某渦軸發動機機載蓄電池臺架起動試驗研究

黃新生 向立軍 賀東京 董德偉

摘 要：本文針對某渦軸發動機機載蓄電池起動燃氣渦輪出口溫度高的問題，開展了地面臺架蓄電池起動試驗研究，對不同蓄電池的起動差異，蓄電池起動和臺架電源起動的差異，以及蓄電池對發動機起動性能的影響進行了分析，可為同類新研或改型渦軸發動機機載的蓄電池起動等提供參考。

關鍵詞：渦軸發動機;電起動機;臺架;蓄電池;起動試驗

中圖分類號：V235 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）09-0119-03

電起動機控制簡單且工作穩定可靠，廣泛用于起動中小型渦軸、渦槳發動機。電起動機的能源有機場電源車、地面電源和機載蓄電池等，當飛機在野外起飛但無電源車的條件下，就必須使用機載蓄電池起動發動機。一般來說，機載蓄電池的重量和尺寸隨電起動機起動功率增加對蓄電池的用電需求的增加而增大，而機載蓄電池的重量和尺寸受限于飛機的重量和尺寸要求，故電起動機的起動功率會受到一定限制，進而會對發動機起動產生一定影響。渦軸、渦槳發動機臺架試驗電起動機的能源一般采用臺架地面電源，裝機試飛才會開展蓄電池起動驗證，一旦暴露問題可能會對發動機和直升機的研制周期、費用等會造成一定影響[1]。

某渦軸發動機采用低壓直流有刷電起動機進行起動，裝直升機在地面進行機載蓄電池起動時，暴露了燃氣渦輪出口溫度高、起動時間長的問題，較采用地面電源起動，起動過程燃氣渦輪出口溫度峰值高200℃左右，起動時間長10s左右。為研究機載蓄電池對渦軸發動機起動性能的影響，本文以該渦軸發動機為平臺，開展了臺架蓄電池起動試驗研究，對不同蓄電池的起動差異，蓄電池起動和臺架電源起動的差異，以及蓄電池起動對發動機起動性能的影響進行了分析，可為同類新研或改型渦軸發動機的裝機蓄電池起動試驗等提供參考。

1 試驗方法

試驗時模擬直升機環境進行發動機、電起動機和蓄電池之間的電纜接線，電纜規格、長度、電起動機主回路、勵磁回路電阻等均與裝機條件保持一致。在地面和高空條件下，采用不同蓄電池給電起動機供電，進行冷運轉和起動試驗，同時在電起動機輸出軸上安裝測扭器，測量電起動機輸出軸上的起動扭矩[2]。

2 不同蓄電池的帶轉能力對比

地面常溫下，采用冷運轉（電起動機帶轉15s自動脫開，發動機不供油和點火）的方法，對比采用不同蓄電池情況下電起動機的帶轉能力。采用的三種蓄電池（組）冷運轉試驗結果如表1所示，冷運轉過程的起動電流和起動扭矩如圖1和圖2所示。其中，蓄電池A與第1章節該渦軸發動機裝直升機起動暴露的Tt4.5燃氣溫度高和起動時間長采用的蓄電池一致。

由以上圖表可知：

（1）蓄電池容量增加60%（C和B對比），重量增加20kg，冷運轉帶轉高0.6%，同樣燃氣發生器轉速條件下，在15%轉速左右，起動電流增加約4.5%，電起動機扭矩增加5%;

（2）蓄電池容量不變（B和A對比），蓄電池由1組改為2組并聯，重量增加11kg，冷運轉帶轉高1.8%，同樣燃氣發生器轉速條件下，在15%轉速左右，起動電流增加約22%，電起動機起動扭矩增加30%。

冷運轉過程中，用來加速發動機的加速扭矩為電起動機的起動扭矩與發動機本身阻力矩之差，起動扭矩越大，加速扭矩也越大，冷運轉帶轉速就越高。根據直流電起動機特性，電起動機的輸出扭矩QM可表示為：

QM=CtΦIM-Qf

式中Ct為扭矩常數，Qf為電起動機自身的轉動阻力矩，對于給定的電起動機，扭矩常數和轉動阻力矩可看作常數，Φ是勵磁磁通量，主要跟勵磁電流有關，IM為起動電流。因此，對于給定的電起動機，在勵磁電流一致的條件下，在進入電起動機弱磁控制階段前，電起動機發出的起動扭矩主要跟起動電流呈正相關，即起動電流越大，起動扭矩越大。而對于給定的電起動機，在蓄電池端電壓一定的情況下，起動電流主要跟電源電阻、線路電阻和電起動機電阻等有關，電阻越小，電流越大。裝不同蓄電池試驗時，電起動機和線纜均不變，因此，起動電流主要跟蓄電池本身內阻有關。

從上述冷運轉試驗結果來看，增加蓄電池容量和蓄電池由1組改為2組并聯均可提高起動電流、起動扭矩和帶轉轉速。但是相比于單一蓄電池容量增加60%，單一蓄電池由1組改為2組并聯，起動電流增加相對更為明顯，即降低電源本身內阻，起動電流增加更為明顯，起動扭矩增長相對較大，起動帶轉能力更強，且蓄電池由1組改為2組并聯重量增加相對較小，即增加的扭矩/重量比更大。

3蓄電池和臺架電源的差異

由第3章節分析可知，電起動機發出的起動扭矩大小主要跟起動電流和起動電源電壓相關。蓄電池和臺架電源的差異主要有如下幾個方面，一是受直升機電氣系統和蓄電池本身特性限制，蓄電池端電壓一般較電源車、機場地面電源和臺架電源可調的最高電壓相對低，機載蓄電池端電壓較機場地面電源最高電壓低2V左右;二是臺架電源特性相對較“硬”，即臺架電源內阻遠小于蓄電池內阻，帶載運行時能基本保持端電壓恒定;三是臺架電纜長度、粗細等與直升機機上電纜有差異，線路電阻有差異。

