某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)高閃點(diǎn)噴氣燃料低溫起動(dòng)問題分析

朱明勇 皮星 盧聰明 王旭 鄒黎

（中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002）

燃?xì)鉁u輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程是一個(gè)非常復(fù)雜的物理過程，涉及到氣體熱力學(xué)、燃燒學(xué)、自動(dòng)控制、傳熱學(xué)及材料學(xué)等多門學(xué)科[1]。起動(dòng)過程是渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)必經(jīng)的工作過程，不同的大氣條件、控制規(guī)律、燃油類型等均會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能。為驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)包線內(nèi)，特別是低溫條件下的地面起動(dòng)性能，需進(jìn)行低溫起動(dòng)試驗(yàn)[2]。

某型發(fā)動(dòng)機(jī)是徑向進(jìn)氣、單轉(zhuǎn)子燃?xì)獍l(fā)生器、預(yù)蒸發(fā)管燃燒室、自由渦輪式渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，采用全權(quán)限數(shù)字式電子控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱數(shù)控系統(tǒng)）。在高空模擬試驗(yàn)臺(tái)，分別使用3號(hào)噴氣燃料和高閃點(diǎn)噴氣燃料進(jìn)行了地面低溫起動(dòng)試驗(yàn)。圖1為某次使用高閃點(diǎn)噴氣燃料低溫起動(dòng)歷程曲線，圖中ng、T45表示燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速、燃?xì)鉁u輪出口溫度，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、起動(dòng)發(fā)電機(jī)帶轉(zhuǎn)正常，由于滑油溫度較低，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子阻力大，發(fā)動(dòng)機(jī)剩余功率不足，ng懸掛，起動(dòng)失敗。

圖1 使用高閃點(diǎn)噴氣燃料-40℃低溫起動(dòng)歷程曲線

表1為3號(hào)噴氣燃料與高閃點(diǎn)噴氣燃料低溫起動(dòng)情況對(duì)比表。

表1 3號(hào)噴氣燃料與高閃點(diǎn)噴氣燃料低溫起動(dòng)情況對(duì)比

1.某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)工作過程

燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)加速到慢車狀態(tài)的過程，稱為渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程。某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)采用起動(dòng)發(fā)電機(jī)帶轉(zhuǎn)，起動(dòng)過程分為以下4個(gè)階段：

第一階段：PMS開關(guān)從“停車”位置撥到“慢車”位置，立即接通點(diǎn)火控制信號(hào)、起動(dòng)電機(jī)控制信號(hào)、起動(dòng)電磁閥信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子由起動(dòng)發(fā)電機(jī)帶動(dòng)。點(diǎn)火系統(tǒng)打火一定時(shí)間后停止工作。

第二階段：ng轉(zhuǎn)速達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)，燃油系統(tǒng)開始按給定的燃油流量向燃燒室供油。

第三階段：燃燒室點(diǎn)火成功后，燃?xì)忾_始驅(qū)動(dòng)渦輪做功，與起動(dòng)發(fā)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子加速。

第四階段：起動(dòng)發(fā)電機(jī)脫開后，發(fā)動(dòng)機(jī)自行加速至慢車狀態(tài)。

2.問題原因分析

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)懸掛可能有四方面原因：電機(jī)帶轉(zhuǎn)能力不足、點(diǎn)火系統(tǒng)能力不足、發(fā)動(dòng)機(jī)供油不足、燃油霧化質(zhì)量不足。具體分析如下：

（1）電機(jī)帶轉(zhuǎn)能力不足。車臺(tái)電源電壓滿足電機(jī)使用要求，起動(dòng)發(fā)電機(jī)冷運(yùn)轉(zhuǎn)帶轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速符合設(shè)計(jì)要求，因此電機(jī)帶轉(zhuǎn)能力不足可排除。

（2）點(diǎn)火系統(tǒng)能力不足。發(fā)動(dòng)機(jī)地面低溫起動(dòng)懸掛前均能正常打火，點(diǎn)火時(shí)間2s～4s，與正常起動(dòng)時(shí)的點(diǎn)火時(shí)間基本相當(dāng)，點(diǎn)火系統(tǒng)能力不足可排除。

