段勇亮

中國直升機設(shè)計研究所

為了探究發(fā)動機高原起動性能的影響因素，本文將發(fā)動機起動理論與無人直升機高原起動實際數(shù)據(jù)分析進(jìn)行對比研究，進(jìn)而找出影響發(fā)動機高原起動性能的因素，并據(jù)此提出改善發(fā)動機高原起動性能的三項措施。

我國幅員遼闊、地形復(fù)雜、西高東低，青藏高原平均海拔超過4000m。為滿足無人直升機在高原地區(qū)的使用要求，發(fā)動機必須具備優(yōu)異的高原起動性能。與平原機場相比，高原機場的環(huán)境和氣候具有海拔高、氣壓低、大氣密度小、晝夜溫差大等特點，這對發(fā)動機高原起動性能產(chǎn)生了不利影響。

為此，本文依據(jù)發(fā)動機起動原理，對無人直升機發(fā)動機的高原起動實際數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出影響高原起動性能的因素。

發(fā)動機起動原理

發(fā)動機地面起動是指，在起動系統(tǒng)控制下，發(fā)動機轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)加速到慢車狀態(tài)的過程。在起動階段，發(fā)動機必須借助外界動力源，因為發(fā)動機起動時燃?xì)鉁u輪產(chǎn)生的功率不足以帶動發(fā)動機轉(zhuǎn)子加速。只有發(fā)動機達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后，燃燒室內(nèi)的氣流才能建立穩(wěn)定燃燒，維持燃?xì)獍l(fā)生器正常自立運轉(zhuǎn)。發(fā)動機起動過程一般分為3個階段。

第1階段也稱冷運轉(zhuǎn)階段（0≤N＜N1，N表示發(fā)動機轉(zhuǎn)速），是從起動發(fā)電機接通到燃燒室噴油點火，燃?xì)鉁u輪開始做功的階段。在此階段，發(fā)動機轉(zhuǎn)子在起動發(fā)電機帶動下，達(dá)到點火轉(zhuǎn)速。

第2階段為起動發(fā)電機與渦輪共同帶轉(zhuǎn)階段（N1≤N＜N2），是從燃?xì)鉁u輪投入工作到起動發(fā)電機退出起動狀態(tài)的階段。這此過程中，起動發(fā)電機和燃?xì)鉁u輪共同帶動發(fā)動機轉(zhuǎn)子加速。隨著轉(zhuǎn)速的上升，壓氣機需用扭矩和渦輪產(chǎn)生的可用扭矩均不斷上升，但是渦輪產(chǎn)生的可用扭矩的上升速度更快。當(dāng)渦輪產(chǎn)生的可用扭矩增加到壓氣機需用扭矩時，此時發(fā)動機燃?xì)獍l(fā)生器達(dá)到平衡狀態(tài)，起動發(fā)電機即可退出起動狀態(tài)。但是，為了保障發(fā)動機正常起動并縮短起動時間，起動發(fā)電機須要繼續(xù)工作一段時間再退出起動狀態(tài)。

第3階段為渦輪單獨帶轉(zhuǎn)到慢車狀態(tài)（N≥N2），是從起動發(fā)電機退出起動狀態(tài)到發(fā)動機加速到慢車狀態(tài)的階段。在這一過程中，壓氣機轉(zhuǎn)子帶動只由燃?xì)鉁u輪完成。當(dāng)發(fā)動機燃?xì)鉁u輪輸出扭矩與發(fā)動機燃?xì)獍l(fā)生器阻力矩第二次達(dá)到平衡狀態(tài)時，發(fā)動機隨機達(dá)到慢車狀態(tài)。

圖1 發(fā)動機起動過程扭矩圖。Tst表示起動發(fā)電機輸出扭矩；Tt表示發(fā)動機燃?xì)鉁u輪輸出扭矩；Teng表示發(fā)動機燃?xì)獍l(fā)生器阻力矩；N1表示發(fā)動機點火轉(zhuǎn)速；Nbal表示Tt與Teng第一次達(dá)到平衡時的轉(zhuǎn)速；N2表示起動發(fā)電機退出起動狀態(tài)時的轉(zhuǎn)速；Nidl表示慢車轉(zhuǎn)速。

