某民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)時(shí)間對(duì)比分析

/ JIANG Minjie WANG Jiayi

(中國(guó)商飛民用飛機(jī)試飛中心，上海 200232)

某民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)時(shí)間對(duì)比分析

江民節(jié)王嘉一/ JIANG Minjie WANG Jiayi

(中國(guó)商飛民用飛機(jī)試飛中心，上海200232)

在描述風(fēng)車(chē)起動(dòng)和起動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的基礎(chǔ)上，對(duì)比分析了起動(dòng)機(jī)起動(dòng)和風(fēng)車(chē)起動(dòng)的起動(dòng)時(shí)間和點(diǎn)火時(shí)間。通過(guò)研究可知：(1)風(fēng)車(chē)起動(dòng)和起動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間對(duì)比主要取決于起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)前階段，由于起動(dòng)機(jī)的帶轉(zhuǎn)作用，起動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間較短，但隨著飛行速度增大，起動(dòng)時(shí)間逐漸和風(fēng)車(chē)起動(dòng)接近；(2)風(fēng)車(chē)起動(dòng)和起動(dòng)機(jī)起動(dòng)的點(diǎn)火時(shí)間對(duì)比，主要取決于點(diǎn)火準(zhǔn)備時(shí)間，起動(dòng)機(jī)起動(dòng)點(diǎn)火時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，隨著飛行速度的增加，逐漸和風(fēng)車(chē)起動(dòng)點(diǎn)火時(shí)間接近。該研究可為發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)試飛數(shù)據(jù)分析、排故提供參考。

風(fēng)車(chē)起動(dòng)；起動(dòng)機(jī)起動(dòng)；起動(dòng)時(shí)間；點(diǎn)火時(shí)間

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)能力對(duì)于保障飛機(jī)安全飛行至關(guān)重要，一旦出現(xiàn)空中停車(chē)，如果不能可靠、快速起動(dòng)，則可能造成機(jī)毀人亡[1]。針對(duì)民用飛機(jī)，AC25-7C規(guī)定了發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間歷程為：點(diǎn)火時(shí)間不得超過(guò)30s，從點(diǎn)火到穩(wěn)定慢車(chē)的時(shí)間不得超過(guò)90s，且在高空發(fā)生雙發(fā)熄火后，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始起動(dòng)到改平的高度損失不得超過(guò)5 000 ft[2]。

發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)性能取決于起動(dòng)方式，在相同起動(dòng)方式下，取決于燃燒室進(jìn)口氣流條件以及供油、點(diǎn)火邏輯，在同一發(fā)動(dòng)機(jī)和相同的起動(dòng)方式下，起動(dòng)性能與燃燒室進(jìn)口氣流的壓力、溫度以及進(jìn)口氣流的速度和供油規(guī)律有關(guān)。因此，高度、馬赫數(shù)、起動(dòng)方式及發(fā)動(dòng)機(jī)溫度均影響發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)性能。

民用飛機(jī)常用的起動(dòng)方式有起動(dòng)機(jī)起動(dòng)和風(fēng)車(chē)起動(dòng)，本文在詳細(xì)分析其起動(dòng)過(guò)程的基礎(chǔ)上，結(jié)合某民用飛機(jī)飛行試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比分析了兩種起動(dòng)方式下的起動(dòng)時(shí)間和點(diǎn)火時(shí)間及其影響因素。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程及其分析

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)是一個(gè)重要的過(guò)渡過(guò)程，要求在壓氣機(jī)不喘振和渦輪前溫度不超溫的情況下，按照設(shè)定的起動(dòng)和燃油控制程序點(diǎn)燃燃燒室，并將發(fā)動(dòng)機(jī)加速到慢車(chē)狀態(tài)[3]。

