邢 洋，郭海紅，王 軍，閻 巍，白永秋

(中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng) 110015)

1 引言

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)可靠、快速起動(dòng)對(duì)保證軍用飛機(jī)的作戰(zhàn)效能至關(guān)重要，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的好壞也是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)[1-4]。

某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)交付外場(chǎng)后出現(xiàn)了起動(dòng)問(wèn)題，主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：一是發(fā)動(dòng)機(jī)高原起動(dòng)相比平原起動(dòng)調(diào)整頻繁、起動(dòng)成功率下降，造成外場(chǎng)飛機(jī)出動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，不能滿(mǎn)足部隊(duì)作戰(zhàn)和實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練需要。二是存在冷、熱態(tài)起動(dòng)和冷、熱天起動(dòng)性能差異大的問(wèn)題，冷起動(dòng)時(shí)間偏長(zhǎng)，減少冷起動(dòng)時(shí)間則易造成熱起動(dòng)失速。而采用更大功率的起動(dòng)機(jī)，并結(jié)合轉(zhuǎn)速上升率閉環(huán)控制的起動(dòng)供油規(guī)律,可解決該型發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)供油調(diào)整范圍小和高原起動(dòng)功率不足的問(wèn)題，提高發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)能力；同時(shí)還可縮短發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間，降低起動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度，提高起動(dòng)成功率，對(duì)延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命具有重要意義[5]。

本文采用基于轉(zhuǎn)速上升率閉環(huán)控制的起動(dòng)供油規(guī)律，利用常規(guī)地面試車(chē)臺(tái)架，設(shè)計(jì)并開(kāi)展了某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)采用原狀態(tài)起動(dòng)機(jī)(A型起動(dòng)機(jī))和大功率起動(dòng)機(jī)(B型起動(dòng)機(jī))的起動(dòng)性能對(duì)比試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，探討了發(fā)動(dòng)機(jī)采用大功率起動(dòng)機(jī)的可行性，以及采用大功率起動(dòng)機(jī)后發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的變化。

2 大功率起動(dòng)機(jī)

大功率起動(dòng)機(jī)是在某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)基礎(chǔ)上，利用先進(jìn)的仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)對(duì)核心機(jī)進(jìn)行等比例縮小研制的一型燃?xì)鉁u輪起動(dòng)機(jī)，具有起動(dòng)功率大、體積小、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、自身起動(dòng)時(shí)間短等特點(diǎn)，主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的地面起動(dòng)、冷運(yùn)轉(zhuǎn)、假開(kāi)車(chē)、啟封、油封，也可以在動(dòng)力組件狀態(tài)下工作，提供地面維護(hù)時(shí)所需能源。其自由渦輪的功率通過(guò)減速器傳遞到輸出軸上，再通過(guò)彈性傳動(dòng)軸傳遞到飛機(jī)外置附件機(jī)匣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。該起動(dòng)機(jī)最大輸出功率相對(duì)原狀態(tài)起動(dòng)機(jī)的提升25%，同時(shí)可以原位換裝原狀態(tài)起動(dòng)機(jī)。

3 起動(dòng)控制規(guī)律設(shè)計(jì)

3.1 地面起動(dòng)供油規(guī)律設(shè)計(jì)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)地面起動(dòng)過(guò)程通常分為3個(gè)階段：第1階段，轉(zhuǎn)速由0到渦輪開(kāi)始產(chǎn)生功率；第2階段，渦輪開(kāi)始產(chǎn)生功率到起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)；第3階段，起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)至發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到慢車(chē)轉(zhuǎn)速。3個(gè)階段分別以點(diǎn)火轉(zhuǎn)速ndh、起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)轉(zhuǎn)速ntk作為分界條件[6]。

該型發(fā)動(dòng)機(jī)原采用較為通用的Wf/p3=f(n)起動(dòng)供油規(guī)律，但這種供油方式比較依賴(lài)油量的控制和計(jì)量精度。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)油量的控制和計(jì)量精度不能滿(mǎn)足要求時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)失敗，適用性相對(duì)較差。為此，采用基于轉(zhuǎn)速上升率閉環(huán)控制的地面起動(dòng)供油規(guī)律[7]，以提升發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)可靠性。起動(dòng)供油階段，高壓物理轉(zhuǎn)速(nH)低于設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)，起動(dòng)閉環(huán)不工作，為此主要針對(duì)地面起動(dòng)第2、第3階段進(jìn)行供油規(guī)律設(shè)計(jì)。根據(jù)文獻(xiàn)[7]公式整理可得：

式中：Ndot為轉(zhuǎn)速上升率，MCT為輔助起動(dòng)動(dòng)力裝置輸出扭矩，MT為渦輪輸出扭矩，MC為壓氣機(jī)扭矩，Mm為阻力矩，J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ηm為轉(zhuǎn)子機(jī)械效率。

