楊俊飛 陳茜 趙勝海

摘 要：介紹了某小型航空發(fā)動機起動系統(tǒng)原理，對該發(fā)動機上機后起動點火失敗問題進行分析，進而對發(fā)動機起動系統(tǒng)原理進行研究，最終確認(rèn)壓力匹配問題是失敗的主要原因，綜合提出解決措施，并進行試驗驗證。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機；起動；點火

1 引言

起動是航空發(fā)動機的一個重要的起始過程。航空發(fā)動機起動成功的基本要求是在壓氣機不喘振和渦輪前不超溫的情況下，在一定的時間內(nèi)按照給定的起動程序和供油規(guī)律點燃燃燒室內(nèi)油氣混合物，將發(fā)動機加速到慢車。

某小型航空發(fā)動機（以下簡稱WP發(fā)動機）體積小、結(jié)構(gòu)簡單。裝機后出現(xiàn)了發(fā)動機地面起動點火失敗問題，本文對WP發(fā)動機起動系統(tǒng)進行研究，分析了裝機后影響發(fā)動機起動的主要因素并進行試驗驗證，根據(jù)驗證結(jié)論提出解決措施。

2 起動失敗原因分析

在航空發(fā)動機起動過程中，若發(fā)動機地面不能點火成功，通常是由于進入發(fā)動機燃燒室油氣比超出正常點火要求范圍。因此，著重從進入發(fā)動機的氣流和進入發(fā)動機的燃油流量進行分析。

2.1 氣源能力分析

根據(jù)動量矩定理，起動氣源氣流作用在轉(zhuǎn)子上的力矩為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量與角加速度的乘積，發(fā)動機吹轉(zhuǎn)時空氣流量與角加速度的關(guān)系由下式描述（簡化為恒角加速度運動）：

（1）

式中m為通過發(fā)動吹轉(zhuǎn)噴嘴的空氣流量、v為噴流與轉(zhuǎn)子的相對速度、L為吹轉(zhuǎn)力臂、Mf·Lf為摩擦阻力矩、Ma·La為氣動阻力矩、Ix為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量、α為轉(zhuǎn)子的角加速度。

根據(jù)流量公式：

（2）

公式中k為常數(shù)，P*為總壓，T*為總溫，A為截面面積，q（？姿）為流量函數(shù)，P為靜壓。

摩擦阻力矩和氣動阻力矩實際都為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的函數(shù)，隨轉(zhuǎn)子吹轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的增加而增大。噴流與轉(zhuǎn)子的相對速度v為噴流絕對速度v0與轉(zhuǎn)子距轉(zhuǎn)軸L處線速度的差。由于發(fā)動機吹轉(zhuǎn)噴嘴工作在超臨界狀態(tài)，噴嘴出口速度為當(dāng)?shù)匾羲?，?dāng)?shù)販囟茸兓淮髸r基本不變。因此，轉(zhuǎn)子的角加速度為空氣流量m與轉(zhuǎn)子線速度v'的函數(shù)，并且m越大，角加速度越大；v越大，角加速度越小并可能反號使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變小。在實際發(fā)動機起動過程中，氣源帶轉(zhuǎn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速可滿足發(fā)動機要求，所需時間也較短，因此說明進入發(fā)動機的空氣流量滿足發(fā)動機起動要求。

根據(jù)（2）式，空氣流量與氣體總壓和管道面積成正比。在發(fā)動機氣源進口管路一定的情況下，管道面積一定，因此，在空氣流量滿足發(fā)動機要求的前提下，氣源總壓應(yīng)滿足發(fā)動機要求。

2.2 供油流量分析

根據(jù)WP發(fā)動機起動工作原理，發(fā)動機供油流量與供油壓力差函數(shù)和定量旋板泵轉(zhuǎn)速函數(shù)有關(guān)，因此，建立發(fā)動機供油流量模型見式（3）。

（3）

其中q（？駐P）表示由供油壓力差決定的一部分供油流量；

q（n）表示由定量旋板泵轉(zhuǎn)速決定的一部分供油流量；

由WP發(fā)動機定量旋板泵的流量特性可知，定量旋板泵的流量與轉(zhuǎn)速成正線性關(guān)系，供油流量隨定量旋板泵的轉(zhuǎn)速增加而增加，在1000r/min到10000r/min之間，流量和轉(zhuǎn)速基本成正線性關(guān)系，但在1000r/min以下，流量隨轉(zhuǎn)速也在增加，若假設(shè)0r/min到1000r/min也為正線性關(guān)系，則其斜率明顯比1000r/min以上小的多，通過線性延伸計算，流量泵轉(zhuǎn)速500r/min，其供油流量僅為0.1L/min。因此，當(dāng)定量旋板泵在低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時，其供油流量較小，不能滿足發(fā)動機正常點火要求。

