高 磊

(中國飛行試驗研究院發(fā)動機所,陜西 西安 710089)

0 引言

我國地理環(huán)境中高原多,隨著國家對高原地區(qū)空防作戰(zhàn)的重視,航空發(fā)動機高原使用問題已日益突出[1-2],航空發(fā)動機的高原起動性能是評價發(fā)動機整體性能的重要指標(biāo)。國軍標(biāo)GJB243A—2004中明確規(guī)定:發(fā)動機地面起動性能的鑒定試驗需要確定不同大氣條件、不同標(biāo)高、不同起動電源和起動形式的發(fā)動機地面起動性能,并對試驗內(nèi)容和方法有非常詳細的規(guī)定[3]。

高原地區(qū)空氣壓力低、密度小,空氣中氧氣含量較少,相對于平原起動,航空發(fā)動機在該地區(qū)表現(xiàn)出不同的起動特點。劉磊對航空發(fā)動機起動過程的特點進行深入的研究,分析了高原起動的特點和起動過程中各種因素的影響[1]。汪濤以某型渦軸發(fā)動機高原起動試驗出發(fā),對比了高原機場和平原機場試驗特點及對起動性能的影響,針對高原機場發(fā)動機起動過程的喘振故障進行了分析[4]。王兆銘等人以某型航空發(fā)動機作為研究平臺,研究了平原地面起動供油和高原起動供油的關(guān)系,提出了通過改變自動起動器和起動放氣嘴來進行發(fā)動機調(diào)整的方法[5]。盡管研究人員對航空發(fā)動機高原起動已做出了一些研究,但限于試驗條件和樣本差異等影響,對高原起動特別是起動供油規(guī)律調(diào)整等方面的研究還相對較少。

本文以某型渦扇發(fā)動機高原起動試驗為研究對象,分析其高原起動供油規(guī)律的調(diào)整規(guī)律以及高原起動的特點。

1 高原起動時序和難點

1.1 高原起動的難點

相比于平原起動,高原起動具有以下難點:

(1)起動機功率降低

高原機場空氣稀薄,相同轉(zhuǎn)速下起動機空氣流量減小,功率降低,導(dǎo)致發(fā)動機點火時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低;同時脫開轉(zhuǎn)速較小會導(dǎo)致發(fā)動機自身的剩余功率小,起動時間延長。

(2)起動供油規(guī)律不匹配

由于高原地區(qū)發(fā)動機空氣流量小,平原上的起動供油規(guī)律并不適合高原,為了保證發(fā)動機可靠地起動,需要進行起動供油量的調(diào)整。如果起動供油量沒有同空氣流量成比例地減小,例如發(fā)動機空氣流量減小很多而起動供油量減小得很少,就會在燃燒室內(nèi)形成富油狀態(tài)的混合氣,造成點火困難,渦輪后排氣溫度上升快、溫度高。當(dāng)供油量調(diào)整不當(dāng)時,會對渦輪前燃氣溫度有較大的影響,易發(fā)生發(fā)動機“冷懸掛”和“熱懸掛”現(xiàn)象[1,4]。

(3)部件效率低

在高原地區(qū),發(fā)動機部件效率會出現(xiàn)一定程度降低。隨著發(fā)動機空氣流量減小,起動供油量也會相應(yīng)地調(diào)小,導(dǎo)致噴嘴前油壓降低,因而燃料的霧化質(zhì)量較差,同時高原大氣溫度較低,會加劇這一現(xiàn)象;此外,燃燒室內(nèi)的氣體壓力隨大氣壓力的降低而降低,致使火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小,燃燒不完全,導(dǎo)致燃燒室效率低下[1,4]。

(4)散熱困難

在高原地區(qū),由于空氣密度減小,發(fā)動機冷卻的空氣流量也相應(yīng)減少,使得發(fā)動機的熱量不易散發(fā),從而對下一次起動造成較大的影響。

1.2 發(fā)動機起動時序

發(fā)動機地面起動是指在地面狀態(tài)下發(fā)動機由起動機帶轉(zhuǎn)從零轉(zhuǎn)速經(jīng)點火加速到發(fā)動機慢車過程。為了更好地分析發(fā)動機起動過程,將發(fā)動機起動過程分為3個階段[4],如圖1所示,具體為:①起動第Ⅰ階段:發(fā)動機未點火,僅靠起動機帶轉(zhuǎn);②起動第Ⅱ階段:發(fā)動機點火,渦輪開始做功,與起動機一同帶轉(zhuǎn);③起動第Ⅲ階段:起動機脫開,僅靠渦輪做功帶轉(zhuǎn)。

