陳 立，羅載奇

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，成都610500)

渦扇發(fā)動機風車起動點火匹配研究

陳 立，羅載奇

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，成都610500)

針對渦扇發(fā)動機在高空狀態(tài)的風車起動點火失敗情況進行了原因分析和油氣匹配研究。通過分析影響風車起動點火的主要因素，找出了點火失敗的原因是點火油氣不匹配，偏離了燃燒室可靠點火的余氣系數(shù)邊界。在油氣匹配研究的基礎上，提出了調整點火油氣比的解決措施，并在高空臺進行了試驗驗證。驗證表明：該渦扇發(fā)動機風車起動點火失敗的分析評估方法和解決措施合理可行，可為同類型發(fā)動機風車起動點火匹配設計和評估提供參考。

航空發(fā)動機；風車起動；燃油霧化；點火匹配；起動控制；余氣系數(shù)

1 引言

航空發(fā)動機風車起動是指發(fā)動機空中停車、燃燒室熄火或不工作后，發(fā)動機在空氣動力、轉子慣性和阻力矩的共同作用下，在不低于最低風車轉速的情況下，經過燃燒室再點火，并且能夠成功加速到空中慢車狀態(tài)的過程[1]。風車起動的第一步即是點火，而燃燒室風車狀態(tài)點火是一個復雜的過程，受到發(fā)動機風車特性、壓氣機特性、燃燒室進口參數(shù)、點火能量、燃燒室余氣系數(shù)、燃油霧化特性等諸多因素的綜合影響[2-3]，若匹配不當很可能出現(xiàn)點火失敗。目前國內對風車起動點火問題進行了相關研究，楊萍等[4]用計算和圖解的方法來確定空中起動點火邊界，馮延光等[5]研究了提高發(fā)動機高空點火性能的方法，田金虎等[6]通過試驗探究了不同燃油急增方案對點火特性的影響，閻巍等[7]研究了漸進式供油提高點火性能的方法。但長期以來，渦扇發(fā)動機風車起動空中點火都是一個難題，缺乏系統(tǒng)性研究。

本文針對某型渦扇發(fā)動機在試驗中出現(xiàn)的風車起動點火失敗問題，開展了原因分析及風車起動點火油氣匹配研究，提出了相應的油氣匹配方案，并在后續(xù)進行的高空風車起動試驗驗證中取得了較為滿意的效果。該方法具有工程參考價值，可為其他航空發(fā)動機空中起動點火匹配研究提供參考。

2 風車起動點火失敗概述

該渦扇發(fā)動機在高空臺進行了高度H=5 km、表速Vb=500 km/h的FS01風車起動試驗，和H=5 km、Vb=700 km/h的FS02、FS03風車起動試驗。3次風車起動試驗點火電壓、電流正常，風車狀態(tài)參數(shù)調節(jié)正常，風車點火轉速正常，供往燃燒室的燃油符合給定要求，但出現(xiàn)發(fā)動機轉速不上升、發(fā)動機低壓渦輪出口溫度T6不上升等現(xiàn)象，均點火失敗。各次風車起動過程主要點火參數(shù)見圖1，圖中Nc為壓氣機相對物理轉速。

圖1 各次風車起動T6和Nc曲線Fig.1 T6andNccurve of all windmilling starting

3 點火失敗原因分析與匹配研究

3.1 點火機理

風車起動點火過程是指發(fā)動機在風車狀態(tài)下，采用電火花或其他點火熱源將周圍的油氣混合物點燃，再傳焰到整個燃燒室的過程。該渦扇發(fā)動機燃燒室點火采用的是電點火方式，點火系統(tǒng)產生高能電火花，直接點燃燃燒室油氣混合氣。其點火過程大致可分為以下三個階段：

(1)通過點火電嘴產生的高能電火花將附近的油氣混合氣點燃，形成一個熱氣體核心，這個階段主要取決于電嘴的工作能力；

(2)熱氣體核心將周圍的油氣混合物點燃，形成一個具有足夠大小和溫度的火焰核心，這個階段主要取決于點火能量和持續(xù)時間，也取決于點火噴嘴附近混合氣濃度和紊流度；

(3)火焰隨即從這個核心傳到整個燃燒區(qū)，與火焰筒頭部的氣流結構和濃度分布密切相關。

3.2 點火失敗原因分析

發(fā)動機風車起動點火失敗的原因有多方面，結合試驗現(xiàn)場具體情況，排除了啟封不徹底、燃油中摻雜有滑油等情況?，F(xiàn)針對幾個主要可能原因進行分析，圖2列出了點火失敗故障樹。其中，經發(fā)動機試驗后分解檢查和試驗現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測，可排除點火電嘴積碳、燃油噴嘴面積變化、空氣流量偏差較大等問題。

圖2 發(fā)動機風車起動點火失敗故障樹Fig.2 The fault tree of windmilling starting ignition failure of the engine