（3）起動(dòng)供油不足。點(diǎn)火成功后發(fā)動(dòng)機(jī)ng轉(zhuǎn)速上升緩慢，燃?xì)鉁囟萒45較低，所以可能為數(shù)控系統(tǒng)給定起動(dòng)燃油流量偏低導(dǎo)致，需通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

（4）燃油霧化質(zhì)量不足。某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室采用直射式噴嘴與蒸發(fā)管匹配實(shí)現(xiàn)燃油供給及霧化，霧化能力與離心噴嘴存在一定差距，在低溫條件霧化能力差。某型成熟渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)采用相同結(jié)構(gòu)燃燒室，規(guī)定使用高閃點(diǎn)噴氣燃料時(shí)不允許在-30℃以下起動(dòng)。說明該發(fā)動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)受限，低溫起動(dòng)能力較差。

3號(hào)噴氣燃料和高閃點(diǎn)噴氣燃料在成分、粘度、比熱容、密度等方面存在諸多差異。燃油運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)與低溫起動(dòng)、噴嘴霧化有著密切的聯(lián)系，黏度越大，燃油霧化越差，越不利于低溫起動(dòng)。表2為2種燃油不同溫度運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)對(duì)比。

表2 3號(hào)噴氣燃料與高閃點(diǎn)噴氣燃料運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)對(duì)比

由表2可知：高閃點(diǎn)噴氣燃油的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)約為3號(hào)噴氣燃料的2倍，低溫條件下霧化效果更差，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、聯(lián)焰困難，因此使用高閃點(diǎn)噴氣燃油低溫起動(dòng)的最低大氣溫度比使用3號(hào)噴氣燃料的最低大氣溫度要高。

因此，燃油霧化質(zhì)量不足，發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)焰緩慢問題不能排除。

（5）問題原因分析小結(jié)。根據(jù)以上分析，電機(jī)帶轉(zhuǎn)能力不足、點(diǎn)火系統(tǒng)能力不足可以排除，發(fā)動(dòng)機(jī)供油不足、燃油霧化質(zhì)量不足不能排除，需開展專項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)。

3.改進(jìn)措施及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 改進(jìn)措施

為提高發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)性能，針對(duì)燃油霧化不足、發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)焰偏慢、起動(dòng)供油偏低問題，主要從3個(gè)方面優(yōu)化起動(dòng)控制邏輯：

（1）提高固定供油段填充供油量，從而提高燃油噴嘴霧化壓力，提升霧化質(zhì)量。

（2）延長起動(dòng)電磁閥和點(diǎn)火系統(tǒng)接通時(shí)間，改善發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)焰性能。

（3）提高發(fā)動(dòng)機(jī)開環(huán)供油量和閉環(huán)燃油流量限制值，增加起動(dòng)供油量。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過多輪起動(dòng)控制規(guī)律優(yōu)化驗(yàn)證試驗(yàn)，改善了低溫起動(dòng)性能，具體優(yōu)化參數(shù)如下：

（1）地面低溫條件下，固定供油段供油量增加25%。

（2）地面低溫條件下，開環(huán)供油量增加8%。

（3）根據(jù)燃油泵調(diào)節(jié)器能力，將35% ng、40% ng的燃油高限值分別提高2.3%、11.5%。

（4）起動(dòng)電磁閥和點(diǎn)火系統(tǒng)接通時(shí)間延長5s。

主要驗(yàn)證結(jié)果如下：

（1）3號(hào)噴氣燃料低溫起動(dòng)驗(yàn)證。圖2為優(yōu)化起動(dòng)控制規(guī)律、按-30℃保溫后，使用3號(hào)噴氣燃料在-40℃進(jìn)氣溫度和-30℃滑油溫度條件下起動(dòng)歷程曲線，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功。重復(fù)包括保溫時(shí)間在內(nèi)的試驗(yàn)程序共3次，均起動(dòng)成功。使用3號(hào)燃油在地面低溫起動(dòng)包線內(nèi)成功起動(dòng)，表明改進(jìn)措施有效。