由WP發(fā)動機起動工作原理，供油壓力差可由數(shù)學(xué)表達式表示。

式中：PY為地面起動氣源經(jīng)氣流分配器后進入機上供油系統(tǒng)的壓力；

PZ為定量旋板泵啟動后為供油管路增加的壓力；

PS為PY進入機上供油系統(tǒng)后損失的壓力；

Ph為地面起動氣源經(jīng)氣流分配器進入封氣腔后形成的背壓力；

由工作原理圖可知，PY和Ph是起動氣源經(jīng)氣流分配器后再由三通分配而來，其壓力值基本相當(dāng)，因此？駐P主要由Pb和PS決定。

由典型增壓特性曲線圖可知，定量旋板泵在低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時，其增壓能力Pb十分有限，而對于特定的供油系統(tǒng)，其PS為定值，且在設(shè)計之初，會按最小損失進行設(shè)計，并進行試驗驗證。因此，由供油壓力差決定的部分燃油流量可能存在供給不足的問題。

3 試驗驗證

3.1 問題復(fù)現(xiàn)

試驗前，設(shè)地面起動氣源經(jīng)氣流分配器后進入機上供油系統(tǒng)的壓力測量點（PY）、機上供油系統(tǒng)進入發(fā)動機壓力測量點（Pa）、燃油泵后壓力測量點（Pb）、供油流量（wf）、發(fā)動機轉(zhuǎn)速（n）。

由復(fù)現(xiàn)試驗轉(zhuǎn)速可知，轉(zhuǎn)速在吹轉(zhuǎn)氣源穩(wěn)定后，沒有上升，此次起動發(fā)動機點火失敗。對供油壓力進行分析：PS=PY-Pa，因此，由壓力數(shù)據(jù)計算：

？駐P=PY+PZ-PS-Ph

PS=PY-Pa

PZ=Pb-Pa

即

代入典型點后，計算？駐P約為-11KPa，考慮旋板泵低轉(zhuǎn)速時增壓能力較弱，因此供油壓力很可能小于封氣腔背壓，說明燃油并未達到封氣腔，不能點火成功，對燃油流量數(shù)據(jù)進行分析，燃油流量并未增加，因此，供油段壓力不匹配，導(dǎo)致發(fā)動機起動段燃油不能正常供給是起動失敗的主要原因。

3.2 優(yōu)化后驗證

針對供油段壓力不匹配，可以采用提高發(fā)動機旋板泵增壓能力、減低封氣腔背壓等方法，但這些方法均需對發(fā)動機進行比較大的優(yōu)化改進，由供油系統(tǒng)原理可知，若單獨增加發(fā)動機起動段油箱壓力，則可提高旋板泵前壓力，從而提高旋板泵后壓力，達到增加泵后壓力與封氣腔壓差的效果。因此，在起動之前，先給油箱預(yù)增壓約27KPa，再進行發(fā)動機起動。

從轉(zhuǎn)速及壓力數(shù)據(jù)對應(yīng)來分析，當(dāng)油箱進行27KPa預(yù)增壓時，油箱壓力、泵前壓力、泵后壓力在發(fā)動機著火前均大于油箱引氣壓力，這說明，著火前油箱內(nèi)壓力已將燃油擠壓至封氣腔，當(dāng)發(fā)動機著火后，由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升較快，引氣壓力也隨之迅速上升，最終超過油箱壓力，但此時旋板泵已處于較高工作轉(zhuǎn)速，其增壓能力已經(jīng)體現(xiàn)，可以滿足供給燃油需求。因此發(fā)動機正常起動。

4 結(jié)束語

根據(jù)對某小型航空發(fā)動機起動系統(tǒng)的研究及試驗驗證，該WP發(fā)動機在起動初始段，由于旋板泵低轉(zhuǎn)速特性，不能單獨完成發(fā)動機起動，需要提高供油壓力以克服旋板泵低轉(zhuǎn)速時增壓能力較弱的問題，從而達到發(fā)動機正常起動要求。