3.2.1 點火能量分析

一般來說，點火能量越大，點火范圍越寬。點火過程的第一階段就是要形成一個足夠大、溫度足夠高的火花核心，此熱核心的放熱率要大于輻射換熱和紊流擴散的散熱率。當點火能量較小時，隨著點火能量的增加，點火性能改善，但點火能量增加到一定程度后，對點火性能的改善并不大，反而增加了點火器質量[2，4]。

該發(fā)動機風車起動試驗時，點火裝置的點火電壓和點火電流隨時間的變化曲線分別如圖3、圖4所示，可見點火電壓和點火電流均在正常范圍內。由于用該能級完成過燃燒室空中點火性能試驗，試驗結果也表明點火需求能量能夠得到保障，可排除點火能量的影響。

圖3 點火電壓曲線Fig.3 The ignition voltage curve

圖4 點火電流曲線Fig.4 The ignition current curve

3.2.2 燃燒室進口參數(shù)分析

燃燒室進口空氣壓力、溫度對點火性能都有不同程度的影響，通常是壓力、溫度越高點火相對容易。氣流壓力降低，化學反應減慢，使其放熱速率降低，不利于點燃混合氣。溫度不僅影響可燃混合氣的初始化學反應速率，還會影響燃料的蒸發(fā)和霧化。溫度低會使火花團的熱量更容易散失，且影響火焰的傳播和穩(wěn)定性[8]。

將該發(fā)動機風車起動試驗中燃燒室進口壓力p3和溫度T3，與部件點火試驗中的燃燒室進口壓力和溫度進行對比，如圖5所示。圖中，部件點火試驗中的試驗點均為點火成功的試驗點，可見其與整機試驗點的壓力、溫度基本一致。所以，在此壓力和溫度下，整機具備點火成功的燃燒室進口條件，因此排除燃燒室進口參數(shù)的影響。

圖5 整機和部件試驗點對比圖Fig.5 The contrast between the engine and parts test points

3.2.3 燃油霧化效果分析

燃油霧化是一個非常復雜的過程，與供油壓力(影響相對速度及液/氣接觸面積)、噴嘴型式和尺寸(影響出口速度以及液/氣接觸面積)、燃油物理性質(影響表面張力、黏性等)、氣流速度、溫度及環(huán)境壓力(影響密度等)等有關[9]。

在發(fā)動機整機試驗中，噴嘴壓降沒有直接測量，而是通過燃油總管壓降Δpf來間接表示。該發(fā)動機風車起動點火時的Δpf變化見圖6，圖中綠色區(qū)域是部件試驗中點火成功的Δpf范圍。由于三次起動的供油規(guī)律有所調整，所以三次起動的Δpf不同?？梢?，F(xiàn)S01、FS02這兩次風車起動是由于噴嘴前后Δpf較低，低于點火成功的范圍，導致了點火失??；而FS03噴嘴前后Δpf在點火成功范圍內，故燃油霧化效果不是導致FS03點火失敗的原因。

圖6 點火時刻燃油總管壓降變化情況Fig.6 The change ofΔpfat ignition moment

3.2.4 可燃極限分析

在發(fā)動機整個起動包線范圍內，均要求燃燒室能穩(wěn)定點火并保持火焰穩(wěn)定。能夠使火焰從點火源開始在整個混合氣空間范圍內傳播的余氣系數(shù)α的極限被稱為混合氣的可燃極限，其又分為貧油邊界(余氣系數(shù)最大值)和富油邊界(余氣系數(shù)最小值)[8]。

通過燃燒室點火試驗，得到H=5 km的貧油邊界和富油邊界。將該發(fā)動機風車起動點火余氣系數(shù)與貧、富油邊界進行對比，如圖7所示。FS01風車起動的余氣系數(shù)在可燃極限之內，故可燃極限問題不是導致FS01點火失敗的原因；FS02風車起動的余氣系數(shù)過大，已經超出了貧油邊界，未點火成功；FS03風車起動的余氣系數(shù)較小，超出了富油邊界，未點火成功。

圖7 余氣系數(shù)對比圖Fig.7 The contrast of excess air coefficient

3.3 油氣匹配研究

綜上分析可知，發(fā)動機風車起動點火失敗主要原因是點火油氣不匹配，出現(xiàn)了燃油霧化效果不好、燃燒室頭部富油和貧油等情況：FS01點火失敗是由于燃油霧化效果不好，F(xiàn)S02點火失敗是由于燃油霧化效果不好及燃燒室頭部貧油超出了可燃極限，F(xiàn)S03點火失敗是由于燃燒室頭部富油超出了可燃極限。

為解決該發(fā)動機點火油氣不匹配的問題，評估了風車起動包線內各個風車工況點的可燃油氣范圍，并對起動供油附件裝置特性進行分析。將燃油泵一維差值特性改為多維差值特性，使燃油計量更加精確。對燃燒室結構特點進行分析，量化燃油急增霧化特性，修正急增燃油量。利用發(fā)動機進口氣流參數(shù)等變量值，對風車起動供油量Wf進行修正，使點火油氣匹配滿足風車起動全包線設計要求。Wf修正如下：

