航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能改善措施試驗(yàn)研究

邊家亮，王 軍，隋巖峰，韓文俊

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能改善措施試驗(yàn)研究

邊家亮，王 軍，隋巖峰，韓文俊

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015）

為優(yōu)化某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性，解決發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中存在的問(wèn)題，提高起動(dòng)成功率，在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)主體結(jié)構(gòu)條件下，對(duì)采用大功率起動(dòng)機(jī)與提高起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)轉(zhuǎn)速和壓氣機(jī)放氣3項(xiàng)措施進(jìn)行了分析、設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定采用大功率起動(dòng)機(jī)結(jié)合提高脫開(kāi)轉(zhuǎn)速的措施，在進(jìn)氣溫度為-25～50℃范圍內(nèi)，使發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間縮短0.19～0.51，起動(dòng)排氣溫度降低0.04～0.10。

起動(dòng)性能；起動(dòng)機(jī)；脫開(kāi)轉(zhuǎn)速；壓氣機(jī)放氣；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

成功快速地起動(dòng)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)是非常重要的[1-4]，是飛機(jī)安全飛行的前提。影響起動(dòng)性能的因素包括大氣溫度和壓力、起動(dòng)機(jī)扭矩、壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪特性、燃料特性、燃油噴嘴特性、點(diǎn)火能量及點(diǎn)火時(shí)機(jī)、燃油和可調(diào)靜葉控制規(guī)律及控制容差等[5]。

某型航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在大量地面起動(dòng)中主要暴露出起動(dòng)失速和懸掛、冷熱起動(dòng)兼容性差、起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)本身不做修改的前提下，通過(guò)提高起動(dòng)機(jī)扭矩、優(yōu)化供油規(guī)律、提高壓氣機(jī)穩(wěn)定性等可提升起動(dòng)性能。為優(yōu)化某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性，解決發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中存在的問(wèn)題，提高起動(dòng)成功率，經(jīng)過(guò)多輪分析比對(duì)，最終確定3項(xiàng)改善地面起動(dòng)的措施，即采用大功率起動(dòng)機(jī)、提高脫開(kāi)轉(zhuǎn)速和壓氣機(jī)放氣。

本文對(duì)采用的上述3項(xiàng)措施進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證和結(jié)果分析。

1 改善起動(dòng)性能的措施

1.1 提高起動(dòng)機(jī)功率

提高起動(dòng)機(jī)功率是縮短起動(dòng)時(shí)間的最佳方法，可同時(shí)降低起動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度，提高起動(dòng)成功率[6]。在起動(dòng)過(guò)程中起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)之前，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，渦輪提供的剩余功率少，此時(shí)起動(dòng)機(jī)提供扭矩占發(fā)動(dòng)機(jī)剩余扭矩的比重較大，提高起動(dòng)機(jī)功率，可直接增加發(fā)動(dòng)機(jī)剩余扭矩，縮短起動(dòng)時(shí)間；此外，提高起動(dòng)功率后，起動(dòng)供油量可以適當(dāng)減少，有利于降低起動(dòng)排氣溫度，對(duì)延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命具有重要意義。

1.2 提高脫開(kāi)轉(zhuǎn)速

增大脫開(kāi)轉(zhuǎn)速可以縮短起動(dòng)時(shí)間，同時(shí)可提高起動(dòng)成功率。在起動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火成功后，渦輪開(kāi)始產(chǎn)生功率和起動(dòng)機(jī)一起帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)加速，直至起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)轉(zhuǎn)速為止[7]。當(dāng)轉(zhuǎn)子加速到大于最小平衡轉(zhuǎn)速時(shí)，即渦輪產(chǎn)生的功率大于壓氣機(jī)所需要的功率，這時(shí)可以脫開(kāi)起動(dòng)機(jī)，一般發(fā)動(dòng)機(jī)平衡轉(zhuǎn)速為最大轉(zhuǎn)速的30%～35%。但是為了縮短加速時(shí)間，并提高起動(dòng)的可靠性，通常加速到1.5～2.0倍平衡轉(zhuǎn)速時(shí)，才脫開(kāi)起動(dòng)機(jī)。

