基于可控切油技術(shù)的慣性啟動(dòng)試驗(yàn)方法研究

申世才，郝曉樂(lè)，晁曉亮，楊　雄

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 發(fā)動(dòng)機(jī)所，陜西 西安 710089)

基于可控切油技術(shù)的慣性啟動(dòng)試驗(yàn)方法研究

申世才，郝曉樂(lè)，晁曉亮，楊雄

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 發(fā)動(dòng)機(jī)所，陜西 西安 710089)

摘要：傳統(tǒng)的慣性啟動(dòng)試驗(yàn)方法有操作復(fù)雜、存在安全隱患等多方面問(wèn)題。為滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)慣性啟動(dòng)試驗(yàn)安全性等方面的需求，基于可控切油技術(shù)，在不同高度和表速條件下開(kāi)展了主燃燒室熄火試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，以最大切油量和0.5s～7.0s的不同切油持續(xù)時(shí)間減少主燃燒室供油量，均能使主燃燒室熄火、發(fā)動(dòng)機(jī)停車。根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合某發(fā)動(dòng)機(jī)慣性啟動(dòng)特點(diǎn)，建立了一種慣性啟動(dòng)試驗(yàn)方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，該慣性啟動(dòng)試驗(yàn)方法具有操作簡(jiǎn)單、安全性高等突出特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：慣性啟動(dòng)；主燃燒室熄火；最大切油量；切油持續(xù)時(shí)間

1引言

發(fā)動(dòng)機(jī)在空中工作遭遇意外熄火停車時(shí)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降至某一轉(zhuǎn)速后，控制系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行空中啟動(dòng)，這種方式的啟動(dòng)稱之為慣性啟動(dòng)。慣性啟動(dòng)是發(fā)動(dòng)機(jī)重要的空中啟動(dòng)方式之一，其性能試驗(yàn)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)鑒定或定型的重要內(nèi)容。發(fā)動(dòng)機(jī)空中意外熄火停車進(jìn)而執(zhí)行慣性啟動(dòng)的機(jī)會(huì)可遇不可求。因此，在飛行試驗(yàn)中，通常通過(guò)主動(dòng)操作使得主燃燒室熄火、發(fā)動(dòng)機(jī)停車，進(jìn)而發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入慣性啟動(dòng)程序，達(dá)到驗(yàn)證慣性啟動(dòng)的目的。傳統(tǒng)的慣性啟動(dòng)試驗(yàn)方法通過(guò)收油門桿至停車位置切斷主燃燒室供油的方式使得主燃燒室熄火、發(fā)動(dòng)機(jī)停車。試驗(yàn)結(jié)果表明，該試驗(yàn)方法可以驗(yàn)證慣性啟動(dòng)[1-2]。

發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)，主燃燒室余氣系數(shù)處于貧油熄火邊界和富油熄火邊界之間的穩(wěn)定燃燒范圍[3-4]。若主動(dòng)控制減少主燃燒室供油量，其余氣系數(shù)突升，可促使主燃燒室進(jìn)入貧油熄火邊界，進(jìn)而發(fā)動(dòng)機(jī)停車，進(jìn)入慣性啟動(dòng)程序。國(guó)內(nèi)高校及研究院所針對(duì)主燃燒室切油技術(shù)開(kāi)展了大量研究，已成功應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)消喘系統(tǒng)設(shè)計(jì)中[5-8]，但研究?jī)?nèi)容多關(guān)注切油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定裕度的影響，而對(duì)于切油導(dǎo)致主燃燒室熄火和在慣性啟動(dòng)試驗(yàn)中的應(yīng)用等方面的研究較少。

本文詳細(xì)分析了傳統(tǒng)的慣性啟動(dòng)試驗(yàn)方法，基于可控切油技術(shù)，開(kāi)展了控制主燃燒室切油量和切油持續(xù)時(shí)間使得主燃燒室熄火的試驗(yàn)研究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立了操作簡(jiǎn)單、安全性高的慣性啟動(dòng)試驗(yàn)方法，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

2傳統(tǒng)試驗(yàn)方法

一般情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行慣性啟動(dòng)應(yīng)滿足以下條件[2-9]：(1)發(fā)動(dòng)機(jī)油門桿處于慢車或慢車以上位置；(2)無(wú)輪載；(3)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)速等于慣性啟動(dòng)轉(zhuǎn)速；(4)“允許防喘”開(kāi)關(guān)處于打開(kāi)位置。

