張 網(wǎng)

（陜西直升機股份有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

該文總結(jié)了啟動過程的原理，建立了啟動數(shù)學(xué)模型，將發(fā)動機啟動過程分為3 個階段，并總結(jié)了影響點火成功的因素。該文以某一型號發(fā)動機為例，研究了“三高度”模式對發(fā)動機啟動的影響，提出了“三高度”模式的試驗方法和注意事項。并且研究了“三高”模式的供油規(guī)律以及海上推力的變化，分析CFM56-7 型民用發(fā)動機冬季冷啟動對冬季高地性能的影響，賀利明和李軍發(fā)現(xiàn)：由于空氣溫度、壓力、啟動功率、壓縮機匹配對發(fā)動機、燃燒室、渦輪及其他部件啟動的影響，在高原低壓、低氧、多變溫度和風(fēng)向等特殊氣候條件下，發(fā)動機容易出現(xiàn)點火故障、溫度過高、懸掛不穩(wěn)、失速啟動失敗的情況，飛機在高原地區(qū)的使用受到一定程度的限制。

1 某型號發(fā)動機地面啟動原理

渦輪發(fā)動機的小繞線啟動過程（在啟動前由燃氣渦輪發(fā)動機啟動）稱為啟動過程。當(dāng)航空發(fā)動機在地面上啟動時，由于缺少空氣吸入，必須依靠外部電源才能啟動發(fā)動機。此時如果向燃燒室噴油，發(fā)動機就會燃燒，轉(zhuǎn)子就會轉(zhuǎn)動，當(dāng)燃燒室的流量達到一定的速度時，只需要穩(wěn)定燃燒所需要的壓力和溫度。在電、油系統(tǒng)的啟動控制邏輯下，地面啟動過程由靜止?fàn)顟B(tài)過渡到怠速狀態(tài)。

對發(fā)動機進行地面啟動，可以將其劃分為3 個階段：從靜止到主燃燒室初始點火狀態(tài)為NC段扭矩（N·m）、主燃燒室初始點火狀態(tài)到啟動機分離為NC+NT段扭矩（N·m）、啟動機分離到減速為NT段扭矩（N·m）。如圖1 所示（x軸為轉(zhuǎn)速，r/min。y軸為扭矩，N·m）。

圖1 發(fā)動機啟動過程

在某一時刻，主燃燒室沒有火，并且發(fā)動機的轉(zhuǎn)速與啟動器的功率成正比。啟動器的啟動速度主要取決于功率。成功啟動的關(guān)鍵是選擇著火速度和啟動機的輸出功率。點火速度的選擇對發(fā)動機啟動有很大影響，供油速度低，油耗提前，轉(zhuǎn)速低，耗氣量小，發(fā)動機啟動時間就會延長；供油速度高，主燃燒室油耗高，會導(dǎo)致發(fā)動機過熱和喘振；啟動裝置的輸出扭矩必須滿足發(fā)動機及其機組的阻力力矩要求，發(fā)動機達到點火速度，在充分分配啟動器輸出扭矩的情況下，可以縮短達到點火速所需的時間以及啟動時間。第二階段，在主燃燒室點火成功后，發(fā)動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速通過啟動機功率和渦輪功率增加，主要取決于啟動機功率和渦輪剩余功率。分離器的設(shè)計和轉(zhuǎn)速的選擇要符合燃燒室供油的基本規(guī)律，是影響二次啟動成功的關(guān)鍵因素。啟動時燃油供應(yīng)規(guī)則的設(shè)計應(yīng)考慮所有對啟動時間的要求、壓縮機的性能、極限啟動界限（失速/喘振界限）、最低啟動界限（懸掛界限）和飛機機組負荷。啟動線路和壓縮機界限見圖2（左圖x軸為工作線時長，min，y軸為渦輪剩余功率，kW；o點為發(fā)動機起始點，n1為第一階段；n2為第二階段；n3為第三階段，右圖x軸為點火后時長，min；y軸為起動機脫開轉(zhuǎn)速，r/min）。

