淺談航空發動機起動與點火系統

肖維東

【摘 要】目的：認識和了解航空發動機起動與點火系統的發展、分類、原理、作用以及新技術。方法：分類別介紹，使內容更加清晰，易懂。結果：先進的起動/發電機技術和點火技術使發動機具有更大的推重比和涵道比。結論：隨著航空運輸業對燃油經濟性的重視和空軍戰術性能提高的的需要，原有的起動與點火方式將逐步被先進的前沿技術所取代。

【關鍵詞】航空發動機；起動/發動機；點火技術；啟動噴嘴

航空發動機，是為航空器提供飛行所需動力的發動機。作為飛機的“心臟”，被譽為“工業之花”，它直接影響飛機的性能、可靠性及經濟性，是一個國家科技、工業和國防實力的重要體現。航空發動機起動與點火系統是航空發動機的關鍵技術。目前，世界上能夠獨立研制高性能航空發動機的國家只有美、英、法、俄，中等少數幾個國家，技術門檻很高。1903年，萊特兄弟把一臺4缸、水平直列式水冷發動機改裝之后，成功地用到他們的“飛行者一號”飛機上進行飛行試驗。這臺發動機只發出8.95 kW的功率，重量卻有81 kg，功重比為0.11kW/daN。發動機通過兩根自行車上那樣的鏈條，帶動兩個直徑為2.6m的木制螺旋槳。首次飛行的留空時間只有12s，飛行距離為36.6m。但它是人類歷史上第一次有動力、載人、持續、穩定、可操作的重于空氣飛行器的成功飛行，就是這樣一次簡單的飛行，卻標志著人類飛行的夢想變成現實。

航空發動機共有3種類型：活塞式航空發動機、燃氣渦輪發動機、 沖壓發動機。

航空發動機在進入工作狀態前還有一個起動過程，其過程有兩種：地面起動和空中起動。地面起動即發動機在地面從靜止的停車狀態加速到慢車狀態的過程；空中起動即發動機空中停車再點火起動加速到慢車狀態的過程。除沖壓發動機外，活塞式發動機和燃氣渦輪發動機的地面起動都需要起動源和點火系統，也就是說發動機在進入慢車轉速以前必須有動力源帶動，因為這個時候沒有空氣流過發動機，如果向汽缸或燃燒室噴油點火只能將發動機燒壞而不會轉動起來，只有達到一定轉速后，氣缸或燃燒室內的氣流才能建立其穩定燃燒所需要的氣流壓力和溫度。空中起動是依靠轉子在高空飛行時感受沖壓動力，利用轉子的風車自傳功能，直接向燃燒室噴油點火；在發動機轉子初速度不夠時（小于發動機滿轉速的15%）可以借助俯沖來提高發動機核心機的轉速而實現點火起動。

1 航空發動機的起動系統

1.1 起動活塞式發動機

起動活塞式發動機最早的方法是人工轉動螺旋槳，這種方法是把螺旋槳當做杠桿轉動發動機曲軸。現在轉動發動機曲軸的動力常用的有氣體壓力和電動力兩種，用前一種動力的方法，是將壓縮空氣送入汽缸，壓縮空氣在汽缸內膨脹，推動活塞，使曲軸旋轉。利用后一種動力的方法，是用電動機帶動慣性起動機旋轉，然后利用慣性起動機儲存的能量直接帶動發動機曲軸旋轉。活塞6甲型航空發動機就是依靠壓縮空氣來起動的，其起動系統是由空氣壓縮機、導管、隨機氣瓶、冷氣起動分布器、起動閥門、起動注油系統等構成。空氣壓縮機裝在發動機上，發動機工作時，空氣壓縮機向隨機氣瓶充氣。發動機起動時，按下起動按鈕，打開開關，壓縮空氣通過電動冷氣閥門向冷氣分布器輸入壓縮空氣，壓縮空氣通過冷氣分布器內的分流閥，經過冷氣起動管路進入裝在汽缸上的起動閥門，在氣體壓力下，氣動閥門被打開，壓縮空氣進入汽缸燃燒室，推動活塞，使曲軸旋轉，在曲軸轉動的同時，也帶動了分流閥旋轉，壓縮空氣便根據汽缸的工作順序，依次進入汽缸。