1.3 壓氣機(jī)放氣

在起動(dòng)過(guò)程中壓氣機(jī)放氣可提高發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性，減少起動(dòng)過(guò)程中失速現(xiàn)象[8-10]。將壓氣機(jī)流路的級(jí)間或級(jí)后空氣放到大氣或外涵道中，可減小壓氣機(jī)級(jí)間不匹配。在換算轉(zhuǎn)速降低時(shí)，打開(kāi)放氣門(mén)，增加壓氣機(jī)前面級(jí)的空氣流量，提高前面級(jí)軸向速度，減小前面級(jí)的攻角，使其接近設(shè)計(jì)工作狀態(tài)，這樣即可保證前面級(jí)工作穩(wěn)定[11]。當(dāng)壓氣機(jī)在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中工作時(shí)，放氣門(mén)打開(kāi)，通過(guò)渦輪的燃?xì)饬髁繙p小，為了保持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，渦輪前溫度必然升高。放氣雖然能改善低換算轉(zhuǎn)速條件下壓氣機(jī)的特性，但從能量觀點(diǎn)看是不利的，因?yàn)榉艢庀牧藟嚎s能量，推力會(huì)減小，同時(shí)燃油消耗量增加。所以這種方法通常只在起動(dòng)狀態(tài)及加速等過(guò)渡過(guò)程中使用。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證情況及分析

2.1 提高起動(dòng)機(jī)功率

某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)原本采用功率為A kW的燃?xì)鉁u輪起動(dòng)機(jī)，現(xiàn)換裝功率增大至B kW的大功率燃?xì)鉁u輪起動(dòng)機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，2型起動(dòng)機(jī)使用條件、安裝尺寸及接口一致，便于換裝進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程曲線如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)在2次試車(chē)分別裝配額定功率NCT為A kW和B kW的起動(dòng)機(jī)，并保持試車(chē)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)一致，起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)轉(zhuǎn)速相同為n2tk=A%，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度T1也接近，進(jìn)行起動(dòng)驗(yàn)證試驗(yàn)。圖中，ΔPf=Pf-P31，Pf為主燃燒室進(jìn)口燃油壓力，P31為高壓壓氣機(jī)出口壓力。圖表中試驗(yàn)數(shù)據(jù)已作歸一處理，僅給出相對(duì)變化關(guān)系，下同。不同功率起動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程主要數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。表中，tdh為從起動(dòng)開(kāi)始到點(diǎn)火時(shí)間，ttk為從起動(dòng)開(kāi)始到起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)時(shí)間，tmc為從起動(dòng)開(kāi)始到慢車(chē)狀態(tài)的時(shí)間，T6max為起動(dòng)過(guò)程中排氣溫度T6的最高值。

圖1 不同功率起動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程曲線

表1 不同功率起動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程數(shù)據(jù)

從表1和圖1中可見(jiàn)，在起動(dòng)過(guò)程中，起動(dòng)供油規(guī)律基本一致；起動(dòng)機(jī)功率提高后，高壓轉(zhuǎn)速的增大速率明顯提高，排氣溫度的最大值有所降低，且出現(xiàn)溫度極值的轉(zhuǎn)速和時(shí)間點(diǎn)有所提前；更換大功率起動(dòng)機(jī)后從按下起動(dòng)按鈕至與大發(fā)脫開(kāi)時(shí)間間隔減少近0.09，最高排氣溫度下降0.03。

2.2 增大脫開(kāi)轉(zhuǎn)速

發(fā)動(dòng)機(jī)原本設(shè)計(jì)起動(dòng)過(guò)程中起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)轉(zhuǎn)速為n2tk=A%，現(xiàn)將脫開(kāi)轉(zhuǎn)速增大到n2tk=B%進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。因2型起動(dòng)機(jī)在額定功率時(shí)起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一致，為滿足試驗(yàn)需求，通過(guò)修改齒輪齒數(shù)將附件機(jī)匣傳動(dòng)比（傳動(dòng)比=附件轉(zhuǎn)速/發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速）由0.5854調(diào)整為0.4928，以增大脫開(kāi)轉(zhuǎn)速。