圖2 啟動過程壓氣機工作線及邊界限制條件

在第三階段，啟動器停止工作，發(fā)電機轉(zhuǎn)子加速。轉(zhuǎn)速的增加主要依賴于殘余功率。該階段主燃燒室的供油規(guī)律是啟動成功的關(guān)鍵因素，其設(shè)計原則與第二階段相同[1]。

2 高原啟動影響理論分析

由于高海拔特殊的氣候環(huán)境，如低氣壓、低空氣密度、低氧含量以及較大的晝夜溫差等，給航空發(fā)動機的高原啟動帶來不利影響。對航空燃氣輪機和燃氣輪機啟動器而言，高原環(huán)境下，由于氣壓和空氣密度的降低，在轉(zhuǎn)速限制的情況下，啟動器輸出功率較小。因此，在啟動前（第一級和第二級），啟動器的承載能力就會降低，相應(yīng)地達到第一級和第二級，轉(zhuǎn)速就會降低，或者啟動時間會延長。根據(jù)高原試驗結(jié)果，最大懸掛速度為3min～5min，頻率較高。因此，為了實現(xiàn)發(fā)動機與氣體的最佳相容性，高原地區(qū)供油規(guī)律和順序需要調(diào)整。此外，由于進氣密度的降低，在同一流量下進氣量的相對減少，以及殘余空氣系數(shù)的降低，在相同的進氣溫度下，如果按照平原地區(qū)供給規(guī)則進入燃油，油氣量會更高，出現(xiàn)富油燃燒的情況，導(dǎo)致排氣溫度升高，點火失敗。

發(fā)動機需要根據(jù)飛行器的需要，為飛機的日常使用提供所需的功率。高空作業(yè)開始后，引擎本身的多余功率就會減少。啟動初期循環(huán)，發(fā)動機剩余功率較小；在整個啟動（飛機機組）或裝料過程中，發(fā)動機過載導(dǎo)致發(fā)動機工作點偏離正常工作線。提高排氣溫度，暫停啟動，延長啟動壽命，導(dǎo)致啟動失敗。啟動時為飛機機組提供動力，飛機液壓系統(tǒng)的正常工作受到限制，因此，飛機在起飛期間的能量回收值受到限制[2]。

3 高原啟動改進措施及試驗驗證

3.1 啟動機功率增高

為解決高原環(huán)境下啟動器功耗降低和一、兩級怠速不足的問題，在同等工況下，高原試驗時，啟動功率提高1%左右，冷速提高約1.2%，發(fā)動機點火速度提高2%，離合器啟動速度提高2.5%，排氣溫度降低8%，啟動時間縮短8%。

3.2 延長點火時間和啟動機脫開時間

與平原過程啟動相比，高原過程啟動的啟動時間和啟動速度都比平原過程啟動的要慢，因為發(fā)動機在高空啟動時達到點火速度，啟動分離器轉(zhuǎn)速提高，從而優(yōu)化了發(fā)動機的啟動控制程序。延長供油時間或推遲供油時間都可以增加點火成功的可能性，使點火后的點火分配更合理，為發(fā)動機的后續(xù)啟動創(chuàng)造了條件。在該過程中，可增加啟動機的分離時間。根據(jù)啟動機的轉(zhuǎn)速和功率，在40%轉(zhuǎn)速下，啟動器的功率開始達到峰值，同時，啟動器斷開，無法完全發(fā)揮工作能力。因此，根據(jù)初步評估，建議將啟動時間從70s 提高到90s，高壓旋轉(zhuǎn)速度提高20%。有效地解決了發(fā)動機離合器轉(zhuǎn)速低，離合器性能差的問題，使發(fā)動機的剩余加速功率提高了42%～48%。

3.3 飛機卸料

為了解決啟動時液壓加載引起的載荷增加和啟動困難的問題，研究人員采用飛機卸料優(yōu)化的方法，發(fā)動機優(yōu)化后的輸出功率全部用于發(fā)動機啟動（飛機的加載功率可達20kW），從而減少了發(fā)動機的初始輸出。卸料能提高分離速度，降低排氣溫度；在啟動第三階段（啟動器關(guān)閉后）的負載情況下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速沒有提高，導(dǎo)致停機；在同樣的情況下，盡管在啟動第三階段（啟動器斷開后）仍然存在停機現(xiàn)象，但它能夠確保成功啟動。為評價飛機裝載對起飛性能的影響，選取了飛機在優(yōu)化條件下成功起飛的數(shù)據(jù)和裝載，將起飛時間減少20%，排氣溫度降低3%，啟動機構(gòu)分離速度提高3%。

