渦扇發動機換裝大功率起動機起動性能分析

邢 洋，郭海紅，王 軍，閻 巍，白永秋

(中國航發沈陽發動機研究所，沈陽 110015)

1 引言

渦扇發動機可靠、快速起動對保證軍用飛機的作戰效能至關重要，發動機起動性能的好壞也是衡量發動機綜合性能的一項關鍵指標[1-4]。

某渦扇發動機交付外場后出現了起動問題，主要表現為兩個方面：一是發動機高原起動相比平原起動調整頻繁、起動成功率下降，造成外場飛機出動準備時間長，不能滿足部隊作戰和實戰化訓練需要。二是存在冷、熱態起動和冷、熱天起動性能差異大的問題，冷起動時間偏長，減少冷起動時間則易造成熱起動失速。而采用更大功率的起動機，并結合轉速上升率閉環控制的起動供油規律,可解決該型發動機起動供油調整范圍小和高原起動功率不足的問題，提高發動機起動能力；同時還可縮短發動機起動時間，降低起動時發動機排氣溫度，提高起動成功率，對延長發動機壽命具有重要意義[5]。

本文采用基于轉速上升率閉環控制的起動供油規律，利用常規地面試車臺架，設計并開展了某渦扇發動機采用原狀態起動機(A型起動機)和大功率起動機(B型起動機)的起動性能對比試驗。根據試驗結果，探討了發動機采用大功率起動機的可行性，以及采用大功率起動機后發動機起動性能的變化。

2 大功率起動機

大功率起動機是在某渦軸發動機核心機基礎上，利用先進的仿真設計平臺對核心機進行等比例縮小研制的一型燃氣渦輪起動機，具有起動功率大、體積小、質量輕、壽命長、自身起動時間短等特點，主要用于航空發動機的地面起動、冷運轉、假開車、啟封、油封，也可以在動力組件狀態下工作，提供地面維護時所需能源。其自由渦輪的功率通過減速器傳遞到輸出軸上，再通過彈性傳動軸傳遞到飛機外置附件機匣傳動機構，以帶動發動機高壓轉子旋轉。該起動機最大輸出功率相對原狀態起動機的提升25%，同時可以原位換裝原狀態起動機。

3 起動控制規律設計

3.1 地面起動供油規律設計

航空發動機地面起動過程通常分為3個階段：第1階段，轉速由0到渦輪開始產生功率；第2階段，渦輪開始產生功率到起動機脫開；第3階段，起動機脫開至發動機達到慢車轉速。3個階段分別以點火轉速ndh、起動機脫開轉速ntk作為分界條件[6]。

該型發動機原采用較為通用的Wf/p3=f(n)起動供油規律，但這種供油方式比較依賴油量的控制和計量精度。當發動機控制系統油量的控制和計量精度不能滿足要求時，可能會導致發動機起動失敗，適用性相對較差。為此，采用基于轉速上升率閉環控制的地面起動供油規律[7]，以提升發動機起動可靠性。起動供油階段，高壓物理轉速(nH)低于設定轉速時，起動閉環不工作，為此主要針對地面起動第2、第3階段進行供油規律設計。根據文獻[7]公式整理可得：

式中：Ndot為轉速上升率，MCT為輔助起動動力裝置輸出扭矩，MT為渦輪輸出扭矩，MC為壓氣機扭矩，Mm為阻力矩，J為轉子轉動慣量，ηm為轉子機械效率。

轉速上升率控制規律應綜合起動時間要求、起動機輸出扭矩、渦輪輸出扭矩、發動機阻力矩等條件進行設計，且設計結果應利用地面和空中起動試驗結果進行修正。在考慮渦輪前溫度上升量和壓氣機穩定裕度限制的基礎上確定燃燒室供油量Wf，由此可得到相應轉速條件下的轉速上升率設計規律。在給定轉速上升率要求的條件下，適當調整燃燒室供油量，使發動機實際轉速上升率與給定轉速上升率一致，實現起動供油的閉環控制。

3.2 設計規律的修正方法

發動機實際使用過程中，轉速上升率設計應考慮大氣壓力、溫度等因素，因此需要對標準大氣條件下的轉速上升率進行修正。根據文獻[7]，起動過程實際時間和換算時間的對應關系為：

式中：ths為海平面、標準大氣條件下的起動時間，t為實際起動時間，p1為進氣總壓，T1為進氣總溫。

對于起動過程任一小轉速上升量Δn，存在以下關系：

聯立式(2)和式(3)得到修正公式：

4 試驗過程

首先采用A型起動機進行起動性能試驗。調整發動機起動性能至滿足各項要求，按照表1所列的試驗項目開展起動試驗。之后換裝B型起動機，按照上述過程，重新開展試驗。所有試驗項目均在加載、不引氣條件下進行。

