馬靜宇，關思洋，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)，其設計的關鍵點是保證發(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供電。一旦T45上升超過50 ℃，起動發(fā)電機恢復供電，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)的二次點火仍與設計預期結(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，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計有一定的借鑒意義。