2.2.1 原狀態(tài)起動(dòng)機(jī)

取裝配原狀態(tài)起動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)2次試車(chē)的起動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，2次試車(chē)分別在n2tk=A%，B%斷開(kāi)起動(dòng)機(jī)且均起動(dòng)成功，發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)一致，進(jìn)氣條件也基本相同。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程曲線如圖2所示，起動(dòng)過(guò)程數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

圖2 不同脫開(kāi)轉(zhuǎn)速起動(dòng)過(guò)程曲線

表2 不同脫開(kāi)轉(zhuǎn)速起動(dòng)過(guò)程數(shù)據(jù)

從圖2和表2中可見(jiàn)，2次起動(dòng)的供油規(guī)律基本一致，裝配原起動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)在n2tk=B%脫開(kāi)比n2tk=A%脫開(kāi)起動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)間約縮短0.25，起動(dòng)排氣溫度降低0.04。2次起動(dòng)在發(fā)動(dòng)機(jī)貧油邊界，可見(jiàn)在此情況下脫開(kāi)轉(zhuǎn)速增大使起動(dòng)時(shí)間縮短較多，起動(dòng)排氣溫度也降低較多。

2.2.2 大功率起動(dòng)機(jī)

裝配大功率起動(dòng)機(jī)時(shí)，對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)在2次試車(chē)的起動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，2次試車(chē)分別在n2tk=A%和 n2tk=B%斷開(kāi)起動(dòng)機(jī)且均起動(dòng)成功，發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)一致，進(jìn)氣條件也基本相同。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程曲線如圖3所示，起動(dòng)過(guò)程數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

圖3 大功率不同脫開(kāi)轉(zhuǎn)速起動(dòng)過(guò)程曲線

表3 不同脫開(kāi)轉(zhuǎn)速起動(dòng)過(guò)程數(shù)據(jù)

從圖3和表3中可見(jiàn)，2次起動(dòng)的供油規(guī)律基本一致，裝配大功率起動(dòng)機(jī)在n2tk=B%脫開(kāi)比n2tk=A%脫開(kāi)的起動(dòng)時(shí)間約縮短0.06，起動(dòng)排氣溫度降低約0.02。

2.3 壓氣機(jī)放氣

為驗(yàn)證壓氣機(jī)放氣對(duì)起動(dòng)的影響，并考慮結(jié)構(gòu)改動(dòng)盡量小，充分利用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)來(lái)滿足試驗(yàn)需求。發(fā)動(dòng)機(jī)的主燃燒室機(jī)匣上有高壓壓氣機(jī)出口放氣口。為驗(yàn)證起動(dòng)過(guò)程中壓氣機(jī)放氣的有效性，引氣從放氣口經(jīng)過(guò)改裝的工藝放氣管至防冰控制附件，當(dāng)給出“放氣接通”信號(hào)時(shí)，該信號(hào)指令打開(kāi)氣動(dòng)電磁閥，接通臺(tái)架氮?dú)庵量刂聘郊臍饴?，在氮?dú)鈮毫ψ饔孟?，控制附件?nèi)的節(jié)氣門(mén)開(kāi)啟，將高壓壓氣機(jī)出口空氣送出，經(jīng)防冰管路排至大氣。

2.3.1 放氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的影響

裝配大功率起動(dòng)機(jī)的該發(fā)動(dòng)機(jī)在2次試車(chē)中，發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)一致，進(jìn)氣條件也基本相同，起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)轉(zhuǎn)速均為n2tk=B%，第1次試車(chē)起動(dòng)時(shí)壓氣機(jī)未放氣，第2次試車(chē)起動(dòng)時(shí)僅采取在起動(dòng)過(guò)程中壓氣機(jī)放氣，未作其他調(diào)整。2次起動(dòng)放氣與不放氣的起動(dòng)過(guò)程參數(shù)變化見(jiàn)表4。

