某小型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)與獨(dú)立供油系統(tǒng)匹配性研究

楊俊飛 陳茜 趙勝海

摘 要：介紹了某小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)原理，對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)上機(jī)后起動(dòng)點(diǎn)火失敗問(wèn)題進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)原理進(jìn)行研究，最終確認(rèn)壓力匹配問(wèn)題是失敗的主要原因，綜合提出解決措施，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；起動(dòng)；點(diǎn)火

1 引言

起動(dòng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要的起始過(guò)程。航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功的基本要求是在壓氣機(jī)不喘振和渦輪前不超溫的情況下，在一定的時(shí)間內(nèi)按照給定的起動(dòng)程序和供油規(guī)律點(diǎn)燃燃燒室內(nèi)油氣混合物，將發(fā)動(dòng)機(jī)加速到慢車(chē)。

某小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)WP發(fā)動(dòng)機(jī)）體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。裝機(jī)后出現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)地面起動(dòng)點(diǎn)火失敗問(wèn)題，本文對(duì)WP發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，分析了裝機(jī)后影響發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的主要因素并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)論提出解決措施。

2 起動(dòng)失敗原因分析

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，若發(fā)動(dòng)機(jī)地面不能點(diǎn)火成功，通常是由于進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室油氣比超出正常點(diǎn)火要求范圍。因此，著重從進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流和進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油流量進(jìn)行分析。

2.1 氣源能力分析

根據(jù)動(dòng)量矩定理，起動(dòng)氣源氣流作用在轉(zhuǎn)子上的力矩為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與角加速度的乘積，發(fā)動(dòng)機(jī)吹轉(zhuǎn)時(shí)空氣流量與角加速度的關(guān)系由下式描述（簡(jiǎn)化為恒角加速度運(yùn)動(dòng)）：

（1）

式中m為通過(guò)發(fā)動(dòng)吹轉(zhuǎn)噴嘴的空氣流量、v為噴流與轉(zhuǎn)子的相對(duì)速度、L為吹轉(zhuǎn)力臂、Mf·Lf為摩擦阻力矩、Ma·La為氣動(dòng)阻力矩、Ix為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、α為轉(zhuǎn)子的角加速度。

根據(jù)流量公式：

（2）

公式中k為常數(shù)，P*為總壓，T*為總溫，A為截面面積，q（？姿）為流量函數(shù)，P為靜壓。

摩擦阻力矩和氣動(dòng)阻力矩實(shí)際都為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的函數(shù)，隨轉(zhuǎn)子吹轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的增加而增大。噴流與轉(zhuǎn)子的相對(duì)速度v為噴流絕對(duì)速度v0與轉(zhuǎn)子距轉(zhuǎn)軸L處線速度的差。由于發(fā)動(dòng)機(jī)吹轉(zhuǎn)噴嘴工作在超臨界狀態(tài)，噴嘴出口速度為當(dāng)?shù)匾羲?，?dāng)?shù)販囟茸兓淮髸r(shí)基本不變。因此，轉(zhuǎn)子的角加速度為空氣流量m與轉(zhuǎn)子線速度v'的函數(shù)，并且m越大，角加速度越大；v越大，角加速度越小并可能反號(hào)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變小。在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，氣源帶轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可滿足發(fā)動(dòng)機(jī)要求，所需時(shí)間也較短，因此說(shuō)明進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量滿足發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)要求。

根據(jù)（2）式，空氣流量與氣體總壓和管道面積成正比。在發(fā)動(dòng)機(jī)氣源進(jìn)口管路一定的情況下，管道面積一定，因此，在空氣流量滿足發(fā)動(dòng)機(jī)要求的前提下，氣源總壓應(yīng)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)要求。

2.2 供油流量分析

根據(jù)WP發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)工作原理，發(fā)動(dòng)機(jī)供油流量與供油壓力差函數(shù)和定量旋板泵轉(zhuǎn)速函數(shù)有關(guān)，因此，建立發(fā)動(dòng)機(jī)供油流量模型見(jiàn)式（3）。

（3）

其中q（？駐P）表示由供油壓力差決定的一部分供油流量；

q（n）表示由定量旋板泵轉(zhuǎn)速?zèng)Q定的一部分供油流量；

由WP發(fā)動(dòng)機(jī)定量旋板泵的流量特性可知，定量旋板泵的流量與轉(zhuǎn)速成正線性關(guān)系，供油流量隨定量旋板泵的轉(zhuǎn)速增加而增加，在1000r/min到10000r/min之間，流量和轉(zhuǎn)速基本成正線性關(guān)系，但在1000r/min以下，流量隨轉(zhuǎn)速也在增加，若假設(shè)0r/min到1000r/min也為正線性關(guān)系，則其斜率明顯比1000r/min以上小的多，通過(guò)線性延伸計(jì)算，流量泵轉(zhuǎn)速500r/min，其供油流量?jī)H為0.1L/min。因此，當(dāng)定量旋板泵在低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其供油流量較小，不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)正常點(diǎn)火要求。

