一種基于試車數據的發動機起動特性分析方法

王德慶 宋瑞民 陶堯等

摘 要：基于發動機試車數據給出了某型發動機起動時剩余功率曲線，通過不同功率起動機帶轉專項試驗，驗證了給出的剩余功率曲線的正確性。針對某型發動機降低起動機功率的可行性進行了分析，預測了配裝不同功率、不同特性起動機時發動機的起動特性，具有一定的工程應用價值。

關鍵詞：航空發動機;起動特性;試車

1 前言

航空發動機起動機的選擇主要受到起動時間和帶轉轉速限制。在極端的天氣條件下，可能遇到冷熱懸掛問題，因此起動機需具有足夠大的功率，以防止發動機起動失敗。但起動機功率過大，必然會帶來重量增加，不滿足飛機和發動機重量盡可能輕的要求，因此選擇合適功率的起動機，尤為重要。本文基于發動機試車數據，克服了起動過程中整個系統（包含傳動附件）的轉動慣量測量難度大、理論建模難度大、精度低的問題，采用了發動機轉子動力學特性，對某型發動機起動特性進行了[1-5]，得到了該發動機起動時的剩余功率曲線，通過專項帶轉試驗驗證了給出的剩余功率曲線的正確性。預測了配裝不同功率、不同起動特性起動機時發動機的起動特性，具有一定的工程應用價值。

2 發動機起動模型

基于某型發動機試車數據，在發動機冷運轉過程中，燃油不參與燃燒，渦輪扭矩可視為零，其動力學方程為：

當發動機冷運轉達到其最高轉速時，則滿足下式：

在轉子轉動過程中，壓氣機的功率可近似的認為與轉速的3次方成正比，即扭矩與轉速的平方成正比[3]，表示為：

發動機停車過程和起動過程中，相同轉速轉速下，假設發動機負載保持不變。在發動機停車過程中，僅由發動機負載產生的轉子加速度使發動機停車。此時滿足下式：

根據試車數據可對發動機負載進行擬合，可得到由轉動慣量表示的發動機負載。

根據試驗結果起動機的扭矩特性如下：

將式（4）、（5）代入式（2）中，基于實際試車數據，可得該型發動機的轉動過程中的系統綜合轉動慣量。結合轉子動力學理論[6]，計算得到了在海拔高度1km、大氣87kPa 、大氣溫度13℃下，起動機斷開前發動機起動剩余扭矩曲線，如下圖1：

3 某型發動機起動試驗驗證

3.1 發動機剩余功率正確性驗證

某型發動機分別采用功率相差10kW的起動機A與起動機B進行起動試驗，試車數據如下表1。

由圖2可知，模型計算得到的起動機A和起動機B的帶轉轉速分別為27.8%、25.2%，配裝起動機進行專項帶轉試驗帶轉轉速（見表1）分別為28.3%、25.6%，理論計算和專項試驗的帶轉轉速基本一致。因此，通過試車數據求得的起動時發動機系統轉動慣量及剩余扭矩曲線是準確的，驗證了所建模型的正確性。

3.2 某型發動機降低起動機功率的可行性分析

某型發動機要求起動時不超過50s內高壓換算轉速達到50%、冷運轉時帶轉轉速不小于21%。應用圖1計算的發動機剩余扭矩曲線，對55kW～83kW功率的起動機進行起動時間和帶轉轉速計算。發動機配裝不同功率起動機的起動特性表2及圖3。

選用功率不小于66kW的起動機，在50s左右發動機轉速均可達到50%、帶轉轉速大于21%;若選用55kW～66kW燃氣渦輪起動機，帶轉轉速較低、起動時間較長，考慮冷熱天等極端天氣影響下，不滿足該型發動機起動機要求，因此該型發動機起動機功率選擇不應低于66kW。

4 小結

基于發動機試車數據給出了某型發動機起動時剩余功率曲線，通過兩種不同功率起動機帶轉專項試驗，驗證了給出的剩余功率曲線的正確性。針對某型發動機降低起動機功率的可行性進行了分析，預測了配裝不同功率、不同特性起動機時發動機的起動特性，對該型發動機起動機的選擇提供了參考依據，該方法可應用于其他發動機的起動特性分析，具有一定的工程應用價值。

參考文獻：

[1]廖明夫.航空發動機轉子動力學[M].西安：西北工業大學出版社，2015.

[2]劉建勛，王劍影，李應紅等.某型發動機起動模型的支持向量機辨識及應用[J].推進技術，2004，25（05）：401-404.

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[4]楊帆，樊丁等.基于試車數據的航空發動機起動過程建模[J].空軍工程大學學報（自然科學版），2013（14）.

[5]江勇，周宗才，桑增產等.發動機高原地面啟動實驗初步研究[J].推進技術，2003，24（06）：547-549.

[6]哈工大理論力學教研室.理論力學[M].北京：高等教育出版社，2016.

作者簡介：王德慶（1993-），男，山東淄博人，碩士，助理工程師，研究方向：航空發動機總體性能設計。