轉(zhuǎn)速上升率控制規(guī)律應(yīng)綜合起動(dòng)時(shí)間要求、起動(dòng)機(jī)輸出扭矩、渦輪輸出扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩等條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，且設(shè)計(jì)結(jié)果應(yīng)利用地面和空中起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正。在考慮渦輪前溫度上升量和壓氣機(jī)穩(wěn)定裕度限制的基礎(chǔ)上確定燃燒室供油量Wf，由此可得到相應(yīng)轉(zhuǎn)速條件下的轉(zhuǎn)速上升率設(shè)計(jì)規(guī)律。在給定轉(zhuǎn)速上升率要求的條件下，適當(dāng)調(diào)整燃燒室供油量，使發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速上升率與給定轉(zhuǎn)速上升率一致，實(shí)現(xiàn)起動(dòng)供油的閉環(huán)控制。

3.2 設(shè)計(jì)規(guī)律的修正方法

發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用過(guò)程中，轉(zhuǎn)速上升率設(shè)計(jì)應(yīng)考慮大氣壓力、溫度等因素，因此需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的轉(zhuǎn)速上升率進(jìn)行修正。根據(jù)文獻(xiàn)[7]，起動(dòng)過(guò)程實(shí)際時(shí)間和換算時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

式中：ths為海平面、標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的起動(dòng)時(shí)間，t為實(shí)際起動(dòng)時(shí)間，p1為進(jìn)氣總壓，T1為進(jìn)氣總溫。

對(duì)于起動(dòng)過(guò)程任一小轉(zhuǎn)速上升量Δn，存在以下關(guān)系：

聯(lián)立式(2)和式(3)得到修正公式：

4 試驗(yàn)過(guò)程

首先采用A型起動(dòng)機(jī)進(jìn)行起動(dòng)性能試驗(yàn)。調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能至滿(mǎn)足各項(xiàng)要求，按照表1所列的試驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)展起動(dòng)試驗(yàn)。之后換裝B型起動(dòng)機(jī)，按照上述過(guò)程，重新開(kāi)展試驗(yàn)。所有試驗(yàn)項(xiàng)目均在加載、不引氣條件下進(jìn)行。

表1 試驗(yàn)項(xiàng)目Table 1 Starting test items

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 冷運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)比分析

該型發(fā)動(dòng)機(jī)的冷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為70 s。圖2示出了按下發(fā)動(dòng)機(jī)冷運(yùn)轉(zhuǎn)按鈕后，起動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中排氣溫度的變化。圖中試驗(yàn)數(shù)據(jù)已作歸一化處理，僅給出相對(duì)變化關(guān)系，下同。可以看出，B型起動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的排氣溫度上升率和最高排氣溫度均高于A型起動(dòng)機(jī)的。其主要原因是B型起動(dòng)機(jī)起動(dòng)加速過(guò)程供油偏多。另外，B型起動(dòng)機(jī)自身起動(dòng)成功所需時(shí)間長(zhǎng)于A型起動(dòng)機(jī)的。

圖2 起動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的排氣溫度Fig.2 Exhaust temperature of two starters

采用兩型起動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)和起動(dòng)機(jī)的冷/熱態(tài)相同時(shí)，冷運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不同時(shí)間點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓轉(zhuǎn)速見(jiàn)表2。表中，狀態(tài)代表起動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的冷、熱態(tài)，如熱態(tài)/冷態(tài)表示起動(dòng)機(jī)為熱態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)為冷態(tài)，下同。冷運(yùn)轉(zhuǎn)22 s時(shí)，采用A型起動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)速較B型起動(dòng)機(jī)的高0.063～0.069；冷運(yùn)轉(zhuǎn)70 s時(shí)，采用B型起動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)速較A型起動(dòng)機(jī)的高0.091～0.115，約提升14%。

表2 冷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不同時(shí)間點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓轉(zhuǎn)速Table 2 High pressure speed of engine at different times during cold operation

圖3 冷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓轉(zhuǎn)速Fig.3 High pressure speed of engine during cold operation

圖3給出了冷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)速的變化情況。在冷運(yùn)轉(zhuǎn)前25 s，同一時(shí)刻，采用A型起動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓轉(zhuǎn)速較采用B型起動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的高；在冷運(yùn)轉(zhuǎn)25 s后，同一時(shí)刻，采用B型起動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)速比采用A型起動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的高。

根據(jù)以上分析可知，采用B型起動(dòng)機(jī)，冷運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)速提高了約14%[8-11]。