圖1 渦輪發(fā)動機起動的三個階段

某發(fā)動機起動邏輯由飛機自動起動裝置以及相關(guān)電氣系統(tǒng)完成,發(fā)動機綜合電子調(diào)節(jié)器發(fā)出相關(guān)離散信號至自動起動裝置,燃氣渦輪起動機及相關(guān)傳動設(shè)備帶轉(zhuǎn)發(fā)動機,發(fā)動機主泵燃油調(diào)節(jié)器及相關(guān)系統(tǒng)完成發(fā)動機點火及供油,最終完成發(fā)動機的起動。采用了“地面電源—燃氣渦輪起動機—渦扇發(fā)動機”的起動機帶轉(zhuǎn)方式。

在高原上由于空氣中氧含量較低,從按下起動按鈕地面起動程序開始,直到整個地面起動結(jié)束全過程(從按下起動按鈕開始到起動燈熄滅)都具有補氧功能。

2 發(fā)動機起動調(diào)整規(guī)律

對高原地面起動各過程的影響因子進行分解,可以看出在起動裝置及相關(guān)系統(tǒng)工作可靠的情況下,與起動相關(guān)的可變影響因子為:起動機功率、主燃燒室點火電嘴以及主燃燒室供油量。

為給各變量調(diào)整提供依據(jù),通過關(guān)鍵事件方式建立起動調(diào)整策略分析方法,具體過程為:將起動過程按圖2進行分解,確定關(guān)鍵事件,如表1所示。在關(guān)鍵事件基礎(chǔ)上定義特征參數(shù),特征參數(shù)是基于同一型發(fā)動機平原和高原起動參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果及限制參數(shù)。根據(jù)特征參數(shù)形成判據(jù),對具體的起動數(shù)據(jù)進行分析,就可確定明確的調(diào)整方向及初步的調(diào)整量。由于點火電嘴和起動機功率受自身限制,不易調(diào)整,因此本文研究了起動供油規(guī)律的調(diào)整。ntrans為某型發(fā)動機主燃油泵調(diào)整起動供油的轉(zhuǎn)換點,低于該轉(zhuǎn)速為前段供油,高于該轉(zhuǎn)速為后段供油,可通過相應(yīng)的調(diào)整螺釘進行調(diào)整。

表1 高原起動調(diào)整策略

圖2 高原起動過程影響因子分析

首先對未做供油規(guī)律調(diào)整的發(fā)動機高原起動典型參數(shù)分析研究,如圖3所示。從圖中可以看出,高壓轉(zhuǎn)速上升緩慢,排氣溫度也不高,在起動機脫開之后出現(xiàn)了“冷懸掛”現(xiàn)象,表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速懸掛而排氣溫度逐漸降低。

圖3 供油規(guī)律未調(diào)整時的高原起動過程

依據(jù)上述建立的高原起動調(diào)整策略,通過對比高原與平原起動點火成功時間ts、起動機脫開時發(fā)動機轉(zhuǎn)速、ntrans時排氣溫度T6trans、過程最高排氣溫度T6max等參數(shù),獲得各階段的影響。如圖4和圖5所示。

圖4 點火成功所需時間對比

可以看出,高原起動點火成功所需時間長,相比于平原起動增長4～6 s。原因在于高原起動中空氣稀薄,相同轉(zhuǎn)速下主燃燒室內(nèi)油氣比增大,富油程度加劇,建立穩(wěn)定的燃燒較為困難。

高原起動中,發(fā)動機ntrans時排氣溫度T6trans較平原上升明顯。表明高原條件下由于空氣量減小,發(fā)動機起動調(diào)節(jié)器供油在前段偏富油狀態(tài)。

高原起動時起動機脫開轉(zhuǎn)速低,相比于平原轉(zhuǎn)速降低6%～10%,起動機脫開都是以時間達到脫開條件為止,而平原起動是以轉(zhuǎn)速達到脫開轉(zhuǎn)速條件為止。導(dǎo)致發(fā)動機在起動機脫開之后,無法建立足夠的渦輪剩余功率,無法依靠自身功率起動到慢車狀態(tài)。