起動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程：起動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子加速，當(dāng)達(dá)到某轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火裝置開(kāi)始工作；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升到更高轉(zhuǎn)速時(shí)，供油系統(tǒng)開(kāi)始為發(fā)動(dòng)機(jī)供油，在點(diǎn)火裝置的作用下，燃燒室油氣混合穩(wěn)定燃燒，渦輪開(kāi)始輸出功率；此時(shí)，渦輪的輸出功仍不足以維持發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的需求，起動(dòng)機(jī)和渦輪共同帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子加速，當(dāng)達(dá)到某個(gè)轉(zhuǎn)速時(shí)，渦輪輸出功率足以維持發(fā)動(dòng)機(jī)加速，起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)；發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)加速至慢車(chē)，起動(dòng)結(jié)束。

風(fēng)車(chē)起動(dòng)過(guò)程：依靠來(lái)流沖擊使得發(fā)動(dòng)機(jī)加速至某轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始點(diǎn)火、供油，點(diǎn)火成功后，依靠渦輪輸出功率加速至慢車(chē)，起動(dòng)結(jié)束。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)時(shí)間對(duì)比分析

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)時(shí)間對(duì)比

分析起動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程，可將其分為起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)前和脫開(kāi)后兩個(gè)階段。起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)前階段從發(fā)出起動(dòng)命令開(kāi)始，至起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)結(jié)束；起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)后階段從起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)至起動(dòng)成功結(jié)束。為便于分析，本文將風(fēng)車(chē)起動(dòng)也相應(yīng)劃分兩個(gè)階段，劃分界限為起動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)轉(zhuǎn)速。

一般來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程主要由起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)前決定[3]。因此，起動(dòng)機(jī)起動(dòng)和風(fēng)車(chē)起動(dòng)時(shí)間對(duì)比，主要取決于起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)前階段。由于起動(dòng)機(jī)的帶轉(zhuǎn)作用，起動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間相對(duì)風(fēng)車(chē)起動(dòng)較短一些，但隨著飛行速度增大，其風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速隨著增加[4-5]，相應(yīng)的起動(dòng)機(jī)的帶轉(zhuǎn)優(yōu)勢(shì)減弱，起動(dòng)機(jī)起動(dòng)和風(fēng)車(chē)起動(dòng)時(shí)間趨于接近；起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)后，風(fēng)車(chē)起動(dòng)和起動(dòng)機(jī)起動(dòng)均主要依靠渦輪輸出功驅(qū)使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子加速，所需時(shí)間基本一致，如圖1所示。

試驗(yàn)點(diǎn)1、2、3、4馬赫數(shù)逐漸增加，1、2、3、4高度逐漸增加(1、2高度相同)。

(3)元素qij作為QoS的綜合相似度是由概念語(yǔ)義綜合相似度和數(shù)值相似度共同決定的。QoS綜合相似度函數(shù)QMatch(mr,mp)為QoS語(yǔ)義綜合相似度SSem(mr,mp)與QoS數(shù)值相似度DSem(mr,mp)的聚合乘積。當(dāng)QoS語(yǔ)義可比時(shí)，數(shù)值匹配才有意義。當(dāng)QoS語(yǔ)義相似度SSem(mr,mp)不變，QoS數(shù)值相似度越大越匹配；當(dāng)QoS數(shù)值相似度DSem(mr,mp)不變，語(yǔ)義相似度越大越匹配。因此QoS綜合相似度函數(shù)如下所示

2.2 轉(zhuǎn)速加速率對(duì)比

其中：ΔP為凈輸出功率；Jz為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；PATS為起動(dòng)機(jī)輸出功率；Ptur為渦輪輸出功率；PRAM為沖壓氣流產(chǎn)生功率；Pdrag為阻力功率。

由式(2)可知，起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)前，相較于風(fēng)車(chē)起動(dòng)的ΔP，起動(dòng)機(jī)起動(dòng)還有PATS的作用；而起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)后，起動(dòng)機(jī)起動(dòng)和風(fēng)車(chē)起動(dòng)的ΔP的影響因素一致。