如圖1所示，當(dāng)以上條件滿足時(shí)，控制器向啟動(dòng)箱發(fā)出控制指令，啟動(dòng)箱控制點(diǎn)火、補(bǔ)氧裝置進(jìn)行主燃燒室點(diǎn)火、補(bǔ)氧；同時(shí)，控制器向供油調(diào)節(jié)器發(fā)出主燃燒室供油指令，進(jìn)行啟動(dòng)供油調(diào)節(jié)。

圖1　發(fā)動(dòng)機(jī)慣性啟動(dòng)原理框圖

傳統(tǒng)的慣性啟動(dòng)試驗(yàn)方法均是通過(guò)啟動(dòng)箱電氣線路的改裝(斷線[1]或串聯(lián)控制開(kāi)關(guān)[2])，在油門桿收至停車位置切斷主燃燒室供油時(shí)，使得啟動(dòng)箱接收到的油門桿信號(hào)仍滿足慣性啟動(dòng)條件中的第(1)條，進(jìn)而推油桿進(jìn)行慣性啟動(dòng)。該試驗(yàn)方法在實(shí)際使用過(guò)程中，暴露了以下問(wèn)題：

(1)試驗(yàn)操作復(fù)雜，必須通過(guò)收/推油門桿實(shí)現(xiàn)主燃燒室斷油和供油，且發(fā)動(dòng)機(jī)停車后短時(shí)間內(nèi)操作者必須對(duì)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速做出準(zhǔn)確判斷，在高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于慣性啟動(dòng)轉(zhuǎn)速時(shí)，推油門桿進(jìn)行啟動(dòng)，否則，啟動(dòng)為非慣性啟動(dòng)方式。

(2)停車過(guò)程主燃燒室供油與意外停車情況下主燃燒室供油不符。實(shí)際停車情況下，由于油門桿仍在慢車或以上位置，慣性啟動(dòng)前主燃燒室仍有供油，而斷油方式直接切斷了主燃燒室供油，這導(dǎo)致不能在客觀條件下考核主燃燒室的點(diǎn)火性能。

(3)存在安全隱患。若慣性啟動(dòng)失敗，進(jìn)行輔助啟動(dòng)或風(fēng)車啟動(dòng)等其他方式啟動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)氧、點(diǎn)火等時(shí)序仍為慣性啟動(dòng)時(shí)序[1]，可能導(dǎo)致二次啟動(dòng)失敗。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行試驗(yàn)具有高風(fēng)險(xiǎn)的突出特點(diǎn)，因此對(duì)試驗(yàn)安全性具有苛刻的要求。收油門桿至停車位置切斷主燃燒室供油的慣性啟動(dòng)試驗(yàn)方法操作復(fù)雜、存在安全隱患等多方面問(wèn)題，尤其若應(yīng)用在雙發(fā)或單發(fā)載機(jī)的飛行試驗(yàn)中，一旦啟動(dòng)失敗，飛機(jī)將單發(fā)著陸或迫降，可能導(dǎo)致事故的發(fā)生。因此，迫切需要研究并建立操作簡(jiǎn)單、安全性高的慣性啟動(dòng)試驗(yàn)方法。

3可控切油技術(shù)

某發(fā)動(dòng)機(jī)增壓系統(tǒng)由風(fēng)扇、高壓壓氣機(jī)組成，主燃燒室為短環(huán)形燃燒室。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生喘振時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器向主燃油電磁閥和回油電磁閥(如圖2所示)發(fā)出指令，進(jìn)行主燃燒室切油，短時(shí)減少主燃燒室供油量，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定裕度。

圖2　某發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室切油控制原理

該發(fā)動(dòng)機(jī)除在消喘系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有主燃燒室切油功能外，在控制器內(nèi)還單獨(dú)設(shè)計(jì)有主燃燒室切油程序：發(fā)動(dòng)機(jī)在慢車或慢車以上狀態(tài)，當(dāng)觸發(fā)該程序時(shí)，控制器通過(guò)主燃油電磁閥控制計(jì)量開(kāi)關(guān)，減少供向主燃室的供油量，同時(shí)通過(guò)切油電磁閥打開(kāi)啟動(dòng)裝置的回油活門，使得部分燃油回到增壓泵進(jìn)口，再次減少供向主燃燒室的油量。

