三發(fā)構(gòu)型直升機(jī)空氣起動(dòng)系統(tǒng)研究

田野 王智 諶昱

摘 ? 要：隨著直升機(jī)配裝的渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)功率的增大，對(duì)起動(dòng)系統(tǒng)的功率需求日益增加，直升機(jī)空氣起動(dòng)系統(tǒng)受到越來(lái)越多的關(guān)注。現(xiàn)代大中型直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用空氣渦輪起動(dòng)系統(tǒng)。但目前國(guó)內(nèi)對(duì)于直升機(jī)空氣起動(dòng)系統(tǒng)研究較少，尤其對(duì)于三發(fā)構(gòu)型大型直升機(jī)空氣起動(dòng)系統(tǒng)的研究尚屬空白。針對(duì)未來(lái)型號(hào)發(fā)展需要，本文提出了一種三發(fā)構(gòu)型直升機(jī)空氣起動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)AMESIM軟件建立模型進(jìn)行仿真分析，從而為國(guó)內(nèi)未來(lái)三發(fā)構(gòu)型直升機(jī)空氣起動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：三發(fā)構(gòu)型直升機(jī) ?空氣起動(dòng)系統(tǒng) ?設(shè)計(jì)研究

中圖分類號(hào)：V233.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）02（b）-0017-04

渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)已在直升機(jī)上廣泛使用，渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)由靜止到工作，必須依靠外來(lái)動(dòng)力，使發(fā)動(dòng)機(jī)從零轉(zhuǎn)速加速到慢車轉(zhuǎn)速[1]，因此直升機(jī)需設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)。

渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式一般有電起動(dòng)、空氣起動(dòng)和液壓起動(dòng)三種。早期的渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)由于功率較小，對(duì)起動(dòng)功率需求不高，普遍采用電起動(dòng)系統(tǒng)。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率的增大，對(duì)起動(dòng)功率需求越來(lái)越大，受蓄電池容量和電起動(dòng)機(jī)的體積限制，使得電起動(dòng)機(jī)不適用于起動(dòng)大功率發(fā)動(dòng)機(jī)[2]。在一定條件下，直升機(jī)的液壓設(shè)備也可以用于起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，液壓起動(dòng)系統(tǒng)的扭矩和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍寬，輸出功率和扭矩能更好地滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)需求，但是液壓起動(dòng)系統(tǒng)一般不能自動(dòng)起動(dòng)，起動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，所以不適用于需要快速起動(dòng)的直升機(jī)。與電起動(dòng)系統(tǒng)以及液壓起動(dòng)系統(tǒng)相比，空氣起動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是功率大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、使用靈活，因此空氣起動(dòng)系統(tǒng)受到越來(lái)越多的關(guān)注，并已廣泛應(yīng)用于安裝較大功率渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的大中型直升機(jī)。

以起飛重量10t以上的大型直升機(jī)為例，國(guó)外雙發(fā)構(gòu)型直升機(jī)如AW189、EC225等采用電起動(dòng)系統(tǒng)，S-92、黑鷹、米-26等采用空氣起動(dòng)系統(tǒng)。與雙發(fā)構(gòu)型直升機(jī)相比，國(guó)內(nèi)外三發(fā)構(gòu)型直升機(jī)則少得多。僅有法國(guó)超黃蜂直升機(jī)、意大利阿古斯塔-維斯特蘭AW101（原EH101）直升機(jī)、美國(guó)西科斯基CH-53系列直升機(jī)以及我國(guó)的AC313等直升機(jī)。其中AW101直升機(jī)采用空氣起動(dòng)系統(tǒng)，CH-53E直升機(jī)采用液壓起動(dòng)系統(tǒng)，AC313直升機(jī)采用電起動(dòng)系統(tǒng)。我國(guó)直升機(jī)起步較晚，在直升機(jī)空氣起動(dòng)系統(tǒng)的研究較少，對(duì)三發(fā)構(gòu)型直升機(jī)空氣起動(dòng)系的研究尚處于空白?？紤]到國(guó)內(nèi)未來(lái)三發(fā)構(gòu)型直升機(jī)可能會(huì)采用空氣起動(dòng)系統(tǒng)，本文提出了一種三發(fā)構(gòu)型直升機(jī)空氣起動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并開(kāi)展相關(guān)分析研究工作。

1 ?三發(fā)構(gòu)型直升機(jī)空氣起動(dòng)系統(tǒng)方案

空氣起動(dòng)系統(tǒng)的主要功能是利用直升機(jī)氣源系統(tǒng)（APU-輔助動(dòng)力裝置、其他發(fā)動(dòng)機(jī)或地面氣源車）向空氣渦輪起動(dòng)提供所需要的高溫高壓氣體，將發(fā)動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)到可以進(jìn)行供油、點(diǎn)火并自行維持穩(wěn)定燃燒的慢車狀態(tài)[3]。

