馬靜宇，關(guān)思洋，徐野夫，遲曉林

（哈爾濱哈飛航空工業(yè)有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150066）

0 引 言

電源起動的航空渦輪發(fā)動機由工作于起動機狀態(tài)下的起動發(fā)電機，在電力驅(qū)動下帶動發(fā)動機起動[1,2]。對于電源起動的航空渦輪發(fā)動機起動系統(tǒng)，其設(shè)計的關(guān)鍵點是保證發(fā)動機與起動發(fā)電機之間的良好匹配。一方面，起動發(fā)電機能夠提供足夠的力矩，以保證驅(qū)動發(fā)動機轉(zhuǎn)動；另一方面，起動力矩不可過大，以免發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升過快而錯過點火時機導(dǎo)致起動失敗[3,4]。

1 理論分析

1.1 直升機發(fā)動機起動原理

直升機渦輪發(fā)動機的起動過程為機組將發(fā)動機開關(guān)置于“慢車”或“飛行”位置后，發(fā)動機電子控制單元（Engine Electronic Control Unit，EECU）執(zhí)行起動命令，向起動接觸器線圈供電，起動接觸器觸點吸合，地面電源或機載蓄電池開始向起動發(fā)電機供電，發(fā)動機燃氣渦輪在起動發(fā)電機的驅(qū)動下由靜止開始運轉(zhuǎn)[5]。

發(fā)動機燃氣渦輪轉(zhuǎn)速N1是監(jiān)測發(fā)動機起動過程的重要參數(shù)，在參數(shù)采集設(shè)備上以百分比（%）記錄。渦輪間排氣溫度T45是判定發(fā)動機點火情況的直觀參數(shù)，在參數(shù)采集設(shè)備上以攝氏度（℃）記錄。在發(fā)動機燃氣渦輪轉(zhuǎn)速N1達到適合點火的窗口期時，起動電磁閥控制噴油嘴開始供油，同時高能點火器開始點火，引燃油氣混合物。在起動發(fā)電機和油氣混合物燃燒的共同作用下，N1不斷上升。N1達到約61%時，發(fā)動機已可維持自運轉(zhuǎn)，EECU控制起動發(fā)電機、高能點火器及起動電磁閥停止工作，起動結(jié)束[6,7]。

圖1展示了起動過程中N1及T45的變化過程。起動開始后，N1轉(zhuǎn)速從0開始逐漸上升，達到9.9%之前，渦輪間排氣溫度（T45）沒有變化，達到9.9%時，溫度T45開始快速上升，表明渦輪間的油氣混合物已被引燃，標志著此時發(fā)動機點火成功。

1.2 二次點火現(xiàn)象

發(fā)動機點火成功的標準為N1達到17%后，5 s內(nèi)T45上升超過50 ℃。若在N1達到17%后，5 s內(nèi)T45上升小于50 ℃，那么EECU將判定點火失敗，斷開起動發(fā)電機、起動電磁閥以及高能點火器的供電。失去起動發(fā)電機的驅(qū)動，N1轉(zhuǎn)速開始下降，下降至10%時起動電磁閥和高能點火器恢復(fù)供電。一旦T45上升超過50 ℃，起動發(fā)電機恢復(fù)供電，二次點火成功。TM公司提供的典型二次點火曲線如圖2所示。

圖1 N1和T45起動過程曲線（正常點火）

圖2 典型二次點火曲線

圖3中，N1到達17%后，5 s的時間內(nèi)上升至21.5%，T45仍處于持續(xù)下降的狀態(tài)。EECU判定點火失敗，N1開始下降。在下降至9.7%時，T45開始上升，此時T45為13.4 ℃。上升至61.2 ℃時，EECU判定二次點火成功，并恢復(fù)起動發(fā)電機供電，N1再次上升，并達到能夠維持自運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。

圖3 N1和T45起動過程曲線（二次點火）

1.3 故障原因分析

二次點火是一種非正常的點火現(xiàn)象，表明第一次點火因某方面條件不具備而未成功。發(fā)動機的最佳點火窗口期為N1在5%～17%。通過分析多次二次點火曲線，發(fā)現(xiàn)N1由5%上升至17%左右所用時間在0.9～1.2 s，具體見表1。

