動機燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子。后端動力渦輪通過傳動與旋翼、尾槳機械連接,驅(qū)動旋翼、尾槳做功。燃氣渦輪與動力渦輪之間無機械連接。正常情況下,渦軸發(fā)動機在起動過程中,燃燒后的高溫高壓燃氣推動燃氣渦輪轉(zhuǎn)動的同時也推動動力渦輪做功,而動力渦輪與旋翼機械相連,因此,發(fā)動機起動過程中,旋翼會隨發(fā)動機同步運轉(zhuǎn)加速。當發(fā)動機起動成功后旋翼和動力渦輪將穩(wěn)定在一個相對恒定的慢車狀態(tài)上。
根據(jù)渦軸發(fā)動機起動特點,直升機可設旋翼剎車起動系統(tǒng)。發(fā)動機起動前,首先采用旋翼剎車裝置對傳動軸進行制動。發(fā)動機起動過程中,前端燃氣渦輪帶動壓氣機工作,而后端動力渦輪連同旋翼、傳動在剎車裝置的制動作用下保持靜止。待發(fā)動機壓氣機起動完成并穩(wěn)定運轉(zhuǎn)后,松開旋翼剎車裝置,此時動力渦輪失去制動作用,在高壓燃氣的作用下迅速加速到預設轉(zhuǎn)速,完成直升機旋翼起動。
直升機旋翼剎車起動發(fā)動機過程中,旋翼處于不運轉(zhuǎn)狀態(tài),因此這種發(fā)動機起動方式適用于直升機和渦軸發(fā)動機在特定場景下的維護。比如,發(fā)動機在實施壓氣機清洗后進行運轉(zhuǎn)烘干,以及直升機處于艦面、機庫等狹小空間,旋翼不具備運轉(zhuǎn)條件時,均可采用旋翼剎車起動發(fā)動機。
另外,直升機旋翼剎車起動適用于強風環(huán)境下的直升機起動。在強風環(huán)境下,尤其是陣風環(huán)境,隨著風速的增加,旋翼槳葉受陣風影響上下?lián)]舞。旋翼在低轉(zhuǎn)速時,槳葉的旋轉(zhuǎn)離心效應不足,揮舞程度更加劇烈,嚴重時可能導致槳葉損壞甚至與機身干涉。直升機起動初期,旋翼在低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時間過長,會增加旋翼損壞的風險。因此,強風環(huán)境下,直升機采用旋翼剎車起動,旋翼在加速初期具備相對較大的加速度,旋翼起動時間更短,可以在一定程度上降低起動風險。目前國內(nèi)外直升機起動風速限制一般在15 m/s,采用旋翼剎車起動一般可將風速限制提升至20 m/s以上。
以某型直升機為研究對象,采用正常和旋翼剎車兩種狀態(tài),進行該直升機發(fā)動機和旋翼起動,并對試驗數(shù)據(jù)進行對比分析。
渦軸發(fā)動機起動過程分為三個階段[1,2]:
(1)起動機帶動燃氣發(fā)生器運轉(zhuǎn)階段。
(2)起動機和燃氣渦輪共同帶動壓氣機運轉(zhuǎn)階段。
(3)起動機脫開到發(fā)動機加速再到慢車階段。
發(fā)動機的起動按照預定的順序,分階段逐步進行。該直升機正常起動和旋翼剎車起動過程中,發(fā)動機在前兩個階段的運轉(zhuǎn)及控制基本相同。在進入第三個階段后,正常起動模式下,發(fā)動機動力渦輪和旋翼轉(zhuǎn)速會隨之上升,此時采用恒定的動力渦輪轉(zhuǎn)速作為慢車狀態(tài)進行控制;在旋翼剎車模式下,動力渦輪和旋翼被制動,發(fā)動機采用恒定的燃氣渦輪轉(zhuǎn)速作為慢車狀態(tài)進行控制。
在同樣的大氣條件下,該直升機在正常起動和剎車起動兩種模式下的發(fā)動機起動過程如圖1所示。
圖1 某型直升機剎車與正常發(fā)動機起動曲線
圖1中,該直升機剎車起動與正常起動相比,發(fā)動機在前兩個階段的起動曲線基本一致。在第三階段,由于兩種起動方式慢車狀態(tài)控制目標不同,發(fā)動機運轉(zhuǎn)曲線有所差異。正常起動到慢車狀態(tài)后,發(fā)動機燃氣渦輪轉(zhuǎn)速隨旋翼需求功率進行實時調(diào)整,而剎車起動到慢車狀態(tài)后,發(fā)動機燃氣渦輪轉(zhuǎn)速恒定在70%。
為了進一步分析旋翼剎車起動的特點,尤其是對旋翼加速性的影響,對上述某直升機進行剎車起動,待發(fā)動機起動成功至慢車狀態(tài)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)后,松開旋翼剎車。同樣的大氣條件下,旋翼剎車起動和正常起動旋翼加速性對比曲線如圖2所示。
圖2 某型直升機剎車起動與正常起動旋翼加速曲線
由圖2可以看出,與正常起動相比,該直升機剎車起動初期旋翼便具有了相對較大的加速度,當旋翼轉(zhuǎn)速增加到10%以上時,兩種起動模式旋翼加速性相近。起動到慢車狀態(tài)后,兩種起動模式的旋翼轉(zhuǎn)速均趨于穩(wěn)定在50%轉(zhuǎn)速。
本文介紹了直升機旋翼剎車起動原理以及應用,通過對某型直升機旋翼剎車起動與正常起動數(shù)據(jù)的對比分析,給出了直升機旋翼剎車起動的特點。結(jié)果表明:渦軸發(fā)動機可以在直升機旋翼制動的情況下進行剎車起動并穩(wěn)定工作;在旋翼剎車起動過程中,松開旋翼剎車瞬間,直升機旋翼在起動初期具備比正常起動更大的加速度。因此,旋翼剎車起動應用于強風環(huán)境下的直升機起動,可以在一定程度上減小起動風險。