調(diào)整起動(dòng)電流對(duì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)影響分析

馬靜宇，關(guān)思洋，徐野夫，遲曉林

（哈爾濱哈飛航空工業(yè)有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150066）

0 引 言

電源起動(dòng)的航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)由工作于起動(dòng)機(jī)狀態(tài)下的起動(dòng)發(fā)電機(jī)，在電力驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)[1,2]。對(duì)于電源起動(dòng)的航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)是保證發(fā)動(dòng)機(jī)與起動(dòng)發(fā)電機(jī)之間的良好匹配。一方面，起動(dòng)發(fā)電機(jī)能夠提供足夠的力矩，以保證驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；另一方面，起動(dòng)力矩不可過(guò)大，以免發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升過(guò)快而錯(cuò)過(guò)點(diǎn)火時(shí)機(jī)導(dǎo)致起動(dòng)失敗[3,4]。

1 理論分析

1.1 直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)原理

直升機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程為機(jī)組將發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)置于“慢車(chē)”或“飛行”位置后，發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元（Engine Electronic Control Unit，EECU）執(zhí)行起動(dòng)命令，向起動(dòng)接觸器線圈供電，起動(dòng)接觸器觸點(diǎn)吸合，地面電源或機(jī)載蓄電池開(kāi)始向起動(dòng)發(fā)電機(jī)供電，發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪在起動(dòng)發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下由靜止開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)[5]。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速N1是監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的重要參數(shù)，在參數(shù)采集設(shè)備上以百分比（%）記錄。渦輪間排氣溫度T45是判定發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火情況的直觀參數(shù)，在參數(shù)采集設(shè)備上以攝氏度（℃）記錄。在發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速N1達(dá)到適合點(diǎn)火的窗口期時(shí)，起動(dòng)電磁閥控制噴油嘴開(kāi)始供油，同時(shí)高能點(diǎn)火器開(kāi)始點(diǎn)火，引燃油氣混合物。在起動(dòng)發(fā)電機(jī)和油氣混合物燃燒的共同作用下，N1不斷上升。N1達(dá)到約61%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)已可維持自運(yùn)轉(zhuǎn)，EECU控制起動(dòng)發(fā)電機(jī)、高能點(diǎn)火器及起動(dòng)電磁閥停止工作，起動(dòng)結(jié)束[6,7]。

圖1展示了起動(dòng)過(guò)程中N1及T45的變化過(guò)程。起動(dòng)開(kāi)始后，N1轉(zhuǎn)速?gòu)?開(kāi)始逐漸上升，達(dá)到9.9%之前，渦輪間排氣溫度（T45）沒(méi)有變化，達(dá)到9.9%時(shí)，溫度T45開(kāi)始快速上升，表明渦輪間的油氣混合物已被引燃，標(biāo)志著此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火成功。

1.2 二次點(diǎn)火現(xiàn)象

發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火成功的標(biāo)準(zhǔn)為N1達(dá)到17%后，5 s內(nèi)T45上升超過(guò)50 ℃。若在N1達(dá)到17%后，5 s內(nèi)T45上升小于50 ℃，那么EECU將判定點(diǎn)火失敗，斷開(kāi)起動(dòng)發(fā)電機(jī)、起動(dòng)電磁閥以及高能點(diǎn)火器的供電。失去起動(dòng)發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，N1轉(zhuǎn)速開(kāi)始下降，下降至10%時(shí)起動(dòng)電磁閥和高能點(diǎn)火器恢復(fù)供電。一旦T45上升超過(guò)50 ℃，起動(dòng)發(fā)電機(jī)恢復(fù)供電，二次點(diǎn)火成功。TM公司提供的典型二次點(diǎn)火曲線如圖2所示。

圖1 N1和T45起動(dòng)過(guò)程曲線（正常點(diǎn)火）

圖2 典型二次點(diǎn)火曲線

圖3中，N1到達(dá)17%后，5 s的時(shí)間內(nèi)上升至21.5%，T45仍處于持續(xù)下降的狀態(tài)。EECU判定點(diǎn)火失敗，N1開(kāi)始下降。在下降至9.7%時(shí)，T45開(kāi)始上升，此時(shí)T45為13.4 ℃。上升至61.2 ℃時(shí)，EECU判定二次點(diǎn)火成功，并恢復(fù)起動(dòng)發(fā)電機(jī)供電，N1再次上升，并達(dá)到能夠維持自運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。

圖3 N1和T45起動(dòng)過(guò)程曲線（二次點(diǎn)火）

1.3 故障原因分析

二次點(diǎn)火是一種非正常的點(diǎn)火現(xiàn)象，表明第一次點(diǎn)火因某方面條件不具備而未成功。發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳點(diǎn)火窗口期為N1在5%～17%。通過(guò)分析多次二次點(diǎn)火曲線，發(fā)現(xiàn)N1由5%上升至17%左右所用時(shí)間在0.9～1.2 s，具體見(jiàn)表1。