1.2 燃氣渦輪發動機

1.2.1 渦軸發動機和渦槳發動機

渦軸發動機和渦槳發動機的起動系統，包括起動/發動機（氣起動機）、高能點火器、高能電嘴、起動噴嘴、起動供油電磁閥、起動放油活門和放氣活門等。渦軸發動機和渦槳發動機的起動，實質上是發動機燃氣發生器轉子的起動，是指發動機燃氣發生器轉子由靜止狀態開始轉動并加速到慢車狀態的一個過程。起動開始，起動機帶動燃氣發生器轉子轉動的同時，起動系統開始工作，起動電氣系統使點火電嘴產生點火源，同時起動燃油系統開始供油，使起動噴嘴開始噴油。當轉速達到n1時，發動機燃油系統也開始供油。這時在燃燒室內已形成穩定火源，源源不斷地點燃新鮮混合氣，渦輪開始發生功率，隨著轉速的增加，渦輪功率迅速增加，當轉速超過最小轉速時渦輪功率已大于壓氣機功率，起動機脫開而停止工作，在發動機的帶動下轉為發電狀態。起動機有電動起動機（也叫起動-發電機）和燃氣渦輪起動機等。為改進寒冷季節起動別的可靠性并取消熱起動，1970年，利爾·西格勒與塔利兩家公司共同發展了一種火藥助推電動起動機發電機系統，并用于軍用T63發動機。

1.2.2 渦扇發動機和渦噴發動機

渦扇發動機和渦噴發動機的起動系統，包括起動/發動機（空氣起動機）、高能點火器、氣壓高能電嘴、起動噴嘴、起動供油電磁閥、起動放油活門和放氣活門等，與渦軸發動機和渦槳發動機不同的是起動過程越短越好。其中起動/發動機作為起動源起動發動機的原理與渦軸和渦槳發動機過程一樣，不一樣就是有的發動機起動時起動/發動機通過附件齒輪箱齒輪軸驅動核心機轉子，帶動燃氣發生器轉子旋轉；有的發動機沒有附件齒輪箱，起動/發動機通過中/高壓轉子組合體而驅動核心機轉子，帶動燃氣發生器轉子旋轉；多電發動機“內裝式”整體起動/發電機與發動機核心機同軸，直接帶動燃氣發生器轉子旋轉。

空氣渦輪起動機屬于無壓氣機的渦輪起動機，由單級蝸輪、減速器、棘爪離合器和傳動軸組成。起動發動機時輸出軸與附件齒輪箱連接，按下發動機起動按鈕，來自輔助動力裝置（APU）、地面空調車或者已起動好的發動機的壓縮熱空氣，進入空氣起動機，吹動葉輪旋轉通過附件齒輪箱驅動核心機轉子，帶動燃氣發生器轉子旋轉，以獲得一定初速度，是流入的空氣被壓縮。優點是：輸出扭矩大、重量輕、結構簡單、工作可靠、使用方便。缺點是需要外界氣源。

2 航空發動機點火系統

2.1 活塞式發動機

活塞式發動機的點火系統由磁電機、電嘴、燃油噴嘴（汽化器噴嘴和直噴）組成。

活塞式發動機的點火能量來自磁電機，它通過一個分配器把電脈沖送給發動機各個汽缸的火花塞。磁電機的工作原理基于電磁感應，它是一個組合式四級永磁發電機和自耦變壓器。電機的基本元件為磁路、初級線路和次級線路：磁路是由四級永久磁鐵、轉子磁鐵、轉子極掌、極靴和變壓器鐵芯組成；磁電機初級線路由變壓器初級線圈、斷電器及與它并聯的電容器組成；而次級線路則由次級線圈、高壓引出線及配電系統組成。在磁電機內，由于變壓器鐵芯中的磁通大小和方向不斷改變，因而在初級線圈中產生低壓電流，斷電器觸點因凸輪盤的凸起在初級線圈電流最大的瞬間斷開，在次級線圈中便感應出高壓電流，此電流經高壓導線到電嘴產生放電。特點是點火系統的工作貫穿于發動機工作的全過程。