4 發(fā)動機異常啟動

發(fā)動機的啟動有手動和自動2 種方式，引擎自控系統(tǒng)自動控制啟動過程，提供全方位保護；操作者可選擇引擎啟動供油時間及點火時間，手動啟動。因此，控制系統(tǒng)將失去某些保護功能?？梢栽趩雍蛦幽Ｊ竭M行異常引導(dǎo)。發(fā)動機常見的啟動異常包括點火故障、啟動過熱/過熱/失速、啟動懸掛、啟動氣壓低以及未發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇或發(fā)動機轉(zhuǎn)動[3]。

4.1 點火失敗

4.1.1 自動啟動點火失敗

在地面自動啟動的情況下，全權(quán)限數(shù)字發(fā)動機控制器（FADEC）應(yīng)該在選擇供油后的15s 內(nèi)點燃燃油（冷啟動），持續(xù)20s。若FADEC 未發(fā)現(xiàn)燃油點，則向飛行警告計算機提供顯示信息，燃油計量門和點火電源將自動關(guān)閉，然后，在30s 內(nèi)使發(fā)動機處于干燥和冷卻狀態(tài)，以排除發(fā)動機熱段的剩余燃油。再打開燃油計量閥，選擇2 個點火噴嘴同時點火，試著再次啟動發(fā)動機。若發(fā)現(xiàn)燃油未被點燃，在10s 內(nèi)（引擎冷態(tài)運行15s）再次中斷燃料供給并點火，再冷態(tài)干態(tài)運行30s 后，引擎即停止啟動。操作者應(yīng)該將啟動手柄設(shè)為“off”，而啟動開關(guān)設(shè)為“on”。選擇空氣自動啟動時，燃油應(yīng)該在FADEC 供給燃料后的30s 內(nèi)被點燃。若FADEC 發(fā)現(xiàn)未點火，則引導(dǎo)將終止。如果試圖重新啟動，則不需要等待30s 冷卻或風(fēng)車速度。

4.1.2 人工啟動點火失敗

如果選擇手動啟動，飛機在地面上，在選擇供油后15s點火；如果選擇供油后30s 點火，在選擇供油后30s 點火；如果沒有在規(guī)定時間內(nèi)點火，控制系統(tǒng)將自動停止啟動。如在空氣中手動啟動2 次失敗，可嘗試自動啟動，并注意使用啟動機的限制。

4.2 啟動過熱，失迷，超溫

啟動過熱是指點火后排氣溫度高于啟動溫度；啟動失速是指啟動時發(fā)動機轉(zhuǎn)速發(fā)生異常變化，發(fā)動機排氣溫度與啟動溫度相比，異常升高；加速時，啟動溫度越高，發(fā)動機啟動時排氣溫度越高，發(fā)動機溫度越高，發(fā)動機越熱。過熱和失速的主要原因包括程序啟動故障、發(fā)動機內(nèi)部損壞或壓氣機性能下降、供油計劃異常、變幾何控制系統(tǒng)（可調(diào)節(jié)排氣閥、可調(diào)節(jié)靜葉等）工作不正常、空氣系統(tǒng)故障、啟動閥過早關(guān)閉、啟動壓力無效或不足（當(dāng)?shù)厍蜃詣訂訒r，增壓閥失效，導(dǎo)致燃燒室油污積聚，啟動閥過早關(guān)閉）以及大氣壓不足。FADEC 按順序執(zhí)行下列步驟：如果再次出現(xiàn)異常情況，燃油供應(yīng)再中斷6s，則進一步減少7%（比前一種減少4%）；如果持續(xù)過熱、失速和過熱，F(xiàn)ADEC 將自動停止啟動，并且錯誤信息將顯示在駕駛艙內(nèi)。操作者在啟動時，如果發(fā)動機可能或已經(jīng)過熱，F(xiàn)ADEC 將自動停止啟動，機組過熱等應(yīng)在啟動時，可能或過熱，滅火，過熱等情況下停止啟動[4]。