表1 試驗項目Table 1 Starting test items

5 試驗結果分析

5.1 冷運轉對比分析

該型發動機的冷運轉時間為70 s。圖2示出了按下發動機冷運轉按鈕后，起動機起動過程中排氣溫度的變化。圖中試驗數據已作歸一化處理，僅給出相對變化關系，下同。可以看出，B型起動機起動過程中的排氣溫度上升率和最高排氣溫度均高于A型起動機的。其主要原因是B型起動機起動加速過程供油偏多。另外，B型起動機自身起動成功所需時間長于A型起動機的。

圖2 起動機起動過程中的排氣溫度Fig.2 Exhaust temperature of two starters

采用兩型起動機，發動機和起動機的冷/熱態相同時，冷運轉過程中不同時間點發動機的高壓轉速見表2。表中，狀態代表起動機和發動機的冷、熱態，如熱態/冷態表示起動機為熱態、發動機為冷態，下同。冷運轉22 s時，采用A型起動機的發動機高壓轉速較B型起動機的高0.063～0.069；冷運轉70 s時，采用B型起動機的發動機高壓轉速較A型起動機的高0.091～0.115，約提升14%。

表2 冷運轉時不同時間點發動機的高壓轉速Table 2 High pressure speed of engine at different times during cold operation

圖3 冷運轉時發動機的高壓轉速Fig.3 High pressure speed of engine during cold operation

圖3給出了冷運轉時發動機高壓轉速的變化情況。在冷運轉前25 s，同一時刻，采用A型起動機發動機的高壓轉速較采用B型起動機發動機的高；在冷運轉25 s后，同一時刻，采用B型起動機發動機高壓轉速比采用A型起動機發動機的高。

根據以上分析可知，采用B型起動機，冷運轉過程中發動機高壓轉速提高了約14%[8-11]。

5.2 起動對比分析

5.2.1 起動點火

起動過程中，當發動機高壓轉速到達點火轉速ndh=0.220或起動程序到一時間點tdh=0.311時，發動機主燃油系統開始向燃燒室供油，發動機點火(排氣溫度突升)[12-13]。采用兩型起動機起動時，發動機點火成功時的點火時間和點火轉速見表3?？煽闯觯l動機均在高壓轉速達到點火轉速時點火成功。采用B型起動機發動機點火成功時間較采用A型起動機發動機的長0.026～0.032，主要原因是B型起動機起動時間較長。

表3 發動機點火時間和點火轉速Table 3 Ignition time and speed of engine

5.2.2 起動供油壓差

該型發動機地面起動過程中采用基于轉速上升率閉環控制的地面起動供油規律，可按轉速上升率閉環對設計起動供油量進行修正[14-17]。圖4給出了發動機采用兩型起動機起動過程中的供油壓差(燃油總管壓力pf與高壓壓氣機出口壓力p31之差)的對比，圖中nHcor為高壓換算轉速。由圖可看出，發動機冷/熱態相同時，相比采用A型起動機，采用B型起動機的發動機起動過程實際供油壓差降低(轉速0.6～0.8范圍內降低約20%)，這表明發動機實際起動供油量也有所降低。

圖4 發動機起動過程中的供油壓差Fig.4 Fuel supply pressure difference during engine starting

5.2.3 起動時間和排氣溫度

發動機起動過程中，當高壓轉速到達起動機脫開轉速ntk=0.787或起動程序到一時間點ttk=0.700時，起動機脫開。表4給出了發動機起動過程的最高排氣溫度(T6max)和發動機起動時間tmc(從起動開始到慢車狀態的時間)。由表可知，在大氣溫度相同、發動機轉速上升率一致條件下，起動機熱態、發動機冷態時，采用B型起動機比采用A型起動機起動，起動最高排氣溫度下降9.8%，起動時間縮短5.0%；起動機熱態、發動機也為熱態時，采用B型動機比采用A型起動機起動，起動最高排氣溫度下降10.7%，起動時間縮短2.7%。

表4 發動機起動時間和最高排氣溫度Table 4 Starting performance data of engine

圖5和圖6分別示出了采用兩型起動機起動過程中高壓轉速和排氣溫度的變化。由圖可知，整個起動過程中，相比采用A型起動機，采用B型起動機的發動機實際轉速上升率有所提高，供油量降低約20%，排氣溫度下降10%。

綜上所述，起動機功率提升25%，冷態起動時間縮短5.0%，熱態起動時間縮短2.7%。另外，發動機起動供油量降低約20%，起動過程中排氣溫度大幅度下降10%。

圖5 起動過程中的高壓轉速Fig.5 High pressure speed of engine during engine starting

圖6 起動過程中的排氣溫度Fig.6 Exhaust temperature during engine starting

6 結論

(1) 發動機采用轉速上升率閉環控制的地面起動供油規律后，兩型起動機的起動性能良好，各項起動性能指標均滿足設計要求。

(2) 采用大功率起動機比采用原狀態起動機，起動機功率提升25%，發動機冷運轉時高壓轉速提高約14%。

(3) 采用大功率起動機比采用原狀態起動機，冷態起動時間縮短5.0%，熱態起動時間縮短2.7%。高壓轉速較高時，發動機起動供油量降低約20%，起動過程中排氣溫度下降10%。