發(fā)動機高原起動的特點

相較平原地區(qū)，發(fā)動機在高原起動具有以下特點。

（1）起動時間更長

由于高原大氣密度小，在相同進(jìn)氣體積流量條件下，發(fā)動機的進(jìn)氣質(zhì)量流量降低。發(fā)動機功率下降，做功能力降低，發(fā)動機燃?xì)獍l(fā)生器輸出扭矩降低，從而導(dǎo)致發(fā)動機轉(zhuǎn)子的加速度減小，起動加速時間增長。

（2）發(fā)動機易發(fā)生熱懸掛

由于進(jìn)氣質(zhì)量流量下降，發(fā)動機的余氣系數(shù)減小。在相同進(jìn)氣溫度條件下，油氣比會偏高，易產(chǎn)生富油燃燒，造成燃燒室后溫度升高。轉(zhuǎn)速的加速率常與燃燒室溫度升高不匹配，在數(shù)控系統(tǒng)溫度限制下，發(fā)動機極易發(fā)生熱懸掛。

（3）阻力矩更大

高原地區(qū)氣溫通常較低，潤滑油溫度相應(yīng)降低，進(jìn)而增加了潤滑油的粘性，發(fā)動機轉(zhuǎn)子的阻力矩隨之增大，起動難度加大。

（4）帶載能力不足

根據(jù)無人直升機的使用需求，發(fā)動機須要給無人直升機配套設(shè)備提供動力，驅(qū)動起動發(fā)電機發(fā)電。在平原地區(qū)，發(fā)動機達(dá)到自立轉(zhuǎn)速后，起動發(fā)電機即可由起動機狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)電機狀態(tài)，提取發(fā)動機功率為全機提供電能。在高原起動時，發(fā)動機達(dá)到自立轉(zhuǎn)速后至慢車轉(zhuǎn)速前，自身剩余的功率較低，帶載能力不足。若此時起動發(fā)電機正常提取發(fā)動機功率用于發(fā)電，可能會導(dǎo)致發(fā)動機轉(zhuǎn)速瞬時下降，甚至直接引起起動失敗。

發(fā)動機起動控制邏輯

（1）無人直升機發(fā)出起動到慢車的指令后，發(fā)動機立即接通點火控制信號、起動發(fā)電機控制信號和起動電磁閥信號。

（2）Ng表示燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速，當(dāng)Ng＜2600r/min時，發(fā)動機燃油系統(tǒng)開始按起動供油規(guī)律供油。

（3）起動時間達(dá)到25s或Ng≥16700r/min，發(fā)動機數(shù)控系統(tǒng)斷開起動電磁閥、點火控制信號。

（4）起動時間達(dá)到35s或Ng≥19300r/min，發(fā)動機數(shù)控系統(tǒng)斷開起動控制信號，起動發(fā)電機由起動狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)。

在起動過程中，發(fā)動機若出現(xiàn)下列情況之一，發(fā)動機數(shù)控系統(tǒng)將直接控制發(fā)動機停車。

正常停車：發(fā)動機接到無人直升機停車指令后正常停車。

起動超溫：在起動過程中，發(fā)動機渦輪間溫度T45超過規(guī)定的限制，發(fā)動機停車。

起動懸掛：發(fā)動機在起動過程中進(jìn)入起動狀態(tài)30s后，Ng仍未達(dá)到8350r/min；或進(jìn)入起動狀態(tài)70s內(nèi)未起動到地慢，發(fā)動機停車。

故障停車：在起動過程中，發(fā)動機出現(xiàn)關(guān)鍵故障而停車。

此外，為在起動過程中保護(hù)發(fā)動機，數(shù)控系統(tǒng)設(shè)有超溫保護(hù)。當(dāng)發(fā)動機渦輪間溫度T45超過800℃時，發(fā)動機自動減油。

無人直升機高原起動案例分析

試驗歷程

無人直升機在高原機場完成6次起動試驗，試驗歷程詳見表1。

表1 試驗歷程。

（1）發(fā)動機采用機載蓄電池起動4次。其中2次起動成功，2次起動失敗。

（2）發(fā)動機采用備用蓄電池起動1次，起動成功。

（3）發(fā)動機采用地面電源車起動1次，起動成功。

試驗數(shù)據(jù)分析

第3次和4次使用蓄電池的冷起動試驗，均因出現(xiàn)熱懸掛而失敗，現(xiàn)象一致。本文僅對第3次使用蓄電池的冷起動試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

