朱明勇 唐平一 彭文輝 張光宇 鄒黎

（中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002）

航空燃氣渦輪軸發(fā)動機的起動是一個非穩(wěn)態(tài)的過程，它涉及工程熱力學、氣體動力學、傳熱學和控制技術(shù)在內(nèi)的多門學科[1]。不同的大氣條件、控制規(guī)律等均會影響發(fā)動機起動性能，如何保證發(fā)動機在使用包線范圍內(nèi)快速、可靠地起動是人們一直以來廣泛關注的課題[2-4]。

某型發(fā)動機是軸向進氣、單轉(zhuǎn)子燃氣發(fā)生器、環(huán)形回流燃燒室燃燒室、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)），以雙發(fā)型式配裝某直升機。在某次高原試飛過程中，在4600m高原出現(xiàn)起動失敗現(xiàn)象。圖1為某次高原起動歷程曲線，圖中ng、np、T45、nr分別表示燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速、動力渦輪轉(zhuǎn)速、燃氣渦輪出口溫度、旋翼轉(zhuǎn)速，發(fā)動機點火、起動發(fā)電機帶轉(zhuǎn)正常，當ng達到75%時，np小于20%，數(shù)控系統(tǒng)自動控制發(fā)動機停車，起動失敗。

圖1 某次高原起動失敗歷程曲線

1.起動控制規(guī)律簡介

在起動控制規(guī)律的發(fā)展早期，廣泛使用機械液壓式的燃調(diào)系統(tǒng)，起動過程主要采取在給定燃油流量的基礎上進行簡單的修正方法，比如根據(jù)大氣溫度調(diào)整修正螺釘。隨著數(shù)控系統(tǒng)的使用，使得燃油給定更為靈活，出現(xiàn)了給定轉(zhuǎn)速率閉環(huán)計算燃油流量的方法[5-6]。某型發(fā)動機的起動控制規(guī)律包括以下3個階段：ng轉(zhuǎn)速開環(huán)階段，ng加速度閉環(huán)階段，慢車工作階段。

ng轉(zhuǎn)速開環(huán)階段:達到開始供油轉(zhuǎn)速后，發(fā)動機按給定的供油規(guī)律開始供油，該階段按固定初始供油量進行供油，并根據(jù)大氣條件對供油量進行修正。

ng加速度閉環(huán)階段：根據(jù)給定的ng加速度，數(shù)控系統(tǒng)自動計算燃油流量需求值，發(fā)動機加速至慢車狀態(tài)。

慢車工作狀態(tài)：ng加速度閉環(huán)階段結(jié)束后，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)慢車目標值，自動調(diào)節(jié)燃油流量，加速至地面慢車狀態(tài)。

起動過程中，由于外界環(huán)境極度惡化或發(fā)動機本身故障可能導致起動溫度偏高，或起動轉(zhuǎn)速上升較慢甚至懸掛，為保障發(fā)動機的安全，需根據(jù)發(fā)動機參數(shù)變化對起動使用過程進行限制或保護，其主要的的參數(shù)限制集中在以下幾個方面：

（1）燃氣溫度限制與保護。為了盡快起動發(fā)動機，需要保持較高的渦輪前溫度，一般來說，渦輪前溫度越高起動越快，但是由于材料的限制，航空發(fā)動機必須對燃氣溫度進行限制，否則將使損壞發(fā)動機。而由于發(fā)動機起動過程的實時性和復雜性，很容易出現(xiàn)起動超溫現(xiàn)象，如果沒有超溫保護，燃氣溫度將在極短的時間內(nèi)上升到發(fā)動機材料的熔點溫度。

（2）轉(zhuǎn)速限制。目前渦軸發(fā)動機轉(zhuǎn)子動力學設計中，一般將發(fā)動機燃氣渦輪轉(zhuǎn)子和動力渦輪轉(zhuǎn)子的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速在2階臨界轉(zhuǎn)速和和3階臨界轉(zhuǎn)速之間，以保證較大的轉(zhuǎn)速裕度。因此渦軸發(fā)動機起動過程會需要跨越1階臨界轉(zhuǎn)速和和2階臨界轉(zhuǎn)速，如果起動緩慢或起動懸掛，有可能導致發(fā)動機在臨界轉(zhuǎn)速上工作，振動增大而損壞發(fā)動機，因此需對起動時間和地面慢車轉(zhuǎn)速進行合適的定義和限制，避免出現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速在臨界轉(zhuǎn)速附近范圍維持時間過長。