表1 N1上升時(shí)間

高能點(diǎn)火器每分鐘工作120次，即每秒工作兩次。據(jù)此判斷，表1中記錄的起動(dòng)過(guò)程中，在最佳點(diǎn)火窗口期高能點(diǎn)火器僅能工作1～3次。由于N1上升速度快，縮短點(diǎn)火窗口期時(shí)間，窗口期內(nèi)的點(diǎn)火次數(shù)較少，高能點(diǎn)火器未能引燃油氣混合物，隨后N1達(dá)到起動(dòng)發(fā)電機(jī)能夠提供的最大轉(zhuǎn)速（約20%）。持續(xù)一段時(shí)間（5 s）后EECU判定點(diǎn)火失敗，斷開(kāi)起動(dòng)發(fā)電機(jī)的供電，N1轉(zhuǎn)速逐漸下降。在N1轉(zhuǎn)速降至一定值時(shí)，恢復(fù)起動(dòng)發(fā)電機(jī)的供電，N1轉(zhuǎn)速再次上升，高能點(diǎn)火器繼續(xù)點(diǎn)火。第二次點(diǎn)火時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化緩慢，可延長(zhǎng)點(diǎn)火窗口期，使點(diǎn)火成功。

2 起動(dòng)控制設(shè)計(jì)改進(jìn)

2.1 方案確定

發(fā)動(dòng)機(jī)需求的起動(dòng)力矩上限為51.5 N.m，繪于起動(dòng)發(fā)電機(jī)可提供的起動(dòng)力矩曲線圖內(nèi)，空心曲線是起動(dòng)發(fā)電機(jī)在不同輸入電壓及電流條件下所提供的力矩，實(shí)心曲線為根據(jù)起動(dòng)發(fā)電機(jī)力矩曲線繪出的延長(zhǎng)線[8,9]。起動(dòng)力矩對(duì)比如圖4所示。

圖4 起動(dòng)力矩對(duì)比

以起動(dòng)開(kāi)始的時(shí)間點(diǎn)為T(mén)0，此時(shí)電流最大，可達(dá)到850 A左右，電壓最低，隨起動(dòng)電源的不同，約在16～20 V之間。根據(jù)圖中延長(zhǎng)線判斷，起動(dòng)發(fā)電機(jī)的輸出力矩符合發(fā)動(dòng)機(jī)力矩需求。但頻繁出現(xiàn)的二次點(diǎn)火仍與設(shè)計(jì)預(yù)期結(jié)果不符，需避免該現(xiàn)象出現(xiàn)。

起動(dòng)力矩與起動(dòng)電流直接相關(guān)，起動(dòng)電流越大，起動(dòng)力矩越大[10]。因此，可通過(guò)調(diào)整起動(dòng)電路，降低起動(dòng)電流和起動(dòng)力矩，減緩N1加速度，延長(zhǎng)點(diǎn)火窗口期時(shí)間，增加窗口期內(nèi)的點(diǎn)火次數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)提高起動(dòng)點(diǎn)火概率的目的。

2.2 理論分析

在TM公司進(jìn)行的起動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)中，最佳點(diǎn)火窗口期的持續(xù)時(shí)間達(dá)到2.5 s以上時(shí)，即可一次點(diǎn)火成功，不再出現(xiàn)二次點(diǎn)火的現(xiàn)象。根據(jù)起動(dòng)試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)，當(dāng)前T0時(shí)間點(diǎn)的起動(dòng)電流在800～850 A之間。從力矩曲線圖中可知，此時(shí)起動(dòng)力矩在400～420 N.m。通過(guò)調(diào)整起動(dòng)控制電路將起動(dòng)電流降至700 A左右，力矩約340 N.m。以此初始力矩驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，最佳點(diǎn)火窗口期的持續(xù)時(shí)間可延長(zhǎng)至2.5 s以上。

3 機(jī)上驗(yàn)證

在調(diào)整機(jī)上起動(dòng)控制及起動(dòng)供電電路后，經(jīng)多次地面起動(dòng)試驗(yàn)，T0點(diǎn)的起動(dòng)電流均保持在650～700A，力矩為290～335 N.m。

發(fā)動(dòng)機(jī)N1轉(zhuǎn)速為100%時(shí)，對(duì)應(yīng)起動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為11 330 rad/min。據(jù)此計(jì)算，N1為17%時(shí)，起動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 926 rad/min。以調(diào)整前后多次試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)繪制N1低于17%階段的起動(dòng)力矩曲線，力矩包線區(qū)域?qū)Ρ热鐖D5所示.

圖5 力矩包線區(qū)域?qū)Ρ?/p>

圖5中，紅色虛線為N1達(dá)到17%的轉(zhuǎn)速。上部陰影區(qū)域?yàn)檎{(diào)整起動(dòng)電流前的力矩包線區(qū)域，下部陰影區(qū)域?yàn)檎{(diào)整起動(dòng)電流后的力矩包線范圍?？梢钥闯?，在調(diào)整起動(dòng)電流后，起動(dòng)發(fā)電機(jī)提供的起動(dòng)力矩較調(diào)整之前顯著降低。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理的N1變化時(shí)間如表2所示。

表2 改進(jìn)后N1上升時(shí)間

N1由5%上升至17%的時(shí)間均高于2.5 s，且未再出現(xiàn)二次點(diǎn)火現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

針對(duì)某直升機(jī)起動(dòng)中二次點(diǎn)火現(xiàn)象，分析其產(chǎn)生原因，比對(duì)系統(tǒng)匹配性，根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，調(diào)整起動(dòng)系統(tǒng)控制邏輯及供電方式。經(jīng)機(jī)上驗(yàn)證，通過(guò)調(diào)整起動(dòng)電流，可有效延長(zhǎng)點(diǎn)火窗口時(shí)間，改進(jìn)該直升機(jī)起動(dòng)的點(diǎn)火效率。本文中提供的調(diào)整力矩方法對(duì)于同類(lèi)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)的力矩匹配和點(diǎn)火窗口期時(shí)間與點(diǎn)火頻率的匹配設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。