因此，起動(dòng)機(jī)起動(dòng)和風(fēng)車(chē)起動(dòng)的加速率差異主要體現(xiàn)在起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)前階段，由于起動(dòng)機(jī)的帶轉(zhuǎn)作用，起動(dòng)機(jī)起動(dòng)的加速率大于風(fēng)車(chē)起動(dòng)[6]，但隨著飛行速度增加，PRAM增加，而PATS作用相對(duì)減弱，起動(dòng)機(jī)起動(dòng)和風(fēng)車(chē)起動(dòng)加速率逐漸接近；起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)后，起動(dòng)機(jī)起動(dòng)和風(fēng)車(chē)起動(dòng)的加速率均主要取決于渦輪輸出功，其加速率接近，這也和前文分析結(jié)果一致，如圖2所示。

注：WM表示風(fēng)車(chē)起動(dòng)；SS表示起動(dòng)機(jī)起動(dòng)；_1表示起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)前；_2表示起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)后。 圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)的加速率對(duì)比

3 點(diǎn)火時(shí)間對(duì)比分析

AC25-7C提出發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)過(guò)程中點(diǎn)火時(shí)間不得超過(guò)30s。因此，本文重點(diǎn)對(duì)比分析風(fēng)車(chē)起動(dòng)和起動(dòng)機(jī)起動(dòng)的點(diǎn)火時(shí)間及其影響因素。

3.1 點(diǎn)火過(guò)程分析

點(diǎn)火過(guò)程從發(fā)出起動(dòng)命令開(kāi)始，至點(diǎn)火成功結(jié)束。點(diǎn)火成功與否需要利用發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行判斷，選取的狀態(tài)參數(shù)應(yīng)快速、有效反應(yīng)燃燒室點(diǎn)燃狀態(tài)。由于點(diǎn)火成功后，EGT(發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度)存在明顯突變。因此，一般選取EGT判斷發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火是否成功，當(dāng)EGT有明顯的升高，則表明發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火成功，如圖3所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)典型過(guò)程

3.2 點(diǎn)火時(shí)間對(duì)比

風(fēng)車(chē)起動(dòng)的初始轉(zhuǎn)速完全依靠來(lái)流沖壓作用，很難達(dá)到較高狀態(tài)，尤其是飛行速度較低時(shí)，因此風(fēng)車(chē)起動(dòng)點(diǎn)火轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，一般來(lái)說(shuō)，風(fēng)車(chē)起動(dòng)包線(xiàn)內(nèi)任何高度、速度下的風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速均滿(mǎn)足該要求；而由于燃燒室進(jìn)口空氣壓力及溫度均影響發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火性能，因此為提高點(diǎn)火性能，起動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)其點(diǎn)火轉(zhuǎn)速相對(duì)較高[7]。

因此，起動(dòng)機(jī)起動(dòng)點(diǎn)火準(zhǔn)備時(shí)間會(huì)長(zhǎng)于風(fēng)車(chē)起動(dòng)，但隨著飛行速度的增加，風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速逐漸接近點(diǎn)火轉(zhuǎn)速，起動(dòng)機(jī)起動(dòng)的點(diǎn)火準(zhǔn)備時(shí)間隨著縮短，當(dāng)飛行速度達(dá)到一定程度時(shí)，風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速和點(diǎn)火轉(zhuǎn)速接近、甚至超過(guò)點(diǎn)火轉(zhuǎn)速，這時(shí)起動(dòng)機(jī)起動(dòng)和風(fēng)車(chē)起動(dòng)的點(diǎn)火準(zhǔn)備時(shí)間接近，如圖4所示。

風(fēng)車(chē)起動(dòng)和起動(dòng)機(jī)起動(dòng)點(diǎn)火時(shí)間對(duì)比，主要取決于點(diǎn)火準(zhǔn)備時(shí)間。因此，起動(dòng)機(jī)起動(dòng)點(diǎn)火時(shí)間長(zhǎng)于風(fēng)車(chē)起動(dòng)，但隨著飛行速度的增加，兩者逐漸接近。

