朱明勇 皮星 盧聰明 王旭 鄒黎
(中國航發(fā)湖南動力機械研究所,湖南株洲 412002)
燃氣渦輪軸發(fā)動機起動過程是一個非常復(fù)雜的物理過程,涉及到氣體熱力學、燃燒學、自動控制、傳熱學及材料學等多門學科[1]。起動過程是渦軸發(fā)動機必經(jīng)的工作過程,不同的大氣條件、控制規(guī)律、燃油類型等均會影響發(fā)動機起動性能。為驗證發(fā)動機在起動包線內(nèi),特別是低溫條件下的地面起動性能,需進行低溫起動試驗[2]。
某型發(fā)動機是徑向進氣、單轉(zhuǎn)子燃氣發(fā)生器、預(yù)蒸發(fā)管燃燒室、自由渦輪式渦軸發(fā)動機,采用全權(quán)限數(shù)字式電子控制系統(tǒng)(簡稱數(shù)控系統(tǒng))。在高空模擬試驗臺,分別使用3號噴氣燃料和高閃點噴氣燃料進行了地面低溫起動試驗。圖1為某次使用高閃點噴氣燃料低溫起動歷程曲線,圖中ng、T45表示燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速、燃氣渦輪出口溫度,發(fā)動機點火、起動發(fā)電機帶轉(zhuǎn)正常,由于滑油溫度較低,發(fā)動機轉(zhuǎn)子阻力大,發(fā)動機剩余功率不足,ng懸掛,起動失敗。
圖1 使用高閃點噴氣燃料-40℃低溫起動歷程曲線
表1為3號噴氣燃料與高閃點噴氣燃料低溫起動情況對比表。
表1 3號噴氣燃料與高閃點噴氣燃料低溫起動情況對比
燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子從靜止狀態(tài)加速到慢車狀態(tài)的過程,稱為渦軸發(fā)動機的起動過程。某型渦軸發(fā)動機采用起動發(fā)電機帶轉(zhuǎn),起動過程分為以下4個階段:
第一階段:PMS開關(guān)從“停車”位置撥到“慢車”位置,立即接通點火控制信號、起動電機控制信號、起動電磁閥信號,發(fā)動機燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子由起動發(fā)電機帶動。點火系統(tǒng)打火一定時間后停止工作。
第二階段:ng轉(zhuǎn)速達到一定轉(zhuǎn)速時,燃油系統(tǒng)開始按給定的燃油流量向燃燒室供油。
第三階段:燃燒室點火成功后,燃氣開始驅(qū)動渦輪做功,與起動發(fā)電機共同驅(qū)動燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子加速。
第四階段:起動發(fā)電機脫開后,發(fā)動機自行加速至慢車狀態(tài)。
發(fā)動機起動懸掛可能有四方面原因:電機帶轉(zhuǎn)能力不足、點火系統(tǒng)能力不足、發(fā)動機供油不足、燃油霧化質(zhì)量不足。具體分析如下:
(1)電機帶轉(zhuǎn)能力不足。車臺電源電壓滿足電機使用要求,起動發(fā)電機冷運轉(zhuǎn)帶轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速符合設(shè)計要求,因此電機帶轉(zhuǎn)能力不足可排除。
(2)點火系統(tǒng)能力不足。發(fā)動機地面低溫起動懸掛前均能正常打火,點火時間2s~4s,與正常起動時的點火時間基本相當,點火系統(tǒng)能力不足可排除。
(3)起動供油不足。點火成功后發(fā)動機ng轉(zhuǎn)速上升緩慢,燃氣溫度T45較低,所以可能為數(shù)控系統(tǒng)給定起動燃油流量偏低導致,需通過試驗進行驗證。
(4)燃油霧化質(zhì)量不足。某型渦軸發(fā)動機燃燒室采用直射式噴嘴與蒸發(fā)管匹配實現(xiàn)燃油供給及霧化,霧化能力與離心噴嘴存在一定差距,在低溫條件霧化能力差。某型成熟渦軸發(fā)動機采用相同結(jié)構(gòu)燃燒室,規(guī)定使用高閃點噴氣燃料時不允許在-30℃以下起動。說明該發(fā)動機由于結(jié)構(gòu)受限,低溫起動能力較差。
3號噴氣燃料和高閃點噴氣燃料在成分、粘度、比熱容、密度等方面存在諸多差異。燃油運動黏性系數(shù)與低溫起動、噴嘴霧化有著密切的聯(lián)系,黏度越大,燃油霧化越差,越不利于低溫起動。表2為2種燃油不同溫度運動黏性系數(shù)對比。
表2 3號噴氣燃料與高閃點噴氣燃料運動黏性系數(shù)對比
由表2可知:高閃點噴氣燃油的運動黏性系數(shù)約為3號噴氣燃料的2倍,低溫條件下霧化效果更差,發(fā)動機點火、聯(lián)焰困難,因此使用高閃點噴氣燃油低溫起動的最低大氣溫度比使用3號噴氣燃料的最低大氣溫度要高。