表1 N1上升時間

高能點火器每分鐘工作120次，即每秒工作兩次。據(jù)此判斷，表1中記錄的起動過程中，在最佳點火窗口期高能點火器僅能工作1～3次。由于N1上升速度快，縮短點火窗口期時間，窗口期內(nèi)的點火次數(shù)較少，高能點火器未能引燃油氣混合物，隨后N1達到起動發(fā)電機能夠提供的最大轉(zhuǎn)速（約20%）。持續(xù)一段時間（5 s）后EECU判定點火失敗，斷開起動發(fā)電機的供電，N1轉(zhuǎn)速逐漸下降。在N1轉(zhuǎn)速降至一定值時，恢復(fù)起動發(fā)電機的供電，N1轉(zhuǎn)速再次上升，高能點火器繼續(xù)點火。第二次點火時發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化緩慢，可延長點火窗口期，使點火成功。

2 起動控制設(shè)計改進

2.1 方案確定

發(fā)動機需求的起動力矩上限為51.5 N.m，繪于起動發(fā)電機可提供的起動力矩曲線圖內(nèi)，空心曲線是起動發(fā)電機在不同輸入電壓及電流條件下所提供的力矩，實心曲線為根據(jù)起動發(fā)電機力矩曲線繪出的延長線[8,9]。起動力矩對比如圖4所示。

圖4 起動力矩對比

以起動開始的時間點為T0，此時電流最大，可達到850 A左右，電壓最低，隨起動電源的不同，約在16～20 V之間。根據(jù)圖中延長線判斷，起動發(fā)電機的輸出力矩符合發(fā)動機力矩需求。但頻繁出現(xiàn)的二次點火仍與設(shè)計預(yù)期結(jié)果不符，需避免該現(xiàn)象出現(xiàn)。

起動力矩與起動電流直接相關(guān)，起動電流越大，起動力矩越大[10]。因此，可通過調(diào)整起動電路，降低起動電流和起動力矩，減緩N1加速度，延長點火窗口期時間，增加窗口期內(nèi)的點火次數(shù)，從而實現(xiàn)提高起動點火概率的目的。

2.2 理論分析

在TM公司進行的起動臺架試驗中，最佳點火窗口期的持續(xù)時間達到2.5 s以上時，即可一次點火成功，不再出現(xiàn)二次點火的現(xiàn)象。根據(jù)起動試驗采集數(shù)據(jù)，當前T0時間點的起動電流在800～850 A之間。從力矩曲線圖中可知，此時起動力矩在400～420 N.m。通過調(diào)整起動控制電路將起動電流降至700 A左右，力矩約340 N.m。以此初始力矩驅(qū)動發(fā)動機起動，最佳點火窗口期的持續(xù)時間可延長至2.5 s以上。

3 機上驗證

在調(diào)整機上起動控制及起動供電電路后，經(jīng)多次地面起動試驗，T0點的起動電流均保持在650～700A，力矩為290～335 N.m。

發(fā)動機N1轉(zhuǎn)速為100%時，對應(yīng)起動發(fā)電機轉(zhuǎn)速為11 330 rad/min。據(jù)此計算，N1為17%時，起動發(fā)電機轉(zhuǎn)速為1 926 rad/min。以調(diào)整前后多次試驗采集的數(shù)據(jù)繪制N1低于17%階段的起動力矩曲線，力矩包線區(qū)域?qū)Ρ热鐖D5所示.

圖5 力矩包線區(qū)域?qū)Ρ?/p>

圖5中，紅色虛線為N1達到17%的轉(zhuǎn)速。上部陰影區(qū)域為調(diào)整起動電流前的力矩包線區(qū)域，下部陰影區(qū)域為調(diào)整起動電流后的力矩包線范圍?？梢钥闯觯谡{(diào)整起動電流后，起動發(fā)電機提供的起動力矩較調(diào)整之前顯著降低。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)整理的N1變化時間如表2所示。

表2 改進后N1上升時間

N1由5%上升至17%的時間均高于2.5 s，且未再出現(xiàn)二次點火現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

針對某直升機起動中二次點火現(xiàn)象，分析其產(chǎn)生原因，比對系統(tǒng)匹配性，根據(jù)臺架試驗結(jié)果，調(diào)整起動系統(tǒng)控制邏輯及供電方式。經(jīng)機上驗證，通過調(diào)整起動電流，可有效延長點火窗口時間，改進該直升機起動的點火效率。本文中提供的調(diào)整力矩方法對于同類渦輪發(fā)動機起動系統(tǒng)的力矩匹配和點火窗口期時間與點火頻率的匹配設(shè)計有一定的借鑒意義。