根據(jù)內(nèi)涵與外延反變關系的簡單原理，詞項的內(nèi)涵越簡單，外延越大；反之，外延越小。結(jié)果責任不僅是侵權(quán)責任的最簡構(gòu)成，也決定了它的最大邊界。過錯責任與無過錯責任均是在結(jié)果責任基礎上增加構(gòu)成要素或條件，二者的責任范圍均要小于結(jié)果責任。所謂“侵權(quán)責任的擴張”實際上僅指侵權(quán)法自近代以來以“過錯責任”為基準因應社會關系的深廣發(fā)展而進行的必要延伸。但就責任的構(gòu)成及其邏輯外延來說，近現(xiàn)代法中的侵權(quán)責任相對于結(jié)果責任仍然是限縮的狀態(tài)。并且，無論侵權(quán)責任如何“擴張”，結(jié)果責任作為侵權(quán)責任的最簡構(gòu)成已限定了它的最大邊界。

為保護發(fā)動機，防止起動過程中超溫、轉(zhuǎn)速懸掛等對發(fā)動機造成損傷，某型發(fā)動機主要設置了起動超溫保護、燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速懸掛保護、動力渦輪轉(zhuǎn)速超時未出現(xiàn)保護等。觸發(fā)保護條件后，數(shù)控系統(tǒng)自動控制發(fā)動機停車。

某型發(fā)動機使用維護手冊規(guī)定：發(fā)動機起動過程中，燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速達到75%時，動力渦輪轉(zhuǎn)速仍小于20%，數(shù)控系統(tǒng)控制發(fā)動機停車。

2.問題原因分析

經(jīng)數(shù)據(jù)分析，確認發(fā)動機高原起動失敗的原因為np轉(zhuǎn)速在規(guī)定時刻未達到20%，數(shù)控系統(tǒng)自動保護停車。發(fā)動機高原起動保護可能有以下4個方面原因：動力渦輪轉(zhuǎn)子卡滯、np測量故障（包括np傳感器故障和裝機電纜接觸不良）、旋翼負載增大、渦輪剩余功率不足。具體分析如下：

（1）動力渦輪轉(zhuǎn)子卡滯。起動失敗后，現(xiàn)場盤車檢查動力渦輪轉(zhuǎn)子靈活性，未見異常。分析發(fā)參數(shù)據(jù)，停車時np轉(zhuǎn)速由70%降至20%的時間均為18s，停車np余轉(zhuǎn)時間未見異常，因此動力渦輪轉(zhuǎn)子卡滯可排除。

（2）裝機電纜接觸不良引起np信號故障。測試線路插頭及導通性，未見異常，后續(xù)起動均成功，裝機電纜接觸不良引起np信號故障可排除。

（3）np傳感器故障。測量2只np傳感器電阻，均在正常范圍，而且后續(xù)多次飛行任務，np轉(zhuǎn)速及扭矩采集均正常，np傳感器故障可排除。

（5）渦輪剩余功率不足。分析飛參和發(fā)參數(shù)據(jù)，發(fā)動機正常起動時，ng至66%時np為17%，此時旋翼轉(zhuǎn)速nr約為17%。A架機左發(fā)起動失敗過程中，電機帶轉(zhuǎn)能力、ng和T45上升時間均在正常范圍，而ng至66%時，nr為9%，推測np約為9%（不能采集到），np轉(zhuǎn)速上升偏慢。B架機右發(fā)起動失敗過程中，電機帶轉(zhuǎn)能力、ng和T45上升時間均在正常范圍，而ng至66%時，nr為10%，推測np約為10%（不能采集到），nr旋翼上升偏慢。經(jīng)查發(fā)動機在4600m高原熱機成功起動數(shù)據(jù)，ng至75%時，np約為22%；查發(fā)動機在3000m高度熱機起動數(shù)據(jù)，ng至75%時，np約為29%。