5.2 起動(dòng)對(duì)比分析

5.2.1 起動(dòng)點(diǎn)火

起動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)速到達(dá)點(diǎn)火轉(zhuǎn)速ndh=0.220或起動(dòng)程序到一時(shí)間點(diǎn)tdh=0.311時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)主燃油系統(tǒng)開(kāi)始向燃燒室供油，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火(排氣溫度突升)[12-13]。采用兩型起動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火成功時(shí)的點(diǎn)火時(shí)間和點(diǎn)火轉(zhuǎn)速見(jiàn)表3。可看出，發(fā)動(dòng)機(jī)均在高壓轉(zhuǎn)速達(dá)到點(diǎn)火轉(zhuǎn)速時(shí)點(diǎn)火成功。采用B型起動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火成功時(shí)間較采用A型起動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)0.026～0.032，主要原因是B型起動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)間和點(diǎn)火轉(zhuǎn)速Table 3 Ignition time and speed of engine

5.2.2 起動(dòng)供油壓差

該型發(fā)動(dòng)機(jī)地面起動(dòng)過(guò)程中采用基于轉(zhuǎn)速上升率閉環(huán)控制的地面起動(dòng)供油規(guī)律，可按轉(zhuǎn)速上升率閉環(huán)對(duì)設(shè)計(jì)起動(dòng)供油量進(jìn)行修正[14-17]。圖4給出了發(fā)動(dòng)機(jī)采用兩型起動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的供油壓差(燃油總管壓力pf與高壓壓氣機(jī)出口壓力p31之差)的對(duì)比，圖中nHcor為高壓換算轉(zhuǎn)速。由圖可看出，發(fā)動(dòng)機(jī)冷/熱態(tài)相同時(shí)，相比采用A型起動(dòng)機(jī)，采用B型起動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程實(shí)際供油壓差降低(轉(zhuǎn)速0.6～0.8范圍內(nèi)降低約20%)，這表明發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際起動(dòng)供油量也有所降低。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的供油壓差Fig.4 Fuel supply pressure difference during engine starting

5.2.3 起動(dòng)時(shí)間和排氣溫度

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)高壓轉(zhuǎn)速到達(dá)起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)轉(zhuǎn)速ntk=0.787或起動(dòng)程序到一時(shí)間點(diǎn)ttk=0.700時(shí)，起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)。表4給出了發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的最高排氣溫度(T6max)和發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間tmc(從起動(dòng)開(kāi)始到慢車(chē)狀態(tài)的時(shí)間)。由表可知，在大氣溫度相同、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升率一致條件下，起動(dòng)機(jī)熱態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)時(shí)，采用B型起動(dòng)機(jī)比采用A型起動(dòng)機(jī)起動(dòng)，起動(dòng)最高排氣溫度下降9.8%，起動(dòng)時(shí)間縮短5.0%；起動(dòng)機(jī)熱態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)也為熱態(tài)時(shí)，采用B型動(dòng)機(jī)比采用A型起動(dòng)機(jī)起動(dòng)，起動(dòng)最高排氣溫度下降10.7%，起動(dòng)時(shí)間縮短2.7%。

表4 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間和最高排氣溫度Table 4 Starting performance data of engine

圖5和圖6分別示出了采用兩型起動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中高壓轉(zhuǎn)速和排氣溫度的變化。由圖可知，整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中，相比采用A型起動(dòng)機(jī)，采用B型起動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速上升率有所提高，供油量降低約20%，排氣溫度下降10%。

綜上所述，起動(dòng)機(jī)功率提升25%，冷態(tài)起動(dòng)時(shí)間縮短5.0%，熱態(tài)起動(dòng)時(shí)間縮短2.7%。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)供油量降低約20%，起動(dòng)過(guò)程中排氣溫度大幅度下降10%。

圖5 起動(dòng)過(guò)程中的高壓轉(zhuǎn)速Fig.5 High pressure speed of engine during engine starting

圖6 起動(dòng)過(guò)程中的排氣溫度Fig.6 Exhaust temperature during engine starting

6 結(jié)論

(1) 發(fā)動(dòng)機(jī)采用轉(zhuǎn)速上升率閉環(huán)控制的地面起動(dòng)供油規(guī)律后，兩型起動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能良好，各項(xiàng)起動(dòng)性能指標(biāo)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

(2) 采用大功率起動(dòng)機(jī)比采用原狀態(tài)起動(dòng)機(jī)，起動(dòng)機(jī)功率提升25%，發(fā)動(dòng)機(jī)冷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)高壓轉(zhuǎn)速提高約14%。

(3) 采用大功率起動(dòng)機(jī)比采用原狀態(tài)起動(dòng)機(jī)，冷態(tài)起動(dòng)時(shí)間縮短5.0%，熱態(tài)起動(dòng)時(shí)間縮短2.7%。高壓轉(zhuǎn)速較高時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)供油量降低約20%，起動(dòng)過(guò)程中排氣溫度下降10%。