表4 是否放氣試車(chē)起動(dòng)過(guò)程數(shù)據(jù)

從表中可見(jiàn)，采用放氣起動(dòng)時(shí)間比不采用放氣的長(zhǎng)0.03，說(shuō)明起動(dòng)放氣使起動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)；從起動(dòng)過(guò)程最高排氣溫度T6max來(lái)看，采用放氣起動(dòng)的最高排氣溫度T6max比不采用放氣起動(dòng)的升高0.02。

2.3.2 放氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的有效性

裝配大功率起動(dòng)機(jī)的該發(fā)動(dòng)機(jī)在2次試車(chē)中，發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)一致，進(jìn)氣條件也基本相同，起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)轉(zhuǎn)速均為n2tk=B%，第1次試車(chē)在不放氣條件下起動(dòng)n2R=1.09時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)失速，第2次試車(chē)起動(dòng)供油量不變化，采用在起動(dòng)過(guò)程中壓氣機(jī)放氣發(fā)動(dòng)機(jī)成功起動(dòng)，未做其他任何調(diào)整，2次試車(chē)的起動(dòng)供油規(guī)律如圖4所示。

圖4 是否放氣起動(dòng)供油規(guī)律

從圖中可見(jiàn)，在不放氣起動(dòng)失敗的情況下，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中僅采取壓氣機(jī)放氣，而不做其他任何調(diào)整，起動(dòng)成功，證明了起動(dòng)放氣的有效性，可見(jiàn)起動(dòng)放氣能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中穩(wěn)定性。

2.3.3 起動(dòng)穩(wěn)定邊界試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證起動(dòng)過(guò)程中壓氣機(jī)放氣對(duì)起動(dòng)失速影響，并摸索發(fā)動(dòng)機(jī)放氣與不放氣的起動(dòng)穩(wěn)定邊界，在14次試車(chē)中，保持其他狀態(tài)不變，僅通過(guò)調(diào)整起動(dòng)供油規(guī)律進(jìn)行放氣與不放氣的發(fā)動(dòng)機(jī)失速驗(yàn)證，通過(guò)給出不同的起動(dòng)供油規(guī)律得到放氣與不放氣狀態(tài)在不同轉(zhuǎn)速下的 ΔPf/P31規(guī)律如圖5所示。在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中失速點(diǎn)的Pf、P31和n2R等參數(shù)見(jiàn)表5。

從圖5和表5中可見(jiàn)，起動(dòng)放氣穩(wěn)定邊界比起動(dòng)不放氣穩(wěn)定邊界升高。

圖5 起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)失速點(diǎn)

表5 在起動(dòng)過(guò)程中的失速點(diǎn)參數(shù)

2.4 大功率起動(dòng)機(jī)結(jié)合提高脫開(kāi)轉(zhuǎn)速

經(jīng)上述試驗(yàn)驗(yàn)證后可知，3項(xiàng)起動(dòng)改善措施中均有利于提升起動(dòng)性能，但由于壓氣機(jī)放氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)的體積較大，在軍用小涵道比航空發(fā)動(dòng)機(jī)中很難找到合適的安裝位置，若采用該措施，需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行較大改動(dòng)，還可能帶來(lái)其他不確定影響因素。并且考慮工程上的使用和維護(hù)等要求，最終決定暫不采用起動(dòng)過(guò)程中壓氣機(jī)放氣措施，而采用大功率起動(dòng)機(jī)結(jié)合提高脫開(kāi)轉(zhuǎn)速的措施來(lái)改善起動(dòng)。