文獻[7]對氣壓高度對發(fā)動機起動的影響進行了研究。通過模擬計算，在3000m高度條件下，電機脫開后，渦輪有較大的剩余功率（相當于126%電機額定功率）用于帶轉(zhuǎn)壓氣機及附件。在4000m高度條件下，電機脫開后，渦輪剩余功率較?。ㄏ喈斢?2%電機額定功率）。由于可用于加速燃氣渦輪轉(zhuǎn)子的剩余功率減少，因此在高空起動過程的第2階段和第3階段，ng上升速率隨著高度的上升而減小。

綜上所述，渦輪剩余功率不足不能排除。

（6）問題原因分析小結(jié)。根據(jù)以上分析，動力渦輪轉(zhuǎn)子卡滯、np測量故障、旋翼負載增大可以排除，問題原因定位為渦輪剩余功率不足。

3.改進措施及驗證

為解決高原起動失敗問題，綜合考慮外場使用需求和改進貫改周期，分別提出外場臨時措施和優(yōu)化改進方案。

某型發(fā)動機以雙發(fā)型式配裝直升機，其中后起發(fā)動機動力渦輪處于空載狀態(tài)，np轉(zhuǎn)速出現(xiàn)和上升較快，在高原試飛中未出現(xiàn)np超時保護停車現(xiàn)象。因此，提出外場臨時使用措施如下：當一發(fā)起動過程np轉(zhuǎn)速在規(guī)定時刻未達到20%保護停車，先起動另一發(fā)至地面慢車狀態(tài)，再起動本發(fā)。通過該措施，保障了發(fā)動機的正常起動和運行及試飛任務的順利完成。

由于高原條件下大氣稀薄，發(fā)動機做功能力降低，且起動過程中燃氣溫度已接近限制值，通過增加起動供油量提高發(fā)動機做功能力存在較大風險。因此，選擇對高原條件下發(fā)動機數(shù)控系統(tǒng)起動保護邏輯進行優(yōu)化的改進方案，即增加高原條件下np等待時間，具體如下：

發(fā)動機起動過程中，在海拔2000m及以下高度，當燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速首次達到或超過75%時，若動力渦輪轉(zhuǎn)速小于20%，數(shù)控系統(tǒng)控制發(fā)動機停車。在海拔2000m以上高度，當燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速首次達到或超過75%時以后5s時動力渦輪轉(zhuǎn)速小于20%，數(shù)控系統(tǒng)控制發(fā)動機停車。

起動保護邏輯改進后，發(fā)動機在外場使用未出現(xiàn)該問題。驗證結(jié)果表明，起動控制規(guī)律優(yōu)化措施有效。

4.結(jié)論

針對某型渦軸發(fā)動機高原起動失敗問題，通過故障分析的方法，并結(jié)合試驗情況進行分析排查，得出該問題原因是動力渦輪轉(zhuǎn)速上升緩慢，高原條件下渦輪剩余功率不足。主要結(jié)論如下：

（1）某型發(fā)動機高原起動失敗的原因為動力渦輪轉(zhuǎn)速上升緩慢，當燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速達到75%時，動力渦輪轉(zhuǎn)速仍小于20%，數(shù)控系統(tǒng)自動停車。

（2）由于高原空氣稀薄，發(fā)動機做功能力降低，綜合考慮改進風險和周期，通過優(yōu)化數(shù)控系統(tǒng)起動保護邏輯的改進措施，解決了該類型高原起動失敗問題，經(jīng)驗證措施有效。

（3）該問題發(fā)生在起動包線邊界、部分發(fā)動機的少量熱機起動過程中，在設計控制規(guī)律保護邏輯時應充分考慮發(fā)動機的分散性，保留一定的設計裕度。

（4）該問題的發(fā)生及解決思路，可為其他新研或改型渦軸發(fā)動機起動控制規(guī)律設計提供參考。