利用以上程序，若減少足夠的供油量且持續(xù)一定的時(shí)間，主燃燒室將進(jìn)入貧油熄火邊界(如圖3所示)[3]，從而達(dá)到主燃燒室熄火、發(fā)動(dòng)機(jī)停車進(jìn)而執(zhí)行慣性啟動(dòng)的目的。

圖3　主燃燒室穩(wěn)定燃燒范圍隨高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和高度的變化

4主燃燒室切油熄火試驗(yàn)

通過(guò)測(cè)試改裝，加裝了“試驗(yàn)”開(kāi)關(guān)，用以觸發(fā)控制器內(nèi)主燃燒室切油程序。試驗(yàn)點(diǎn)安排在慣性啟動(dòng)左邊界附近，驗(yàn)證切油時(shí)主燃燒室的熄火情況。

4.1最大切油量試驗(yàn)

同一進(jìn)氣條件下，切油量越大，主燃燒室余氣系數(shù)越大，主燃燒室越容易熄火。主燃燒室的供油量取決于計(jì)量開(kāi)關(guān)和回油活門的流通面積的大小。當(dāng)計(jì)量開(kāi)關(guān)的流通面積最小、回油活門的流通面積最大時(shí)，主燃燒室的切油量最大，即主燃燒室的剩余油量最小。

不同高度、表速條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)在慢車狀態(tài)穩(wěn)定工作，進(jìn)行最大切油量主燃燒室熄火試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)切油持續(xù)時(shí)間th設(shè)置為1.5s。

圖4　以最大切油量持續(xù)1.5s切油時(shí)，主燃燒室余氣系數(shù)隨高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化

由圖4可知，以最大切油量持續(xù)1.5s進(jìn)行主燃燒室切油，主燃燒室余氣系數(shù)相對(duì)切油前慢車狀態(tài)的余氣系數(shù)突增38%左右，且突增的峰值不隨高度的變化而變化。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1　最大切油量主燃燒室熄火試驗(yàn)結(jié)果

由表1試驗(yàn)結(jié)果可知，在慣性啟動(dòng)左邊界附近，發(fā)動(dòng)機(jī)慢車狀態(tài)穩(wěn)定工作，以最大切油量持續(xù)1.5s減少主燃燒室供油量，均可使主燃燒室熄火、發(fā)動(dòng)機(jī)停車。

4.2不同切油持續(xù)時(shí)間試驗(yàn)

若切油持續(xù)時(shí)間過(guò)短，即使主燃燒室熄火，當(dāng)切油過(guò)程結(jié)束，主燃燒室供油恢復(fù)，混合油氣在高溫的條件下仍可能復(fù)燃，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不能停車，轉(zhuǎn)速不能降至慣性啟動(dòng)轉(zhuǎn)速。因此，切油持續(xù)時(shí)間也是影響主燃燒室熄火、發(fā)動(dòng)機(jī)停車的重要因素之一。

在不同高度、表速條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)在慢車狀態(tài)穩(wěn)定工作，在最大切油量條件的基礎(chǔ)上，分別進(jìn)行不同切油持續(xù)時(shí)間的主燃燒室熄火試驗(yàn)，驗(yàn)證切油持續(xù)時(shí)間對(duì)主燃燒室熄火的影響。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2　不同切油持續(xù)時(shí)間下主燃燒室熄火試驗(yàn)結(jié)果

由表2試驗(yàn)結(jié)果可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)慣性啟動(dòng)左邊界附近，切油持續(xù)時(shí)間在0.5s～7.0s范圍內(nèi)，以最大切油量減少主燃燒室供油量，均可使主燃燒室熄火、發(fā)動(dòng)機(jī)停車。

5慣性啟動(dòng)試驗(yàn)方法的建立及驗(yàn)證

某發(fā)動(dòng)機(jī)慣性啟動(dòng)高壓轉(zhuǎn)子相對(duì)轉(zhuǎn)速在57%～65%范圍內(nèi)，降至慣性啟動(dòng)轉(zhuǎn)速用時(shí)在3s～10s范圍內(nèi)。

考慮以上因素，為避免主燃燒室切油程序和慣性啟動(dòng)程序沖突，且考慮到實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)停車情況下慣性啟動(dòng)前主燃燒室供油情況，結(jié)合主燃燒室熄火試驗(yàn)結(jié)果，主燃燒室切油程序中切油持續(xù)時(shí)間設(shè)置為1.5s、切油量設(shè)置為最大切油量。

