航空發動機高原起動性能改善措施

李大為 ，李家瑞 ，李鋒 ，崔金輝 ，王嘉瞳

（1.中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015；2.空裝駐長春地區軍事代表室，長春130000）

0 引言

起動是航空發動機的1個重要的過渡過程，是發動機工作的第1個階段，因此顯得格外重要。樸英、廉筱純等[1-2]對發動機起動過程等進行了原理闡述，并建立起動過程的數學模型，將發動機起動過程按3個階段進行劃分，并總結歸納的了影響起動成功的各種因素；苗禾狀等[3]從“三高”的條件因素對發動機起動影響進行研究，并提出了在進行“三高”試驗的方法和注意事項；王兆銘[4]以某型發動機為例對高原起動供油規律的調整進行研究，通過改變自動起動器和起動放氣嘴，得到了高原機場起動的調整方法；郭昕[5]總結了英、俄等國在高空模擬試驗臺進行發動機高原起動的驗證方法，提出了符合中國國情的發動機高低溫起動及高原起動的試驗途徑和方法；江勇[6]等分別在不同海拔地區開展了發動機高原起動試車臺架研究，得到了起動機運轉與發動機共同工作的規律，并得到了海拔因素對起動機功率影響規律。何立明、李俊鋼等[7-8]對CFM56-7民航發動機在冬季高原上多次發生冷起動故障進行分析，得到環境因素及民航運輸航線對燃燒室噴嘴的霧化特性產生影響，從而導致點火不成功造成起動失敗。因此，發動機起動成功與周圍環境影響非常大。發動機起動受環境溫度、壓力、起動機功率和壓氣機、燃燒室、渦輪等部件匹配等因素影響，具有較大的不確定性，特別是在高原低氣壓、空氣低含氧量、氣溫和向多變風等特殊氣候環境下，容易出現發動機點火失敗、超溫、懸掛、失速等問題，從而導致起動失敗，在一定程度上，嚴重制約飛機在高原地區使用。

本文以某型航空發動機高原起動過程為研究對象，通過高原環境各因素對發動機起動過程帶來的影響進行理論分析，得到不同調整措施對起動過程3個階段的起動參數影響規律，提出解決發動機高原起動困難的措施，并進行了高原起動試驗驗證

1 某型發動機地面起動原理

以某型小涵道比渦扇發動機為例（起動前段采用燃氣渦輪起動機），發動機從零轉速過渡到慢車轉速的過程稱為起動過程。航空發動機在地面起動時必須依靠外界動力源，因為這時沒有空氣流過發動機，如果向燃燒室噴油點火只能將發動機燒傷而轉子不會轉動起來。只有達到一定的轉速后，燃燒室內的氣流才能建立起穩定燃燒所需要的氣流壓力和溫度[9-10]。

地面起動過程是在電氣及燃油系統起動控制邏輯下，使轉子由靜止狀態加速到慢車狀態的過渡過程。發動機地面起動分為3個階段[11]，靜止狀態到主燃燒室初始點火狀態（第1階段）、主燃燒室初始點火狀態到起動機脫開狀態（第2階段）、起動機脫開狀態到慢車狀態（第3階段），第1～3階段分別以點火轉速、起動機脫開轉速作為分界條件，如圖1所示。

圖1 發動機起動過程

第1階段，主燃燒室未點火，由起動機的功率帶動發動機轉速提高，轉速的上升速率主要取決于起動機的功率。影響第1階段起動成功與否的重點是發動機點火轉速和起動機輸出功率的選取。點火轉速的選取對發動機起動過程影響很大，如供油過早，發動機轉速低，空氣流量較小，使主燃燒室富油燃燒而容易引起發動機超溫和喘振；轉速過高，將延長發動機起動時間。起動機輸出扭矩應滿足發動機及附件的阻力矩，將發動機帶轉至點火轉速，若起動機輸出扭矩充分，可以縮短帶轉至點火轉速時間，縮短起動時間。

第2階段，從主燃燒室點火成功開始，依靠起動機提供的功率和渦輪功率帶動發動機轉子轉速提高，轉速的上升速率主要取決于起動機提供的功率和渦輪剩余功率。影響第2階段起動成功與否的重點是主燃燒室供油規律設計和起動機脫開轉速的選取。起動供油規律需綜合考慮起動時間要求、壓氣機特性、最大供油量邊界（失速/喘振邊界）、最小供油量邊界（懸掛邊界）、飛機附件加載等條件進行設計，起動過程壓氣機工作線及邊界限制條件如圖2所示。

圖2 起動過程壓氣機工作線及邊界限制條件

第3階段，起動機退出工作，由渦輪功率帶動發動機轉子提高轉速，轉速的上升速率主要取決于渦輪剩余功率。此階段影響起動成功與否的重點是主燃燒室供油規律，設計原則與第2階段相同。