該渦軸發動機臺架電源與蓄電池冷運轉的起動電流和起動扭矩對比如圖3和圖4，蓄電池端電壓較臺架電源電壓約低1V，在燃氣發生器轉速15%左右，蓄電池B較臺架電源起動電流和起動扭矩低20%左右。

另外，直升機要求蓄電池有連續5次的放電能力，包含1次冷運轉和4次起動。隨著放電次數的增加，蓄電池容量、端電壓也會隨著降低，從而導致起動電流和起動扭矩下降，電起動機帶轉能力逐步減弱。而相比于臺架電源，只要保證臺架電源電壓一致，電起動機帶轉能力可基本維持不變。該渦軸發動機采用蓄電池B連續5次放電后，蓄電池電壓約下降0.5V，蓄電池容量約放掉50%，第5次放電較第1次放電，電起動機輸出的起動扭矩下降約10%，對比曲線如圖5所示。

4蓄電池對起動性能的影響分析

根據第3章節和第4章節的分析可知，相對于臺架電源起動，采用蓄電池起動，電起動機的起動扭矩會明顯降低。根據勻加速理論，燃氣發生器加速扭矩與燃氣發生器加速率的關系如下：

式中，?M為加速扭矩，i為電起動機轉子與燃氣發生器轉子的轉速比，J由電起動機帶轉的所有轉動件相對于電起動機軸的有效轉動慣量，ng為燃氣發生器轉速，t為起動時間。對上式積分則可得到：

因此，采用蓄電池起動后，加速扭矩相對降低，則燃氣發生器轉子加速率降低，起動時間延長;同時，根據該發動機的起動控制規律，在發動機點火且燃氣渦輪出口溫升大于60℃后，數控系統進入燃氣發生器轉子加速率閉環控制，即根據燃氣發生器轉子加速率實際值和給定值的差值進行供油。采用蓄電池起動后，轉子加速率明顯降低，按照控制邏輯，數控系統將增加燃油量，從而引起燃氣渦輪出口溫度峰值升高。

綜上所述，采用蓄電池起動對發動機起動性能的影響主要為起動時間延長，燃氣渦輪出口溫度峰值升高。考慮到電起動機脫開前，發動機加速力矩主要由電起動機提供，可降低燃氣發生器轉速的加速度給定，適當優化起動控制規律。以蓄電池C為例完成了驗證，起動過程Tt4.5溫度峰值降低40℃左右，而起動時間變化不明顯[3]。

優化起動控制規律后，蓄電池A、B、C常溫條件下的起動時間和燃氣渦輪出口溫度峰值如表2所示。與臺架電源起動相比，蓄電池起動時間明顯增加，燃氣渦輪出口溫度峰值高;分別采用三種蓄電池起動，電起動機起動扭矩越大，發動機起動時間越短，起動過程燃氣渦輪出口溫度峰值越低。

高空起動時采用蓄電池起動對發動機起動性能的影響將更加明顯，這是因為與地面起動相比，高空起動時因空氣密度小，發動機空氣流量減少，電起動機脫開前發動機本身提供的加速扭矩占的比例相對偏低，而采用蓄電池起動后將降低電起動機提供的加速扭矩，從而發動機起動更加困難，甚至起動失敗。某渦軸發動機地面起動電起動機脫開前時刻起動電起動機輸出功率占發動機轉子加速功率的比例約27%，而到高空3000m時這一比例升至50%[1]。

為降低采用蓄電池起動對發動機高空起動性能的影響，在電起動機允許的情況下，延長高空帶轉時間，從而提高電起動機脫開時的燃氣發生器轉速，即提高電起動機脫開時發動機本身的做功能力。電起動機帶轉時間延長10s后（電起動機脫開時燃氣發生器轉速提高約12%），該渦軸發動機采用蓄電池B完成了高空起動試驗，臺架電源和蓄電池高空4500m起動情況對比如表3所示，燃氣渦輪出口溫度峰值基本在該渦軸發動機可接受的范圍內，起動時間剛好滿足該渦軸發動機的高空起動時間要求，可以預見若不延長電起動機帶轉時間，發動機高空起動時間將難以滿足要求，甚至起動失敗。

5結論

（1）在同樣的蓄電池端電壓條件下，蓄電池本身內阻對電起動機起動電流和起動扭矩影響較大，提高蓄電池容量和蓄電池1組改為兩組并聯均可提高起動電流和起動扭矩，但蓄電池由1組改為2組并聯增加的扭矩/重量比大;

（2）臺架電源與蓄電池相比，臺架電源端電壓、起動電流和起動扭矩明顯較高，且隨著蓄電池放電次數的增加，電起動機的輸出扭矩明顯下降;

（3）蓄電池對發動機起動性能的影響主要為起動時間延長，燃氣渦輪出口溫度峰值升高，高空起動尤為明顯，可通過采取延長電起動機帶轉時間和優化起動控制規律等措施降低蓄電池對起動性能的影響;

（4）建議直升機電氣系統綜合考慮，降低電起動機起動控制回路電阻，如采用較粗的線纜等，提高采用蓄電池起動時電起動機的起動能力。

參考文獻

[1] 唐平一.起動電起動機輸出功率對某渦軸發動機空中起動性能的影響分析[J].南華動力，2010（4）：7-10.

[2] 廉筱純，吳虎.航空發動機原理[M].西安：西北工業大學出版社，2005.

[3] 顧永根.航空發動機設計手冊 第6冊 渦槳及渦軸發動機總體[M].北京：航空工業出版社，2001.