式中：p2為發(fā)動機進口壓力，T2為發(fā)動機進口溫度，V為總管充填容積。

使用改進后的風車起動控制規(guī)律，該發(fā)動機在H=5 km、Vb=500 km/h和H=5 km、Vb=700 km/h兩個風車工況下，計算得出的燃燒室頭部點火余氣系數(shù)如圖8所示，已將風車狀態(tài)的點火余氣系數(shù)調整到燃燒室可燃極限范圍內。

圖8 計算得出的余氣系數(shù)Fig.8 The calculated excess air coefficient

4 高空風車起動試驗驗證

4.1 試驗方法

高空臺模擬發(fā)動機風車起動，先分別啟動試驗所需要的供、抽氣及加溫/降溫設備，使排氣擴壓器的循環(huán)水系統(tǒng)投入運行，高溫或低溫供氣氣流經混合后通過916、995、916-2閥排入大氣，抽氣系統(tǒng)完成抽氣機的并、串網后，發(fā)動機做好風車起動準備，見圖9。當發(fā)動機進入風車狀態(tài)后，按發(fā)動機風車起動操作要求進行風車起動[10]。

圖9 高空臺模擬風車起動工作原理圖Fig.9 High altitude simulation windmilling starting working principle

4.2 試驗驗證

在模擬高度進行了多次風車起動，選出具有代表性的FS04、FS05、FS06三次風車起動驗證結果(圖10～圖13)。FS04、FS05是H=5 km、Vb=500 km/h的風車起動，F(xiàn)S06是H=5 km、Vb=700 km/h的風車起動。

圖10 壓氣機相對物理轉速變化曲線Fig.10 The curve of relative speed

圖11 低壓渦輪出口溫度變化曲線Fig.11 The curve ofT6

圖12 點火時刻余氣系數(shù)Fig.12 Excess air coefficient at ignition moment

圖13 點火時刻燃油壓差Fig.13 Δpfat ignition moment

試驗結果表明，F(xiàn)S04、FS05、FS06風車起動均成功點火，且加速到空中慢車狀態(tài)(圖10、圖11)。點火時刻的燃燒室頭部余氣系數(shù)都在可燃極限范圍內，與油氣匹配研究計算得出的余氣系數(shù)基本一致(圖12)，但由于供油存在少許偏差，所以實際余氣系數(shù)與計算略有差異。燃油總管壓差都在能夠可靠點火的范圍內(圖13)。點火油氣匹配達到了預期效果，表明該發(fā)動機點火失敗原因分析正確，點火油氣匹配研究方法和提出的相應解決方案合理可行。

5 結論

該型發(fā)動機風車起動點火失敗，經分析得出點火油氣不匹配是其失敗的根本原因。據(jù)此對其進行了油氣匹配研究，并采取了相應的解決方案，經后續(xù)高空風車起動試驗驗證表明，該發(fā)動機風車起動點火失敗原因分析正確，點火油氣匹配研究方法和相應的解決方案合理可行?？罩悬c火油氣匹配應關注和評估燃油霧化效果(燃油壓差)和燃燒室頭部余氣系數(shù)，只有在一定范圍內點火才能成功。目前，確定燃燒室的可燃極限主要依靠試驗方法得出，未來還可利用燃燒室點火模型開展點火匹配的理論分析研究。而本文提出的風車起動點火匹配研究方法，可有效解決空中點火困難等問題，降低風車起動調試試驗的風險和成本。

[1]張東方，李應紅，尉詢凱，等.基于約簡遺傳規(guī)劃的航空發(fā)動機風車起動模型[J].系統(tǒng)仿真學報，2008，20(9)：2262—2265.

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Windmilling starting ignition match for turbofan engine

CHEN Li，LUO Zai-qi
(AECC Sichuan Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

Aiming at windmilling start ignition failure cases in the state of high altitude for a certain type of turbofan engine,mechanism analysis and research of fuel and gas match for the windmilling start ignition has been completed.The main factors affecting windmilling start ignition have been analyzed.The reason for the ignition failure was that fuel and gas was not match and excess air coefficient deviated from the com?bustor ignition boundary.On the basis of fuel and gas match research,the measures were put forward,and verification test at high altitude test bed was completed.Test results show that the methods of analysis and measures are reasonable,which can provide reference for match design and evaluation of windmilling start ignition for the same type of engine.

aero-engine；windmilling start；fuel atomization；ignition match；starting control；excess air coefficient

V233.6

A

1672-2620(2017)05-0008-05

2016-09-20；

2017-10-27

陳 立(1989-)，男，四川南充人，工程師，主要從事航空發(fā)動機起動系統(tǒng)技術研究。