考慮到發(fā)動機起動過程中最高排氣溫度距離限制值仍有一定空間,可考慮在后半段供油中往增油方向移動,以增加發(fā)動機剩余功率,縮短起動時間。

通過對某型渦扇發(fā)動機起動供油規(guī)律進行調(diào)整,實現(xiàn)了在高原上的正常起動。根據(jù)統(tǒng)計,三臺發(fā)動機均減小起動的前段供油量,表明在高原條件由于空氣密度減小,減小起動前段供油量可以保證合適的油氣比,有利于發(fā)動機點火及穩(wěn)定燃燒。低轉(zhuǎn)速下發(fā)動機喘振裕度低,降低前段供油量有利于避免壓氣機進入失速工況中。起動機脫開轉(zhuǎn)速較小,排氣溫度也較低,因此需增加起動后段油量而使得發(fā)動機能較快達到慢車轉(zhuǎn)速,縮短起動時間。需要注意的是,在減小前段供油量時,可能會使起動機脫開時發(fā)動機轉(zhuǎn)速降低,但應(yīng)保證高于平衡轉(zhuǎn)速,發(fā)動機有足夠剩余功率進行加速。

因此,高原起動供油調(diào)整策略為起動前段減小供油量,起動后段增加供油量。

3 高原起動典型失敗案例分析

為獲得某型渦扇發(fā)動機高原起動特點,本文對調(diào)整后的渦扇發(fā)動機高原起動失敗案例原因分析。其典型問題主要有:冷態(tài)起動時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速掉轉(zhuǎn),熱態(tài)起動時轉(zhuǎn)子抱轉(zhuǎn),熱態(tài)起動時轉(zhuǎn)速懸掛等現(xiàn)象。

(1)冷態(tài)起動起動機脫開后發(fā)動機掉轉(zhuǎn)

圖6給出發(fā)動機冷態(tài)起動失敗的參數(shù)曲線。從圖中可以看出,在起動機脫開前出現(xiàn)發(fā)動機“熱懸掛”現(xiàn)象,即轉(zhuǎn)速不上升但排氣溫度較快增大,到起動機脫開時高低壓轉(zhuǎn)子出現(xiàn)掉轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

圖6 冷態(tài)起動異常掉轉(zhuǎn)的參數(shù)曲線

從圖7可以看出,冷態(tài)起動失敗時,點火成功時間和供油轉(zhuǎn)換點的排氣溫度均稍高于起動成功的,相差不大;起動機脫開時發(fā)動機轉(zhuǎn)速明顯低于起動成功次的。原因在于:高原冷態(tài)起動時,發(fā)動機轉(zhuǎn)子部件摩擦阻力大,各部件效率低,導(dǎo)致剩余功率減小。發(fā)動機點火成功后,轉(zhuǎn)速上升緩慢;發(fā)動機脫開轉(zhuǎn)速過低,渦輪無法產(chǎn)生足夠的剩余功率,出現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速懸掛甚至下降現(xiàn)象,這會進一步導(dǎo)致壓氣機中氣流流動情況惡化,排氣溫度快速上升。

圖7 冷態(tài)起動失敗與成功次的特征參數(shù)對比

因此,為了提高起動成功率,可以適當(dāng)增加冷運轉(zhuǎn)次數(shù):一方面減小發(fā)動機部件間摩擦阻力;另一方面調(diào)整渦輪起動機狀態(tài)到較好的工作狀態(tài)。

(2)熱態(tài)起動時低壓轉(zhuǎn)子抱轉(zhuǎn)

圖8給出了熱態(tài)起動時低壓轉(zhuǎn)子抱轉(zhuǎn)時的參數(shù)曲線。從圖中可以看出,點火前排氣溫度較高,點火成功后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速緩慢上升,然后低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速開始出現(xiàn)失速直至有明顯的抱轉(zhuǎn)現(xiàn)象,轉(zhuǎn)速降為0,導(dǎo)致高壓轉(zhuǎn)子隨后也開始出現(xiàn)失速現(xiàn)象,而排氣溫度快速上升。

圖8 熱態(tài)起動時低壓轉(zhuǎn)子抱轉(zhuǎn)時參數(shù)曲線

發(fā)動機未做任何調(diào)整,經(jīng)過兩次冷運轉(zhuǎn)后起動成功,圖9為對比了起動失敗與成功的參數(shù)曲線。從圖中可以看出,失敗次和成功次的在排氣溫度上升趨勢基本一致;失敗次的高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速表現(xiàn)出前段的上升趨勢與成功次的一致,但后段明顯上升較慢;并且失敗次的低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一開始便表現(xiàn)出了滯后現(xiàn)象,上升緩慢并隨后失速直至出現(xiàn)抱轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