傳統(tǒng)的雙發(fā)構(gòu)型直升機(jī)一般將兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)平行布置在直升機(jī)主減速器的前方或后方，兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)距離較近，便于布置空氣起動(dòng)管路。而三發(fā)構(gòu)型直升機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)一般呈“品”字型圍繞主減速器布置，不便于系統(tǒng)和空氣起動(dòng)管路布置，設(shè)計(jì)難度較大。本文提出了一種針對(duì)三發(fā)構(gòu)型直升機(jī)的空氣起動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，以滿足三臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)均具備使用APU、地面或其他發(fā)動(dòng)機(jī)氣源起動(dòng)的需求[3]。該空氣起動(dòng)系統(tǒng)主要部件有發(fā)動(dòng)機(jī)、APU、外部氣源、空氣起動(dòng)機(jī)、起動(dòng)控制閥、引氣控制閥及單向閥。APU及外部氣源的功能為向空氣起動(dòng)系統(tǒng)提供高溫高壓氣體，發(fā)動(dòng)機(jī)也可以通過(guò)引氣口向空氣起動(dòng)系統(tǒng)提供高溫高壓氣體，引氣控制閥的功能為控制發(fā)動(dòng)機(jī)引氣，需要使用發(fā)動(dòng)機(jī)引氣時(shí)則打開(kāi)對(duì)應(yīng)的引氣控制閥，引氣控制閥還需兼具有單向閥功能，防止管路內(nèi)氣體反竄入發(fā)動(dòng)機(jī)引氣口?？諝馄饎?dòng)機(jī)功能為利用壓縮氣體膨脹做功原理獲得軸功率，在起動(dòng)時(shí)帶轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，起動(dòng)控制閥功能為通過(guò)接通和關(guān)閉空氣起動(dòng)機(jī)進(jìn)氣控制空氣起動(dòng)機(jī)工作。在APU和外部氣源處設(shè)置單向閥，可避免管路內(nèi)氣體反竄入APU或外部氣源，各部件通過(guò)空氣管路連接在一起（見(jiàn)圖1）。該設(shè)計(jì)方案使空氣起動(dòng)系統(tǒng)管路環(huán)繞主減速器布置，通過(guò)空氣管路連通3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)、各閥門(mén)、APU以及地面氣源，能夠利用直升機(jī)氣源系統(tǒng)起動(dòng)所需的發(fā)動(dòng)機(jī)。

以起動(dòng)1#發(fā)動(dòng)機(jī)為例，采用APU或外部氣源起動(dòng)時(shí)，首先起動(dòng)APU或接通外部氣源，使氣體通過(guò)單向閥后進(jìn)入空氣管路;采用另一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)交叉起動(dòng)時(shí)，首先打開(kāi)另一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的引氣控制閥，使發(fā)動(dòng)機(jī)引氣口處氣體進(jìn)入空氣管路。隨后控制連接1#發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)控制閥打開(kāi)，則高溫高壓氣體通過(guò)空氣管路及連接1#發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)控制閥進(jìn)入空氣起動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)空氣起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)1#發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。

2 ?建模及仿真分析

引氣控制閥的主要功能為實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)引氣的控制，同時(shí)還需確?？諝夤苈穬?nèi)氣體不會(huì)反竄回發(fā)動(dòng)機(jī)引氣口，因此引氣控制閥采用電磁閥和單向閥模型串聯(lián)而成。

設(shè)定APU氣源壓力及溫度為定值，起動(dòng)控制閥在第1s時(shí)收到控制信號(hào)打開(kāi)，碟板調(diào)整到最終角度用時(shí)2s，仿真時(shí)間為10s，步長(zhǎng)0.1s，其余仿真參數(shù)見(jiàn)表1。

設(shè)定空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的進(jìn)口（即起動(dòng)控制閥出口）壓力范圍為（0.19～0.22）MPa，流量范圍為（11.3～15.8）kg/min，通過(guò)調(diào)整起動(dòng)控制閥碟板打開(kāi)角度使起動(dòng)控制閥出口壓力和流量滿足上述要求。以起動(dòng)1#發(fā)動(dòng)機(jī)為例進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)應(yīng)起動(dòng)控制閥相關(guān)仿真參數(shù)曲線如圖3所示。

從仿真結(jié)果可知，起動(dòng)控制閥可通過(guò)調(diào)整碟板打開(kāi)角度使不同壓力的氣源通過(guò)起動(dòng)控制閥后，控制其出口氣體壓力及流量滿足空氣起動(dòng)機(jī)入口要求。且起動(dòng)控制閥能夠令出口氣體壓力和流量波動(dòng)均處于較小范圍，使空氣起動(dòng)機(jī)無(wú)需設(shè)置較大的入口氣體參數(shù)范圍，有利于空氣起動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，同時(shí)也減小了空氣起動(dòng)系統(tǒng)中APU及外部氣源的參數(shù)匹配難度。

3 ?結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種三發(fā)構(gòu)型直升機(jī)空氣起動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，分析了空氣起動(dòng)系統(tǒng)工作原理，并利用AMESIM軟件建立空氣起動(dòng)系統(tǒng)模型，模擬不同氣源壓力下空氣起動(dòng)系統(tǒng)工作情況。由仿真結(jié)果可知起動(dòng)控制閥通過(guò)調(diào)節(jié)碟板打開(kāi)角度能夠有效地控制出口氣體的壓力及流量，有利于空氣起動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作，該空氣起動(dòng)系統(tǒng)方案具有較高的可行性，能夠?qū)ξ磥?lái)三發(fā)直升機(jī)空氣起動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供思路和參考。

參考文獻(xiàn)

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