某小型渦輪噴氣發動機起動系統與獨立供油系統匹配性研究

楊俊飛 陳茜 趙勝海

摘 要：介紹了某小型航空發動機起動系統原理，對該發動機上機后起動點火失敗問題進行分析，進而對發動機起動系統原理進行研究，最終確認壓力匹配問題是失敗的主要原因，綜合提出解決措施，并進行試驗驗證。

關鍵詞：航空發動機；起動；點火

1 引言

起動是航空發動機的一個重要的起始過程。航空發動機起動成功的基本要求是在壓氣機不喘振和渦輪前不超溫的情況下，在一定的時間內按照給定的起動程序和供油規律點燃燃燒室內油氣混合物，將發動機加速到慢車。

某小型航空發動機（以下簡稱WP發動機）體積小、結構簡單。裝機后出現了發動機地面起動點火失敗問題，本文對WP發動機起動系統進行研究，分析了裝機后影響發動機起動的主要因素并進行試驗驗證，根據驗證結論提出解決措施。

2 起動失敗原因分析

在航空發動機起動過程中，若發動機地面不能點火成功，通常是由于進入發動機燃燒室油氣比超出正常點火要求范圍。因此，著重從進入發動機的氣流和進入發動機的燃油流量進行分析。

2.1 氣源能力分析

根據動量矩定理，起動氣源氣流作用在轉子上的力矩為轉子轉動慣量與角加速度的乘積，發動機吹轉時空氣流量與角加速度的關系由下式描述（簡化為恒角加速度運動）：

（1）

式中m為通過發動吹轉噴嘴的空氣流量、v為噴流與轉子的相對速度、L為吹轉力臂、Mf·Lf為摩擦阻力矩、Ma·La為氣動阻力矩、Ix為轉子的轉動慣量、α為轉子的角加速度。

根據流量公式：

（2）

公式中k為常數，P*為總壓，T*為總溫，A為截面面積，q（？姿）為流量函數，P為靜壓。

摩擦阻力矩和氣動阻力矩實際都為轉子轉速的函數，隨轉子吹轉轉速的增加而增大。噴流與轉子的相對速度v為噴流絕對速度v0與轉子距轉軸L處線速度的差。由于發動機吹轉噴嘴工作在超臨界狀態，噴嘴出口速度為當地音速，當地溫度變化不大時基本不變。因此，轉子的角加速度為空氣流量m與轉子線速度v'的函數，并且m越大，角加速度越大；v越大，角加速度越小并可能反號使轉子轉速變小。在實際發動機起動過程中，氣源帶轉發動機轉速可滿足發動機要求，所需時間也較短，因此說明進入發動機的空氣流量滿足發動機起動要求。

根據（2）式，空氣流量與氣體總壓和管道面積成正比。在發動機氣源進口管路一定的情況下，管道面積一定，因此，在空氣流量滿足發動機要求的前提下，氣源總壓應滿足發動機要求。

2.2 供油流量分析

根據WP發動機起動工作原理，發動機供油流量與供油壓力差函數和定量旋板泵轉速函數有關，因此，建立發動機供油流量模型見式（3）。

（3）

其中q（？駐P）表示由供油壓力差決定的一部分供油流量；

q（n）表示由定量旋板泵轉速決定的一部分供油流量；

由WP發動機定量旋板泵的流量特性可知，定量旋板泵的流量與轉速成正線性關系，供油流量隨定量旋板泵的轉速增加而增加，在1000r/min到10000r/min之間，流量和轉速基本成正線性關系，但在1000r/min以下，流量隨轉速也在增加，若假設0r/min到1000r/min也為正線性關系，則其斜率明顯比1000r/min以上小的多，通過線性延伸計算，流量泵轉速500r/min，其供油流量僅為0.1L/min。因此，當定量旋板泵在低轉速運轉時，其供油流量較小，不能滿足發動機正常點火要求。

由WP發動機起動工作原理，供油壓力差可由數學表達式表示。

式中：PY為地面起動氣源經氣流分配器后進入機上供油系統的壓力；

PZ為定量旋板泵啟動后為供油管路增加的壓力；

PS為PY進入機上供油系統后損失的壓力；

Ph為地面起動氣源經氣流分配器進入封氣腔后形成的背壓力；

由工作原理圖可知，PY和Ph是起動氣源經氣流分配器后再由三通分配而來，其壓力值基本相當，因此？駐P主要由Pb和PS決定。

由典型增壓特性曲線圖可知，定量旋板泵在低轉速運轉時，其增壓能力Pb十分有限，而對于特定的供油系統，其PS為定值，且在設計之初，會按最小損失進行設計，并進行試驗驗證。因此，由供油壓力差決定的部分燃油流量可能存在供給不足的問題。

3 試驗驗證

3.1 問題復現

試驗前，設地面起動氣源經氣流分配器后進入機上供油系統的壓力測量點（PY）、機上供油系統進入發動機壓力測量點（Pa）、燃油泵后壓力測量點（Pb）、供油流量（wf）、發動機轉速（n）。

由復現試驗轉速可知，轉速在吹轉氣源穩定后，沒有上升，此次起動發動機點火失敗。對供油壓力進行分析：PS=PY-Pa，因此，由壓力數據計算：

？駐P=PY+PZ-PS-Ph

PS=PY-Pa

PZ=Pb-Pa

即

代入典型點后，計算？駐P約為-11KPa，考慮旋板泵低轉速時增壓能力較弱，因此供油壓力很可能小于封氣腔背壓，說明燃油并未達到封氣腔，不能點火成功，對燃油流量數據進行分析，燃油流量并未增加，因此，供油段壓力不匹配，導致發動機起動段燃油不能正常供給是起動失敗的主要原因。

3.2 優化后驗證

針對供油段壓力不匹配，可以采用提高發動機旋板泵增壓能力、減低封氣腔背壓等方法，但這些方法均需對發動機進行比較大的優化改進，由供油系統原理可知，若單獨增加發動機起動段油箱壓力，則可提高旋板泵前壓力，從而提高旋板泵后壓力，達到增加泵后壓力與封氣腔壓差的效果。因此，在起動之前，先給油箱預增壓約27KPa，再進行發動機起動。

從轉速及壓力數據對應來分析，當油箱進行27KPa預增壓時，油箱壓力、泵前壓力、泵后壓力在發動機著火前均大于油箱引氣壓力，這說明，著火前油箱內壓力已將燃油擠壓至封氣腔，當發動機著火后，由于發動機轉速上升較快，引氣壓力也隨之迅速上升，最終超過油箱壓力，但此時旋板泵已處于較高工作轉速，其增壓能力已經體現，可以滿足供給燃油需求。因此發動機正常起動。

4 結束語

根據對某小型航空發動機起動系統的研究及試驗驗證，該WP發動機在起動初始段，由于旋板泵低轉速特性，不能單獨完成發動機起動，需要提高供油壓力以克服旋板泵低轉速時增壓能力較弱的問題，從而達到發動機正常起動要求。