在高低溫起動(dòng)規(guī)律試車(chē)臺(tái)上進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)狀態(tài)分別為大功率起動(dòng)機(jī)結(jié)合提高脫開(kāi)轉(zhuǎn)速狀態(tài)（狀態(tài)B）與未采取任何措施的原狀態(tài)（狀態(tài)A）。

在不同進(jìn)氣溫度下，進(jìn)行了大量起動(dòng)驗(yàn)證試車(chē)，狀態(tài)B與狀態(tài)A在冷熱態(tài)起動(dòng)過(guò)程中，最高排氣溫度T6max和起動(dòng)時(shí)間tmc見(jiàn)表6，二者隨進(jìn)氣溫度變化如圖6所示。

進(jìn)氣溫度為30℃時(shí)，在狀態(tài)B與狀態(tài)A冷熱態(tài)起動(dòng)過(guò)程中，高壓轉(zhuǎn)速隨起動(dòng)時(shí)間變化歷程如圖7所示，高壓轉(zhuǎn)速上升率對(duì)比見(jiàn)表7。

表6 在起動(dòng)過(guò)程中的失速點(diǎn)參數(shù)

圖6 狀態(tài)B和A起動(dòng)T6max與tmc對(duì)比

圖7 高壓轉(zhuǎn)速隨起動(dòng)時(shí)間變化

由圖7和表7中可見(jiàn)，大功率起動(dòng)機(jī)結(jié)合提高脫開(kāi)轉(zhuǎn)速比未采取任何措施的原狀態(tài)起動(dòng)過(guò)程中排氣溫度降低，冷起動(dòng)時(shí)最高排氣溫度降低0.09～0.10，熱起動(dòng)時(shí)最高排氣溫度降低0.04～0.09；起動(dòng)時(shí)間縮短，冷起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)時(shí)間縮短0.19～0.51，熱起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)時(shí)間縮短0.21～0.43；在進(jìn)氣溫度為30℃時(shí)，n2轉(zhuǎn)速上升率提高，在冷熱起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速上升率平均升高約0.2。

表7 高壓轉(zhuǎn)速上升率對(duì)比

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的幾項(xiàng)措施的試驗(yàn)驗(yàn)證，初步得到以下結(jié)論：

（1）起動(dòng)放氣使起動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，起動(dòng)過(guò)程中排氣溫度升高，其穩(wěn)定邊界比起動(dòng)不放氣時(shí)的穩(wěn)定邊界高。

（2）采用大功率起動(dòng)機(jī)結(jié)合提高脫開(kāi)轉(zhuǎn)速的措施可有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能，在進(jìn)氣溫度為-25～50℃范圍內(nèi)，使發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間縮短0.19～0.51，起動(dòng)排氣溫度降低0.04～0.10。

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（編輯：張寶玲）

Experimental Research on Improving Aeroengine Startability

BIAN Jia-liang，WANG Jun，SUI Yan-feng，HAN Wen-jun
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute，Shengyang 110015，China）

In order to optimizie startability of a turbofan engine，slove problem of aeroengine starting and improve ground startup characteristics,three methods of adopting high power starter,enhancing starter disconnected rotor speed and compressor bleed were developed without changing the main structure under the condition of the aeroengine.The measures of high power starter with enhancing starter disconnected rotor speed were confirmed finally.When the inlet temperature is within the range of 25℃to 50℃,the engine starting time decreases from 0.19 to 0.51,the start exhaust temperature decreases from 0.04 to 0.10.

startability;starter power;disconnected rotor speed;compressor bleed;aeroengine

V 233.6+14

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2015.05.013

2014-01-21 基金項(xiàng)目：國(guó)家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助

邊家亮（1981），男，碩士，高級(jí)工程師，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能設(shè)計(jì)工作；E-mail：guoguodie1981@163.com。

邊家亮，王軍，隋巖峰，等.改善航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能措施試驗(yàn)研究［J］.航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2015，41（4）：62-66.BIAN Jialiang，WANG Jun，SUI Yanfeng，et al. Experimental research on improving aeroengine startability[J].Aeroengine，2015，41（4）：62- 66.