由WP發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)工作原理，供油壓力差可由數(shù)學(xué)表達(dá)式表示。

式中：PY為地面起動(dòng)氣源經(jīng)氣流分配器后進(jìn)入機(jī)上供油系統(tǒng)的壓力；

PZ為定量旋板泵啟動(dòng)后為供油管路增加的壓力；

PS為PY進(jìn)入機(jī)上供油系統(tǒng)后損失的壓力；

Ph為地面起動(dòng)氣源經(jīng)氣流分配器進(jìn)入封氣腔后形成的背壓力；

由工作原理圖可知，PY和Ph是起動(dòng)氣源經(jīng)氣流分配器后再由三通分配而來(lái)，其壓力值基本相當(dāng)，因此？駐P主要由Pb和PS決定。

由典型增壓特性曲線圖可知，定量旋板泵在低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其增壓能力Pb十分有限，而對(duì)于特定的供油系統(tǒng)，其PS為定值，且在設(shè)計(jì)之初，會(huì)按最小損失進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。因此，由供油壓力差決定的部分燃油流量可能存在供給不足的問(wèn)題。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 問(wèn)題復(fù)現(xiàn)

試驗(yàn)前，設(shè)地面起動(dòng)氣源經(jīng)氣流分配器后進(jìn)入機(jī)上供油系統(tǒng)的壓力測(cè)量點(diǎn)（PY）、機(jī)上供油系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量點(diǎn)（Pa）、燃油泵后壓力測(cè)量點(diǎn)（Pb）、供油流量（wf）、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（n）。

由復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)轉(zhuǎn)速可知，轉(zhuǎn)速在吹轉(zhuǎn)氣源穩(wěn)定后，沒(méi)有上升，此次起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火失敗。對(duì)供油壓力進(jìn)行分析：PS=PY-Pa，因此，由壓力數(shù)據(jù)計(jì)算：

？駐P=PY+PZ-PS-Ph

PS=PY-Pa

PZ=Pb-Pa

即

代入典型點(diǎn)后，計(jì)算？駐P約為-11KPa，考慮旋板泵低轉(zhuǎn)速時(shí)增壓能力較弱，因此供油壓力很可能小于封氣腔背壓，說(shuō)明燃油并未達(dá)到封氣腔，不能點(diǎn)火成功，對(duì)燃油流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，燃油流量并未增加，因此，供油段壓力不匹配，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)段燃油不能正常供給是起動(dòng)失敗的主要原因。

3.2 優(yōu)化后驗(yàn)證

針對(duì)供油段壓力不匹配，可以采用提高發(fā)動(dòng)機(jī)旋板泵增壓能力、減低封氣腔背壓等方法，但這些方法均需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行比較大的優(yōu)化改進(jìn)，由供油系統(tǒng)原理可知，若單獨(dú)增加發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)段油箱壓力，則可提高旋板泵前壓力，從而提高旋板泵后壓力，達(dá)到增加泵后壓力與封氣腔壓差的效果。因此，在起動(dòng)之前，先給油箱預(yù)增壓約27KPa，再進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。

從轉(zhuǎn)速及壓力數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)來(lái)分析，當(dāng)油箱進(jìn)行27KPa預(yù)增壓時(shí)，油箱壓力、泵前壓力、泵后壓力在發(fā)動(dòng)機(jī)著火前均大于油箱引氣壓力，這說(shuō)明，著火前油箱內(nèi)壓力已將燃油擠壓至封氣腔，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)著火后，由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升較快，引氣壓力也隨之迅速上升，最終超過(guò)油箱壓力，但此時(shí)旋板泵已處于較高工作轉(zhuǎn)速，其增壓能力已經(jīng)體現(xiàn)，可以滿足供給燃油需求。因此發(fā)動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)對(duì)某小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)的研究及試驗(yàn)驗(yàn)證，該WP發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)初始段，由于旋板泵低轉(zhuǎn)速特性，不能單獨(dú)完成發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，需要提高供油壓力以克服旋板泵低轉(zhuǎn)速時(shí)增壓能力較弱的問(wèn)題，從而達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)要求。