4.3 啟動太慢或懸掛

啟動停頓是指點火成功后，發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升過慢，甚至出現(xiàn)長期低于怠速的現(xiàn)象。啟動中止的原因可能是啟動時燃油控制方案不當(dāng)，導(dǎo)致燃燒室過濃或過稀。啟動時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速緩慢上升，同時油流和排氣溫度都較低，認為出現(xiàn)了稀懸；如果發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升緩慢，但油流較大，排氣溫度上升過快，則認為是富油懸浮。如果是富油（熱）懸浮，操作者必須停止啟動；稀油懸浮可提高啟動氣壓和供油點火速度。如果燃料流量在136 kg/h 以下，或者在低速下（地面溫度低于20%，空氣溫度低于15%），引擎就不能成功啟動。啟動暫停的原因可能有以下幾個：1）啟動氣壓不足，啟動閥故障或過早斷開 。2）壓縮機效率太低或有異物損壞 。3）HMU 增壓閥故障。4）氣流控制系統(tǒng)故障。5）渦輪損壞。

4.4 未檢測到風(fēng)扇或核心機轉(zhuǎn)動

在啟動過程中未檢測到風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的情況下，當(dāng)發(fā)動機核心轉(zhuǎn)速達到51%左右時，控制系統(tǒng)會向駕駛艙發(fā)出警報。在此期間必須停止啟動。開啟閥門后，如果控制系統(tǒng)在2min 內(nèi)沒有檢測到核心機的轉(zhuǎn)動，它就會通知機組終止啟動。

5 解決高原啟動的措施

由于空氣稀薄，APU（輔助動力裝置）在高原機場提供遠低于低海拔的啟動氣壓。發(fā)動機ECU 無論在低空或高空啟動，都提供特殊的啟動保護方式，ECU 中的啟動保護數(shù)據(jù)庫主要以低空區(qū)域為基礎(chǔ)。通過以上分析，認為在高原機場發(fā)動機啟動時，由于保護作用，往往會被ECU 自動終止，針對發(fā)動機啟動困難這一問題，該文采取了以下對策：1）提高氣源壓力，可以提高氣源啟動壓力。2）提高氣源啟動壓力，使發(fā)動機難以自動啟動，可以采用手動啟動?，F(xiàn)在，F(xiàn)ADEC 還沒有抗失速功能，但是很容易啟動。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，機組必須密切注意發(fā)動機的啟動情況，在出現(xiàn)異常時立即停止發(fā)射。3）改變冷啟動和點火邏輯的供油方式。該軟件利用排放溫度和總溫度的差異。決定引擎冷卻狀態(tài)的機油，排氣溫度和總溫度閾值被設(shè)置為30 ℃；在發(fā)動機冷卻狀態(tài)下，所有啟動高度的引擎采用相同的冷態(tài)供油方案。當(dāng)高壓高度超過3048 m 并且開始供油時，發(fā)動機核心速度從25%提高到30%，即最高冷卻速度。將點火邏輯改為單噴嘴點火，以確定是否正常。若點火成功（排氣溫度升至42℃以上），雙噴管自動點火[5]。

6 結(jié)語

該文對發(fā)動機高原啟動進行了一系列的分析和試驗，總結(jié)了提高發(fā)動機高原啟動成功率的有效方法。研究結(jié)果表明：1）提高高原啟動成功率，應(yīng)采用大功率的啟動裝置，提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升速度（啟動過程的第一階段和第二階段）。實驗結(jié)果表明，啟動功率提高約1%，啟動功率提高1%左右，冷速提高約1.2%，發(fā)動機點火速度提高2%，離合器啟動速度提高2.5%，排氣溫度降低8%，啟動時間縮短8%。2）在發(fā)動機啟動過程中，飛機卸料能有效降低發(fā)動機排氣溫度和啟動時間，增加發(fā)動機啟動功率；采用卸料措施能使發(fā)動機啟動時間減少20%，排氣溫度減少3%。3）增加點火時間和啟動關(guān)閉時間，可提高發(fā)動機點火成功率，使點火后油、氣的分布更為合理。