2.2 燃氣渦輪發動機

所有燃氣渦輪發動機都采用高能點火裝置，而且總是裝備雙套系統。點火系統的功用：產生電火花，點燃混合氣。由電源、高能點火器、高壓導線、點火電嘴、起動噴嘴等組成。

2.2.1 高能點火器可分為直流高能點火器（斷續器控制和晶體管控制）和交流高能點火器

斷續器式直流點火器由斷續器機構、感應線圈、高壓整流器、儲能電容器、扼流線圈、放電間隙和安全電阻等組成。工作原理：低壓直流電經過斷續器機構和感應線圈的共同工作變為脈動高壓電，再經過高壓整流器給儲能電容器充電；當電容器中的電壓升高到密封放電間隙的擊穿值時，點火電嘴端面即發生放電，產生電火花。

晶體管式直流點火器的工作原理與斷續器式直流點火器相似。區別只是用晶體管斷續電路即晶體管脈沖發生器取代直流斷續器機構。其原理是利用三極管的開關作用產生自激振蕩，而通過感應線圈產生脈動高壓電。

交流高能點火器由變壓器、整流器、儲能電容、扼流線圈、放電間隙、放電電阻和安全電阻等組成。電源為115伏400赫茲交流電。工作原理：低壓交流電經過變壓器變為高壓交流電，再經過高壓整流器給儲能電容器充電；當電容器中的電壓升高到密封放電間隙的擊穿值時，點火電嘴端面即發生放電，產生電火花。

2.2.2 點火電嘴

功用是產生電火花點燃混合氣。目前航空燃氣渦輪發動機上所用電嘴是一種表面放電式電嘴。這種電嘴在殼體和中心電極之間充有絕緣材料，中心電極的前端為鎢電極頭，外面包有一層碳化硅半導體材料。點火系統工作時，高能點火器的高壓電通過高壓導線輸至電嘴，中心電極上的高壓電使中心電極和殼體間的半導體絕緣材料表面產生電離作用，為儲存在電容器中的電能提供一條低電阻通路。放電采取從電極到殼體高電壓跳火的形式，形成高強度的火花。

2.2.3 起動噴嘴

功用是在發動機時將燃油呈霧狀噴入起動噴油點火器內以保證迅速燃燒。由接管嘴和噴嘴組成。燃油霧化是使燃油通過一個擾流腔室，腔室內壁沿切線分布有一些孔或縫隙，燃油從中流過時把壓力能變成運動能而形成渦流；燃油以這種狀態通過噴嘴的噴口，此時渦流運動消失，燃油霧化成錐形噴流。噴流的形狀是霧化程度的重要標志，擾動程度和噴嘴處的燃油壓力是影響霧化優劣的重要因素。目前航空發動機上使用的有霧化噴嘴和汽化噴嘴。

3 先進技術介紹

3.1 新型燃油噴嘴

3.1.1 大調解比燃油噴嘴

這種燃油噴嘴能提高燃油噴霧均勻性，使燃油溫度保持在可接受的范圍之內，此為單通道噴嘴采用了回油技術。與傳統噴嘴相比，能提高低油壓下燃油霧化率，使點火燃油量減半，從而將噴嘴的調節比提高一倍。回流能保證燃油不斷地高速運動，達到冷卻噴嘴的目的。

3.1.2 泡沫噴嘴

它是將少量的空氣，約為燃油流量的1%，在噴射之前與燃油混合。當油-氣混合物噴射入燃燒室后，空氣膨脹，將燃油破碎成小顆粒。這種燃油噴嘴的一個最有用的特性是顆粒尺寸不是燃油噴射孔直徑的函數，因而允許使用大孔徑的噴射孔，容污性更好。實驗證明，這種泡沫噴嘴比傳統噴嘴性能提高5%∽10%。