圖2 3號(hào)噴氣燃油-40℃低溫起動(dòng)歷程曲線

（2）高閃點(diǎn)噴氣燃料低溫起動(dòng)驗(yàn)證。

1）試驗(yàn)條件：-20℃保溫，進(jìn)氣、滑油溫度均為-20℃。

圖3為優(yōu)化起動(dòng)控制規(guī)律，使用高閃點(diǎn)噴氣燃料在-20℃進(jìn)氣溫度和滑油溫度條件下起動(dòng)歷程曲線，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功。重復(fù)包括保溫時(shí)間在內(nèi)的試驗(yàn)程序共3次，均起動(dòng)成功。

圖3 高閃點(diǎn)噴氣燃油-20℃低溫起動(dòng)歷程曲線

2）試驗(yàn)條件：-20℃保溫，滑油溫度-20℃，進(jìn)氣溫度-40℃。

圖4為優(yōu)化起動(dòng)控制規(guī)律后，使用高閃點(diǎn)噴氣燃料在-40℃進(jìn)氣溫度、-20℃滑油溫度條件下起動(dòng)歷程曲線。發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火和電機(jī)帶轉(zhuǎn)正常，ng轉(zhuǎn)速上升緩慢，T45溫度較低。A時(shí)刻，起動(dòng)電磁閥和點(diǎn)火系統(tǒng)斷開，ng掉轉(zhuǎn)，隨后T45下降，表明燃燒室未聯(lián)焰成功，最終起動(dòng)失敗。

圖4 高閃點(diǎn)噴氣燃料-40℃低溫起動(dòng)歷程曲線

在圖4起動(dòng)失敗后，再次進(jìn)行起動(dòng)試驗(yàn)，起動(dòng)歷程曲線見圖5。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功。

圖5 高閃點(diǎn)噴氣燃油-40℃低溫?zé)崞饎?dòng)歷程曲線

3）試驗(yàn)條件：大氣溫度-40℃，滑油溫度0℃。在外場(chǎng)高寒試驗(yàn)條件下，對(duì)滑油系統(tǒng)進(jìn)行加溫，當(dāng)滑油溫度達(dá)到0℃后停止加溫，在-40℃大氣條件下進(jìn)行起動(dòng)試驗(yàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功。

（3）低溫起動(dòng)驗(yàn)證小結(jié)。

根據(jù)以上驗(yàn)證結(jié)果，起動(dòng)控制規(guī)律優(yōu)化后：

1）使用3號(hào)噴氣燃料地面低溫起動(dòng)最低溫度擴(kuò)展至低溫邊界；

2）使用高閃點(diǎn)噴氣燃料地面低溫起動(dòng)最低溫度擴(kuò)展至-20℃，外場(chǎng)使用時(shí)可通過熱起動(dòng)或?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行加溫的方式實(shí)現(xiàn)-40℃大氣條件下起動(dòng)。

驗(yàn)證結(jié)果表明，起動(dòng)控制規(guī)律優(yōu)化措施有效。

4.結(jié)論

（1）該型發(fā)動(dòng)機(jī)由于燃燒室結(jié)構(gòu)受限，直射式噴嘴與蒸發(fā)管低溫霧化效果差，低溫起動(dòng)能力較離心噴嘴型燃燒室偏差。

（2）通過提高固定供油段填充供油量、延長起動(dòng)電磁閥和點(diǎn)火系統(tǒng)接通時(shí)間、提高發(fā)動(dòng)機(jī)開環(huán)供油量和閉環(huán)燃油流量限制值等優(yōu)化措施，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)性能，經(jīng)驗(yàn)證措施有效。

（3）起動(dòng)控制規(guī)律優(yōu)化后，使用3號(hào)噴氣燃料在低溫起動(dòng)包線內(nèi)成功起動(dòng)；使用高閃點(diǎn)噴氣燃料在-20℃保溫條件下成功起動(dòng)，在-20℃保溫后按-40℃供空氣條件下冷起失敗、熱起動(dòng)成功。原因是高閃點(diǎn)噴氣燃油的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)約為3號(hào)噴氣燃料的2倍，低溫條件下霧化效果更差，因此使用高閃點(diǎn)噴氣燃油低溫起動(dòng)的最低大氣溫度比使用3號(hào)噴氣燃料的最低大氣溫度要高。

（4）使用高閃點(diǎn)噴氣燃料在-40℃條件下，可通過加溫的方式實(shí)現(xiàn)外場(chǎng)起動(dòng)。