2 高原起動影響理論分析

高原機場具有海拔高、氣壓低、空氣密度小、含氧量低、晝夜溫差大等特殊氣候環境，對于航空發動機高原起動均會產生不利影響[12-15]。

對于航空燃氣渦輪發動機及燃氣渦輪起動機來說，在高原環境下，由于空氣壓力及空氣密度降低，限制轉速條件下，起動機輸出功率變小，因此，在發動機起動前段（第1、2階段），起動機帶轉能力將有所下降，相應到達第1、2階段的轉速會降低或時間變長。根據高原試驗結果可知，最長的轉速懸掛可達3～5 min，并多次出現。因此要對高原地區起動供油規律及控制時序進行調整，以使發動機油氣匹配達到最佳。此外，由于進氣密度減小，在相同體積流量的進氣條件下，進入發動機的空氣質量流量相對降低，余氣系數減小，在相同進氣溫度條件下若按平原地區供油規律供油，油氣比會偏高，會產生富油燃燒，造成排氣溫度升高，從而造成起動失敗。因此，可采用提高起動機功率的方法，來提高發動機在高原地區的點火轉速和脫開轉速，以使發動機油氣匹配達到最佳。

根據飛機需求，發動機還需給飛機附件提供動力，以滿足飛機日常需要。在高原起動過程中，發動機自身剩余功率降低，若要給飛機提供正常的功率輸出，將會大大增加起動失敗的概率。在發動機起動初期，發動機剩余功率相對較少，若起動過程全程加載（飛機附件）或中間加載，相當于發動機負載相對變大，導致發動機工作點偏離正常工作線，從而使排氣溫度升高，起動轉速懸掛，起動時間變長，進而造成起動失敗。在起動過程中提供飛機附件的功率相對較少，供飛機液壓系統正常工作有限，因此起動過程提供飛機功率提取的意義十分有限。

3 高原起動改進措施及試驗驗證

針對高原環境對起動過程不利影響的分析，結合發動機自身可實現的調整手段，初步制定以下改進措施，并在某型發動機高原起動試驗中驗證（高原海拔高度為3700 m）。

3.1 起動機功率提升

針對起動機在高原環境下工作功率有所降低及第1、2階段帶轉轉速不足的問題，提出提高起動機功率的措施。在某型發動機高原起動試驗中，起動機功率調整后約提高1%，在相同條件下，發動機冷運轉轉速提高約1.2%，如圖3所示。起動機功率提高約1%，發動機點火轉速可提高2%，起動機脫開轉速可提高2.5%，排氣溫度可降低8%，起動時間將縮短約8%。

圖3 起動過功率調整前后發動機冷運轉情況對比

圖4 高原及平原地區發動機起動情況對比

3.2 延長點火時間和起動機脫開時間

對比平原（海拔300 m）及高原起動過程，如圖4所示。從圖中可見，高原起動過程的點火轉速和脫開轉速都比平原地區的低，點火和脫開時間也要比平原地區的長。針對發動機高原起動過程中，到達點火轉速和起動機脫開轉速變長的現象，對發動機起動控制時序進行優化，相應滯后或延長發動機供油時間，使發動機點火成功率增加，點火后油氣比分配更合理，為起動后段創造有利條件。同時也可延長起動機脫開時間，盡可能使帶轉轉速提高，以提高發動機高原起動成功率；根據起動機轉速和功率的關系，發動機轉速在40%時起動機功率開始達到峰值，此時起動機脫開，未能充分發揮其帶轉能力。因此提出起動機帶轉時間由70 s延長至90 s，初步評估可使高壓轉速提高20%。該項改進措施可提高42%～48%范圍內剩余加速功率，以解決發動機脫開時轉速偏低及較低轉速狀態發動機加速能力不足的問題。

3.3 提高起動機功率

針對發動機在起動過程中進行液壓加載造成負載增加、起動困難的情況，采取在起動過程中全程飛機卸載，卸載后發動機輸出功率完全用于發動機起動（飛機加載功率可達20 kW），對于起動初期發動機產生功率較小的階段幫助較大，卸載的功率可提高脫開轉速，降低排氣溫度。從高原試驗驗證結果來看，在起動過程中飛機全程液壓卸載措施十分有效，在飛機加載條件下起動不成功時，采取飛機卸載措施可使起動成功，如圖5所示。

飛機加載時，在起動第3階段（起動機脫開后），發動機轉速不提高，出現懸掛現象；在相同條件下，在起動過程中飛機卸載，雖然在起動第3階段（起動機脫開后）轉速懸掛現象仍持續20 s左右，但最終可以保證起動成功。為評估飛機加載對起動性能影響的關系，挑選飛機卸載和飛機加載均起動成功的數據，在飛機卸載的情況下，起動時間縮短20%，排氣溫度下降3%，起動機脫開轉速提高3%。加載和卸載對起動過程中發動機轉速影響如圖6、7所示。

圖5 飛機液壓加載對起動過程中發動機轉速影響

圖6 飛機液壓加載對起動過程中發動機轉速影響

圖7 飛機液壓加載對起動過程中發動機排氣溫度影響

4 結論

本文通過一系列高原起動分析及試驗，總結出提高發動機高原起動成功率的有效措施，結論如下：

（1）在發動機起動過程中飛機卸載可以有效降低排氣溫度和縮短起動時間，提高高原起動成功率，經試驗驗證，采取飛機卸載措施后，起動時間可縮短20%，排氣溫度下降3%，起動機脫開轉速提高3%。

（2）采取延長點火時間和起動機脫開時間等優化控制時序，可使發動機點火成功率提高，點火后油氣比分配更合理，從而為起動后段創造有利條件，提升發動機高原起動成功率。

（3）發動機在高原使用時應采用相對平原時更大功率的起動機，以提高發動機轉速上升率（起動過程第1、2階段），經試驗驗證，起動機功率提高約1%，點火轉速及脫開轉速可提高約2%，起動時間縮短8%。