注：TIGN_SS表示起動(dòng)機(jī)起動(dòng)點(diǎn)火時(shí)間；TIGN_WM表示風(fēng)車(chē)起動(dòng)點(diǎn)火時(shí)間；TIGN_SS_1表示起動(dòng)機(jī)起動(dòng)點(diǎn)火準(zhǔn)備時(shí)間；TIGN_WM_1表示風(fēng)車(chē)起動(dòng)點(diǎn)火準(zhǔn)備時(shí)間。 圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)間對(duì)比分析

4 結(jié)論

本文在詳細(xì)描述風(fēng)車(chē)起動(dòng)和起動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的基礎(chǔ)上，結(jié)合某民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)試飛數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了起動(dòng)機(jī)起動(dòng)和風(fēng)車(chē)起動(dòng)的起動(dòng)時(shí)間和點(diǎn)火時(shí)間。結(jié)論如下：

(1)風(fēng)車(chē)起動(dòng)和起動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間對(duì)比主要取決于起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)前階段，由于起動(dòng)機(jī)的帶轉(zhuǎn)作用，起動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間較短，但隨著飛行速度增大，起動(dòng)時(shí)間逐漸和風(fēng)車(chē)起動(dòng)接近；

(2)風(fēng)車(chē)起動(dòng)和起動(dòng)機(jī)起動(dòng)的點(diǎn)火時(shí)間對(duì)比，主要取決于點(diǎn)火準(zhǔn)備時(shí)間，起動(dòng)機(jī)起動(dòng)點(diǎn)火時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，隨著飛行速度的增加，逐漸和風(fēng)車(chē)起動(dòng)點(diǎn)火時(shí)間接近。

本文研究結(jié)論，可為發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)試飛數(shù)據(jù)分析、排故提供參考。

[1] 張紹基，邴連喜.一項(xiàng)擴(kuò)大渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)包線(xiàn)的有效措施[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2009，35(2) : 1-5.

[2] AC25-7C Flight Test Guide For Certification Of Transport Category Airplanes[M].FAA,2012.

[3] 馮維林.渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的數(shù)值模擬[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2006.

[4] 韋德·凱西，等著.張蓉譯.渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)時(shí)間的比較方法[J].科技創(chuàng)業(yè)，2013，235(12):176-181.

[5] 田琳，陶冶，等.民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)空中啟動(dòng)風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速研究[J].工程與試驗(yàn)，2013，53(01):6-9.

[6] 樸英. 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能分析[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2003，18(6)：777-782.

[7] 聶恰耶夫著.姜樹(shù)明譯.航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1984.

Discussion on Aeroengine In-flight Starting Time

(Flight Test Center of COMAC,Shanghai 200232,China)

Based on the description of windmilling start and Starter start,the Start time and Ignition time between them were compared and analyzed in this paper. By researching, we know: 1) The differences between windmilling start time and Starter start time mainly depend on the step before releasing starter. Because of the high acceleration of Starter, engine can be started in a shorter time. As the flight speed increases, the effect of Starter start decreases. The starter start time gradually approaches the windmilling start time. 2) The difference between their Ignition time mainly depends on preparation period of ignition. The starter requires longer ignition time. With the increasing of flight speed, the Starter Ignition time gradually approaches the windmilling ignition time.This study can provide reference for engine start system design and engine airstart flight test data analysis and troubleshooting.

windmill starting; starter starting; starting time;ignition time

V231

A

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.04.016

江民節(jié)男，碩士，工程師。主要研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)、APU試飛方法的研究；E-mail: jiangminjie@comac.cc

王建一男，本科，工程師。主要研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)、APU試飛方法的研究；E-mail: wagnjiayi1@comac.cc