（1）位置①：發(fā)動機開始供油。

（2）位置②：發(fā)動機點火成功。

（3）位置③：發(fā)動機燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速加速率進(jìn)入恒定閉環(huán)控制。

（4）位置④：因達(dá)到起動時間35s的要求，起動發(fā)電機退出起動狀態(tài)。起動發(fā)電機由起動機狀態(tài)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機狀態(tài)。起動發(fā)電機從燃?xì)獍l(fā)生器提取功率，降低了燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速的加速率。由于燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速的加速率比給定值低，發(fā)動機增加供油量，T45隨之升高。

（5）位置⑤：T45超過800℃，為保證發(fā)動機不超溫，發(fā)動機自動減少供油量，燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速的加速率降低。當(dāng)T45低于800℃后，發(fā)動機又因燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速的加速率偏低而再次增加燃油供應(yīng)，T45再次超過800℃。

（6）位置⑥：發(fā)動機轉(zhuǎn)速依然無法上升，無法成功起動。操作員執(zhí)行發(fā)動機停車程序，起動失敗。

高原起動試驗結(jié)果對比

為找出發(fā)動機使用蓄電池冷起動的成功與失敗結(jié)果間的差異，本文將發(fā)動機第1次、第3次、第4次使用蓄電池起動的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如圖2所示。

圖2 第3次使用蓄電池的冷起動歷程曲線。Np表示動力渦輪轉(zhuǎn)速；Mkp表示發(fā)動機輸出軸扭矩；T45表示渦輪間溫度；WfmDem表示發(fā)動機燃油流量。

（1）第1次起動與第4次起動對比：點火成功后，與第4次起動相比，第1次起動的燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速加速更快。

（2）第1次起動與第3次起動對比：點火成功后，與第3次起動相比，第1次起動的燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速加速更快。

由發(fā)動機使用蓄電池進(jìn)行3次冷起動的試驗數(shù)據(jù)對比可知，第3、4次起動試驗中的燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速加速率明顯低于第1次起動，起動發(fā)電機帶轉(zhuǎn)能力顯著弱于第1次起動試驗。

據(jù)此，本文對起動電源在6次起動試驗過程中供給起動發(fā)電機的電流、電壓、功率及發(fā)動機工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出發(fā)動機高原起動的特點和影響性能的因素。起動電源供給起動發(fā)電機的電流、電壓、功率與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系如圖5所示。

圖3 第4次使用蓄電池的冷起動歷程曲線。

圖4 發(fā)動機第1次、第3次和第4次使用蓄電池起動的數(shù)據(jù)對比。

圖5 起動電源供給的電流、電壓、功率與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系。

經(jīng)對比試驗數(shù)據(jù)后，本文得出如下結(jié)論。

一是起動電源的容量影響起動發(fā)電機的帶轉(zhuǎn)能力。發(fā)動機第3、4次使用蓄電池起動（總第4、5次試驗）時，起動電源供給起動發(fā)電機的電壓、電流比其他次起動偏低，蓄電池提供給起動發(fā)電機的功率越來越小，蓄電池功率衰減直接引起第3、4次使用蓄電池起動的試驗失敗。發(fā)動機第3次使用蓄電池（總第4次試驗）起動前期，燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速加速緩慢。由此可知，蓄電池容量下降將導(dǎo)致起動發(fā)電機帶轉(zhuǎn)能力下降。

二是高原起動時間增長。發(fā)動機第1、3、4次使用蓄電池起動（總 第1、4、5次試驗），均為發(fā)動機冷起動。其中，當(dāng)發(fā)動機第1，3次使用蓄電池起動時，起動發(fā)電機均由于起動時間到達(dá)35s，數(shù)控系統(tǒng)按預(yù)定邏輯控制起動發(fā)電機退出起動狀態(tài)，此時發(fā)動機未達(dá)到自立轉(zhuǎn)速。相比于平原起動，發(fā)動機在高原起動時，其轉(zhuǎn)子加速率明顯減小，起動時間增長。