圖9 熱態(tài)起動時低壓轉(zhuǎn)子抱轉(zhuǎn)與成功次的對比

低壓轉(zhuǎn)子出現(xiàn)明顯的抱轉(zhuǎn)現(xiàn)象,并且在高壓轉(zhuǎn)速較高時低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為零(成功次的相同高壓轉(zhuǎn)速時低壓轉(zhuǎn)速為11.7%),這說明低壓轉(zhuǎn)子阻力矩大,出現(xiàn)一定程度卡滯現(xiàn)象。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因在于高原上空氣溫度低,發(fā)動機機匣由于是薄壁件,冷卻較快,發(fā)動機轉(zhuǎn)子由于是實體件并且由于高原空氣稀薄熱傳導(dǎo)慢,因而冷卻緩慢。熱態(tài)起動時,如初始排氣溫度較高時,轉(zhuǎn)子部件與機匣的間隙減小,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時阻力矩大,這在低壓部件中表現(xiàn)得更加明顯。

高原上在熱起動之前一般需進行冷運轉(zhuǎn),但低壓轉(zhuǎn)子只是在氣動作用下運轉(zhuǎn),因此卡滯現(xiàn)象并沒有完全消除。這會導(dǎo)致壓氣機負荷增大,轉(zhuǎn)速上升需要的功增大,因而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升緩慢;反過來轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低會導(dǎo)致氣流壓比較小,這又導(dǎo)致發(fā)動機自身渦輪功減小,形成惡性循環(huán)。當(dāng)起動機脫開時,出現(xiàn)一定程度的失速掉轉(zhuǎn)、排氣溫度快速上升等現(xiàn)象。

(3)熱態(tài)起動時轉(zhuǎn)速熱懸掛現(xiàn)象

圖10給出了熱態(tài)起動轉(zhuǎn)速懸掛(表現(xiàn)為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升緩慢,溫度快速上升)的參數(shù)曲線。從圖中可以看出,發(fā)動機點火成功后轉(zhuǎn)速上升緩慢,脫開轉(zhuǎn)速低,排氣溫度高,起動機脫開之后,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速難以上升甚至出現(xiàn)轉(zhuǎn)速掉轉(zhuǎn)或壓氣機失速等現(xiàn)象。

圖10 熱態(tài)起動時轉(zhuǎn)速熱懸掛參數(shù)曲線

發(fā)動機未做任何調(diào)整,經(jīng)過兩次冷運轉(zhuǎn)后起動成功,對比了起動失敗次與成功次的參數(shù)曲線見圖11。與之前類似,失敗次的高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在前段表現(xiàn)出上升趨勢與成功次的一致,但后段明顯上升較慢;失敗次的低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速則一開始便表現(xiàn)出了滯后現(xiàn)象,上升緩慢,但并未出現(xiàn)抱轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

圖11 熱態(tài)起動時轉(zhuǎn)速熱懸掛與成功次的對比

在熱態(tài)起動時低壓轉(zhuǎn)子在一定程度上存在卡滯現(xiàn)象,導(dǎo)致其轉(zhuǎn)速上升過程有明顯的滯后現(xiàn)象,同時由于低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升緩慢,導(dǎo)致低、高壓轉(zhuǎn)子出現(xiàn)流量不匹配等問題,使得高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速同樣偏離正常的上升軌跡,最終導(dǎo)致起動失敗。

為了提高起動成功率,發(fā)動機熱態(tài)起動時同樣可以適當(dāng)增加冷運轉(zhuǎn)次數(shù):一方面減小發(fā)動機部件間摩擦阻力;另一方面降低渦輪前溫度,減弱因發(fā)動機放熱導(dǎo)致的富油程度。

4 結(jié)論

通過對某型渦扇發(fā)動機高原起動試驗進行分析研究,得到以下結(jié)論:

1)建立了高原起動調(diào)整策略分析方法,確定高原起動供油規(guī)律調(diào)整策略為:前段減小供油量,后段增加供油量;

2)高原冷態(tài)起動失敗的主要原因是起動機脫開時發(fā)動機轉(zhuǎn)子易出現(xiàn)轉(zhuǎn)速懸掛或掉轉(zhuǎn)甚至失速現(xiàn)象,可適當(dāng)增加冷運轉(zhuǎn)次數(shù)來緩解該問題;

3)熱態(tài)起動時失敗的主要原因是低壓轉(zhuǎn)子易出現(xiàn)不同程度的阻力矩增大,導(dǎo)致發(fā)動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升緩慢,甚至低壓轉(zhuǎn)子抱轉(zhuǎn),導(dǎo)致出現(xiàn)“熱懸掛”等現(xiàn)象,可以增加冷運轉(zhuǎn)次數(shù)來緩解該問題。