3.2 起動/發電裝置

3.2.1 交流變頻起動/發電機技術

羅·羅發動機公司的遄達1000發動機均裝備兩臺發電機/235VAC，稱作變頻起動/發電機（VFSG），它們直接與發動機齒輪箱相連。它們之所以被稱作“變頻”，是因為他們產生的頻率與發動機的速度成比例。當發動機運行時，變頻起動/發電機是主電源。在遄達1000發動機附件傳動裝置中，起動/發動機通過帶自動離合器（超越離合器）的雙軸傳動裝置，與中壓轉子及高壓轉子連接。驅動裝在高壓轉子傳動軸上的從動輪，從而使起動/發電機驅動高壓轉子。當發動機起動后，高壓轉子轉速很快增大；當達到慢車轉速時離合器自動脫閘，起動/發動機與高壓轉子分離，此時，中壓轉子驅動起動/發電機發電。起動電源來自輔助動力裝置的相同功率電源。輔助動力裝置起動/發電機從專用電池（或地面電源）中提取電力，用于起動輔助動力裝置。

3.2.2 內裝式整體起動/發電機技術

通用電氣公司在F110-129發動機上安裝了內裝式整體起動/發電機，內裝式整體起動/發電機直接置于發動機主軸上，即起動/發電機轉子繞組直接繞在發動機主軸上，而靜止繞組鑲嵌在對應的發動機靜止結構內。其主要優點：1.取消了功率提取軸和減速器，可減小發動機重量和迎風面積。2.所產生的電功率由兩個以上的發動機轉子承擔，可以重新優化燃氣發生器的設計，有利于控制喘振和擴大空中點火包線，改善發動機適用性。3.以獲得大的功率和電力，可以高達數兆瓦。4.采用了主動磁懸浮軸承技術，取消潤滑系統。

3.2.3 開關磁阻式無刷直流起動/發電機技術

普惠F119發動機安裝270V的開關磁阻式無刷直流起動/發電機，其高速運轉易于提高功率密度、減小體積，電源效率高達90 %以上，發電時還可以吸收系統回饋的能量，且可靠性高、結構簡單、配電電網重量輕、易于實現余度供電及不間斷供電。

3.3 點火技術

3.3.1 激光點火技術

就是利用激光點燃主發動機燃料的技術，其工作過程是發動機需要工作時，用激光照射拋物線形噴嘴，在激光匯聚的地方形成點火區域，點燃主發動機燃料。為驗證這一技術，俄羅斯專家使用波長為762納米的固態釹激光連續照射普通長度發動機的燃燒室，激活燃燒室內的氧分子，使燃燒室內的混合燃料在低溫條件下實現加速燃燒，即爆震燃燒。這種技術實際上是通過降低燃料的燃燒溫度，從而大大提高了燃料的燃燒率，使燃燒室長度普通的發動機也可以實現超音速飛行的推力。從而使普通發動機達到超音速飛行燃氣渦輪起動機推力成為可能。激光點火能有效控制點火時間和點火強度，因此能準確控制點火時刻，并且容易實現電控。

3.3.2 等離子流點火技術

等離子流點火技術是當今世界上一項比較先進的行之有效的化學燃料燃燒點火技術。等離子點火系統主要由電源和火花塞組成，兩者以高壓屏蔽電纜連接，帶有屏蔽彎頭和連接接頭，分為單通道和雙通道兩種結構形式。交流電經過升壓、整流。高電壓脈沖發生器產生的高電壓施加到火花塞的電極上。空氣常態時呈電中性，當受到外界因素作用時，就發生電離而導電。在等離子點火系統中，電離主要以熱電離和電場電離為主。電離產生的自由電荷受通道約束時，由于機械壓縮效應，電弧能量密度加大。空氣從電極間引入與電弧接觸。氣體被加熱到等離子溫度，進一步提高弧柱的能量密度，具有熱壓縮效應。以上兩種效應的結果形成高能的等離子流，高速噴入燃料霧化錐中，完成點火功能。

4 結論

隨著各國空軍戰術性能的較高要求和民用航空運輸業對運輸成本及燃油經濟性的控制，先進飛機的發展對發動機的功能提升起著催化劑的作用，空軍戰術性能的高要求需要飛機配備大推重比發動機；伴隨著高油價時代的到來，航空運輸業為了節約成本，需要燃油消耗低、噪音小的大涵道比發動機。為此，先進的起動/發電機技術和點火技術在航空發動機領域得到廣泛運用。

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[責任編輯：王偉平]