建立的慣性啟動(dòng)試驗(yàn)操作方法如下：

(1)在指定的高度、速度點(diǎn)，打開(kāi)“試驗(yàn)”開(kāi)關(guān)，控制器接收到座艙“試驗(yàn)”開(kāi)關(guān)信號(hào)，觸發(fā)主燃燒室切油程序，主燃燒室熄火、發(fā)動(dòng)機(jī)停車，高壓轉(zhuǎn)速降至慣性啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，自動(dòng)執(zhí)行慣性啟動(dòng)程序。

(2)啟動(dòng)成功后，復(fù)位“試驗(yàn)”開(kāi)關(guān)。

(1)該試驗(yàn)方法操作簡(jiǎn)單、有效，僅需要打開(kāi)和復(fù)位“試驗(yàn)”開(kāi)關(guān)，不需要操縱油門桿和判斷慣性啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，減輕了操作者的負(fù)擔(dān)。

(2)由于設(shè)定的切油持續(xù)時(shí)間小于發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降至慣性啟動(dòng)轉(zhuǎn)速的時(shí)間，在切油結(jié)束后至慣性啟動(dòng)前的時(shí)間段內(nèi)，主燃燒室供油與實(shí)際停車情況下一致。因此，該試驗(yàn)方法使主燃燒室點(diǎn)火環(huán)境更接近意外停車條件下的點(diǎn)火環(huán)境。

(3)短時(shí)切少主燃燒室供油邏輯和慣性啟動(dòng)邏輯相互獨(dú)立，避免了對(duì)慣性啟動(dòng)失敗后二次啟動(dòng)點(diǎn)火和補(bǔ)氧邏輯的影響，無(wú)安全隱患。

圖=1.0　慣性啟動(dòng)過(guò)程典型參數(shù)曲線

序號(hào)HVinHg t結(jié)果1234H10.780.580.39成功1.000.590.45成功1.990.590.64成功2.160.610.66成功56789H20.750.620.49成功0.840.620.48成功1.000.630.51成功1.250.630.59成功1.610.650.83成功1011H30.920.650.55成功1.000.650.58成功

6結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)慣性啟動(dòng)試驗(yàn)方法操作復(fù)雜、存在安全隱患的缺點(diǎn)，本文基于可控切油技術(shù)，進(jìn)行了主燃燒室切油熄火試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上建立了一種新的慣性啟動(dòng)試驗(yàn)方法。綜上所述，結(jié)論如下：

(1)在發(fā)動(dòng)機(jī)慣性啟動(dòng)左邊界附近，以最大切油量和0.5s～7.0s的切油持續(xù)時(shí)間減少主燃燒室供油量，均可使主燃燒室熄火、發(fā)動(dòng)機(jī)停車。

(2)建立的慣性啟動(dòng)試驗(yàn)方法操作簡(jiǎn)單、安全性高。同時(shí)，采用該方法的慣性啟動(dòng)更接近意外停車條件下的慣性啟動(dòng)。該方法在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)中，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

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Study on Test Method for Inertia Starting based on Controllable Fuel Cutting Technology

Shen Shicai,Hao Xiaole,Chao Xiaoliang,Yang Xiong

(Engine Flight Test Technology Institute of Chinese Flight Test Establishment,Xi′an 710089,Shanxi,China)

Abstract：There are many problems in the experiments of traditional inertia starting,such as complex operation and potential security liability.In order to meet the security requirements of aero-engine inertia starting,based on controllable fuel cutting technology,the tests of the flameout in main combustion chamber of aero-engine are conducted in different height and indicated airspeed conditions.The experimental results indicate that when the fuel supply in the main combustion chamber is reduced by using maximum flow fuel cutting and fuel cutting duration at a range of 0.5s to 7s,the main combustion chamber will blow out and the aero-engine will cut off.On the basis of the above experimental results and combining the inertia starting characteristics of aero-engine,a new test method for inertia stating is developed.The experimental results indicate that the new test method for inertia starting has the obvious characteristics of simple operation and high safety.

Keywords:inertia starting;flameout in main combustion chamber;maximum flow fuel cutting;fuel cutting duration

[收稿日期]2016-03-01

[作者簡(jiǎn)介]申世才(1983—)，男，碩士，工程師，主要研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性試驗(yàn)研究。

中圖分類號(hào)：V233.6+18

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.01.009