因此,燃油霧化質(zhì)量不足,發(fā)動機聯(lián)焰緩慢問題不能排除。
(5)問題原因分析小結(jié)。根據(jù)以上分析,電機帶轉(zhuǎn)能力不足、點火系統(tǒng)能力不足可以排除,發(fā)動機供油不足、燃油霧化質(zhì)量不足不能排除,需開展專項驗證試驗。
為提高發(fā)動機低溫起動性能,針對燃油霧化不足、發(fā)動機聯(lián)焰偏慢、起動供油偏低問題,主要從3個方面優(yōu)化起動控制邏輯:
(1)提高固定供油段填充供油量,從而提高燃油噴嘴霧化壓力,提升霧化質(zhì)量。
(2)延長起動電磁閥和點火系統(tǒng)接通時間,改善發(fā)動機聯(lián)焰性能。
(3)提高發(fā)動機開環(huán)供油量和閉環(huán)燃油流量限制值,增加起動供油量。
通過多輪起動控制規(guī)律優(yōu)化驗證試驗,改善了低溫起動性能,具體優(yōu)化參數(shù)如下:
(1)地面低溫條件下,固定供油段供油量增加25%。
(2)地面低溫條件下,開環(huán)供油量增加8%。
(3)根據(jù)燃油泵調(diào)節(jié)器能力,將35% ng、40% ng的燃油高限值分別提高2.3%、11.5%。
(4)起動電磁閥和點火系統(tǒng)接通時間延長5s。
主要驗證結(jié)果如下:
(1)3號噴氣燃料低溫起動驗證。圖2為優(yōu)化起動控制規(guī)律、按-30℃保溫后,使用3號噴氣燃料在-40℃進氣溫度和-30℃滑油溫度條件下起動歷程曲線,發(fā)動機起動成功。重復(fù)包括保溫時間在內(nèi)的試驗程序共3次,均起動成功。使用3號燃油在地面低溫起動包線內(nèi)成功起動,表明改進措施有效。
圖2 3號噴氣燃油-40℃低溫起動歷程曲線
(2)高閃點噴氣燃料低溫起動驗證。
1)試驗條件:-20℃保溫,進氣、滑油溫度均為-20℃。
圖3為優(yōu)化起動控制規(guī)律,使用高閃點噴氣燃料在-20℃進氣溫度和滑油溫度條件下起動歷程曲線,發(fā)動機起動成功。重復(fù)包括保溫時間在內(nèi)的試驗程序共3次,均起動成功。
圖3 高閃點噴氣燃油-20℃低溫起動歷程曲線
2)試驗條件:-20℃保溫,滑油溫度-20℃,進氣溫度-40℃。
圖4為優(yōu)化起動控制規(guī)律后,使用高閃點噴氣燃料在-40℃進氣溫度、-20℃滑油溫度條件下起動歷程曲線。發(fā)動機點火和電機帶轉(zhuǎn)正常,ng轉(zhuǎn)速上升緩慢,T45溫度較低。A時刻,起動電磁閥和點火系統(tǒng)斷開,ng掉轉(zhuǎn),隨后T45下降,表明燃燒室未聯(lián)焰成功,最終起動失敗。
圖4 高閃點噴氣燃料-40℃低溫起動歷程曲線
在圖4起動失敗后,再次進行起動試驗,起動歷程曲線見圖5。發(fā)動機起動成功。
圖5 高閃點噴氣燃油-40℃低溫熱起動歷程曲線
3)試驗條件:大氣溫度-40℃,滑油溫度0℃。在外場高寒試驗條件下,對滑油系統(tǒng)進行加溫,當滑油溫度達到0℃后停止加溫,在-40℃大氣條件下進行起動試驗。發(fā)動機起動成功。
(3)低溫起動驗證小結(jié)。
根據(jù)以上驗證結(jié)果,起動控制規(guī)律優(yōu)化后:
1)使用3號噴氣燃料地面低溫起動最低溫度擴展至低溫邊界;
2)使用高閃點噴氣燃料地面低溫起動最低溫度擴展至-20℃,外場使用時可通過熱起動或?qū)Πl(fā)動機進行加溫的方式實現(xiàn)-40℃大氣條件下起動。
驗證結(jié)果表明,起動控制規(guī)律優(yōu)化措施有效。
(1)該型發(fā)動機由于燃燒室結(jié)構(gòu)受限,直射式噴嘴與蒸發(fā)管低溫霧化效果差,低溫起動能力較離心噴嘴型燃燒室偏差。
(2)通過提高固定供油段填充供油量、延長起動電磁閥和點火系統(tǒng)接通時間、提高發(fā)動機開環(huán)供油量和閉環(huán)燃油流量限制值等優(yōu)化措施,改善了發(fā)動機低溫起動性能,經(jīng)驗證措施有效。
(3)起動控制規(guī)律優(yōu)化后,使用3號噴氣燃料在低溫起動包線內(nèi)成功起動;使用高閃點噴氣燃料在-20℃保溫條件下成功起動,在-20℃保溫后按-40℃供空氣條件下冷起失敗、熱起動成功。原因是高閃點噴氣燃油的運動黏性系數(shù)約為3號噴氣燃料的2倍,低溫條件下霧化效果更差,因此使用高閃點噴氣燃油低溫起動的最低大氣溫度比使用3號噴氣燃料的最低大氣溫度要高。
(4)使用高閃點噴氣燃料在-40℃條件下,可通過加溫的方式實現(xiàn)外場起動。