三是熱起動更順暢。與第1次使用蓄電池起動相比，發(fā)動機第2次使用蓄電池起動（總第3次試驗）時，燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速加速更快，起動更順暢。雖然第2次使用 的蓄電池容量較第1次偏低，但第2次起動為熱起動，發(fā)動機自身的溫度較高，潤滑油粘度低，發(fā)動機阻力矩較低。

四是起動過程帶載能力不足。從各次起動過程看，起動發(fā)電機從起動機轉(zhuǎn)為發(fā)電機后，發(fā)動機燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速的加速率均出現(xiàn)明顯降低。

起動失敗的原因分析

發(fā)動機點火成功之前，發(fā)動機燃?xì)獍l(fā)生器由起動發(fā)電機單獨帶轉(zhuǎn)。發(fā)動機點火成功后，燃?xì)鉁u輪和起動發(fā)電機共同提供功率，助力發(fā)動機起動。但是在不同階段，燃?xì)鉁u輪和起動發(fā)電機的功率占比不同。在起動前，起動發(fā)電機的輸出功率占比較高。

當(dāng)發(fā)動機第3次使用蓄電池進(jìn)行冷起動時，蓄電池提供給起動發(fā)電機的功率偏低，導(dǎo)致起動發(fā)電機帶轉(zhuǎn)能力偏低，空氣流量偏低，使起動過程中的油氣比與燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速不能有效匹配，燃油霧化差，造成聯(lián)焰困難，點火時間可能增長，燃?xì)鉁u輪做功能力差，在規(guī)定的35s內(nèi)，發(fā)動機在起動發(fā)電機單獨帶轉(zhuǎn)下無法加速到自立轉(zhuǎn)速。起動發(fā)電機由起動機狀態(tài)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機狀態(tài)后，從燃?xì)獍l(fā)生器提取功率用于發(fā)電，進(jìn)一步惡化起動環(huán)境，從而導(dǎo)致起動失敗。

當(dāng)發(fā)動機第4次使用蓄電池進(jìn)行冷起動時，蓄電池提供給起動發(fā)電機的功率進(jìn)一步降低，起動發(fā)電機帶轉(zhuǎn)能力進(jìn)一步降低，燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速加速更慢，發(fā)動機出現(xiàn)熱懸掛，起動失敗。

總結(jié)

根據(jù)無人直升機發(fā)動機6次高原起動試驗的分析以及發(fā)動機高原起動的特點，本文提出以下改善發(fā)動機高原起動性能的措施。

一是增加蓄電池的容量。蓄電池容量越大，供給起動發(fā)電機的電壓越高，可有效提高起動發(fā)電機的帶轉(zhuǎn)能力，從而提高燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速的加速率，達(dá)到改善起動性能的目的。在無法增加蓄電池容量的情況下，應(yīng)確保蓄電池處于滿電狀態(tài)以及起動電壓、電流和功率滿足高原起動需求。

二是采用熱機起動。發(fā)動機處于熱機狀態(tài)時，潤滑油粘度較低，大大減小了發(fā)動機轉(zhuǎn)子的阻力矩。因此，若第一次起動失敗后，發(fā)動機有一定程度的升溫，可嘗試再次起動。通常，再起動成功率較第一次冷起動成功率高。此外，對發(fā)動機進(jìn)行加溫，可提高發(fā)動機高原起動的成功率。

三是起動過程中避免功率提取。高原的大氣密度低，在起動過程中發(fā)動機剩余功率較低。起動發(fā)電機轉(zhuǎn)為發(fā)電機狀態(tài)后，直接提取發(fā)動機功率，會增加發(fā)動機負(fù)載，對起動影響很大。在高海拔環(huán)境下，發(fā)動機實際做功能力減弱，此時若發(fā)電負(fù)荷超過發(fā)動機做功能力，可能會導(dǎo)致發(fā)動機熱懸掛，發(fā)動機無法成功起動。因此，在發(fā)動機成功起動到地慢前，起動發(fā)電機轉(zhuǎn)為發(fā)電機狀態(tài)后，暫不向無人機直升機系統(tǒng)供電。 ■