王兆銘，黃 毅，李詩(shī)軍，欒 東

（1.中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng)110015；2.空軍油料研究所，北京100076）

0 引言

高原機(jī)場(chǎng)具有海拔高、氣壓低、空氣密度小、缺氧等氣候特點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)高原起動(dòng)性能決定其能否配裝飛機(jī)在高原條件下使用。通常發(fā)動(dòng)機(jī)高原起動(dòng)試驗(yàn)在高空臺(tái)條件下進(jìn)行，但因高空臺(tái)的高原模擬環(huán)境與實(shí)際高原氣候條件有一定差異，難以摸清發(fā)動(dòng)機(jī)高原起動(dòng)控制規(guī)律和起動(dòng)調(diào)整方法[1-9]。

本文以某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高原起動(dòng)供油規(guī)律研究為技術(shù)途徑，采用對(duì)自動(dòng)起動(dòng)器放氣嘴直徑、起動(dòng)標(biāo)記、起動(dòng)補(bǔ)油的參數(shù)優(yōu)化調(diào)整的方法，并使用3號(hào)航空噴氣燃料，通過(guò)某型發(fā)動(dòng)機(jī)在高原條件下的起動(dòng)考核驗(yàn)證試驗(yàn)，充分掌握發(fā)動(dòng)機(jī)在高原機(jī)場(chǎng)的起動(dòng)性能，為以后配裝飛機(jī)在高原機(jī)場(chǎng)的順利使用做好充分準(zhǔn)備。

1 起動(dòng)工作過(guò)程及起動(dòng)供油調(diào)節(jié)

起動(dòng)過(guò)程為按下起動(dòng)按鈕后至發(fā)動(dòng)機(jī)到達(dá)“慢車(chē)”狀態(tài)的整個(gè)過(guò)程，是電氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)其他系統(tǒng)聯(lián)合工作的1個(gè)復(fù)雜工作過(guò)程[8-10]。其中，電氣系統(tǒng)工作按時(shí)間和轉(zhuǎn)速2種程序進(jìn)行控制。起動(dòng)時(shí)，將發(fā)動(dòng)機(jī)操縱桿放到“慢車(chē)”位置，以按下起動(dòng)按鈕瞬間作為零點(diǎn)，電起動(dòng)機(jī)按時(shí)間程序分級(jí)起動(dòng)，直到起動(dòng)脫開(kāi)轉(zhuǎn)速或起動(dòng)周期結(jié)束時(shí)切斷。同時(shí)，按時(shí)間和轉(zhuǎn)速時(shí)序先后控制排油活門(mén)、點(diǎn)火、起動(dòng)燃油電磁開(kāi)關(guān)、起動(dòng)補(bǔ)油電磁閥接通工作。

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的供油由2路組成。1路由主泵后經(jīng)油門(mén)開(kāi)關(guān)和慢車(chē)活門(mén)，并經(jīng)過(guò)自動(dòng)起動(dòng)器放油控制后，進(jìn)入主副油路和燃燒室；另1路在有補(bǔ)油調(diào)節(jié)時(shí)，由主泵后不經(jīng)過(guò)油門(mén)開(kāi)關(guān)，經(jīng)補(bǔ)油活門(mén)、補(bǔ)油電磁閥直接進(jìn)入副油路和燃燒室。

自動(dòng)起動(dòng)器是實(shí)現(xiàn)起動(dòng)供油的控制裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理是靠噴嘴擋板調(diào)整放低壓油的油路的開(kāi)度，通過(guò)調(diào)整放入壓油腔的燃油量來(lái)控制實(shí)際供油。在起動(dòng)初期，壓氣機(jī)后P2壓力很小，作用于自動(dòng)起動(dòng)器噴嘴擋板左側(cè)的燃油壓力大于作用于擋板右側(cè)的彈簧力和空氣壓力，噴嘴擋板被打開(kāi)，將油門(mén)開(kāi)關(guān)和慢車(chē)活門(mén)后的部分燃油排入低壓腔；在起動(dòng)后期，隨轉(zhuǎn)速升高，P2壓力增大，噴嘴擋板逐漸關(guān)死，經(jīng)過(guò)油門(mén)開(kāi)關(guān)和慢車(chē)活門(mén)的慢車(chē)燃油流量完全進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖1 自動(dòng)起動(dòng)器結(jié)構(gòu)

2 高原起動(dòng)主要影響因素及起動(dòng)參數(shù)調(diào)整

高原機(jī)場(chǎng)的特點(diǎn)是海拔高、氣壓低，如從內(nèi)地平原機(jī)場(chǎng)到西藏高原機(jī)場(chǎng)，海拔高度從0km升高到4km左右，大氣壓力從100kPa降低到60kPa左右。加之空氣密度低、氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)小、機(jī)場(chǎng)四周山多、風(fēng)沙大等特殊氣候環(huán)境，使進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量減少。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)在高原使用時(shí)，由于大氣環(huán)境條件變化較大，起動(dòng)難度增大。起動(dòng)機(jī)功率[9]、點(diǎn)火裝置及供油附件性能也是影響發(fā)動(dòng)機(jī)高原條件下起動(dòng)的因素。

某型發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)供油的調(diào)節(jié)主要通過(guò)主燃油泵上的自動(dòng)起動(dòng)器控制元件實(shí)現(xiàn)[11-14]。主要起動(dòng)調(diào)整參數(shù)包括噴嘴擋板直徑、自動(dòng)起動(dòng)器彈簧剛度、P2節(jié)氣嘴直徑、起動(dòng)放氣嘴直徑、起動(dòng)標(biāo)記圈數(shù)、慢車(chē)活門(mén)調(diào)整釘圈數(shù)和補(bǔ)油活門(mén)調(diào)整釘圈數(shù)。前3項(xiàng)為影響起動(dòng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在發(fā)動(dòng)機(jī)外場(chǎng)基本不可調(diào)整；后4項(xiàng)參數(shù)為發(fā)動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)過(guò)程中的主要調(diào)整參數(shù)，調(diào)整這4個(gè)參數(shù)可以改變發(fā)動(dòng)機(jī)在同一轉(zhuǎn)速下（P2壓力）下噴嘴擋板的受力，通過(guò)調(diào)整噴嘴擋板的平衡位置來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)供油規(guī)律。在高原條件下，由于空氣密度減小，發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)狀態(tài)下的空氣流量減少，若應(yīng)用在平原地區(qū)調(diào)定的起動(dòng)參數(shù)，會(huì)出現(xiàn)起動(dòng)富油，因此發(fā)動(dòng)機(jī)在高原使用必須對(duì)起動(dòng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)。隨著高度增加，在慢車(chē)供油量下發(fā)動(dòng)機(jī)慢車(chē)狀態(tài)高、低壓轉(zhuǎn)速相應(yīng)增加，高原起動(dòng)時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)。文獻(xiàn)[15-17]都研究了類(lèi)似結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)供油規(guī)律，其中文獻(xiàn)[15]和[16]從仿真角度研究了每個(gè)調(diào)整量對(duì)起動(dòng)供油規(guī)律的影響，文獻(xiàn)[17]研究了2800m高原起動(dòng)供油規(guī)律。本文針對(duì)在平原和高原的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)情況，根據(jù)實(shí)際的試車(chē)情況總結(jié)出起動(dòng)失速邊界和貧油邊界，得到不同高度下的起動(dòng)供油規(guī)律調(diào)整方法。

3 高原起動(dòng)參數(shù)摸底試驗(yàn)

在發(fā)動(dòng)機(jī)高原起動(dòng)試驗(yàn)前，首先在平原機(jī)場(chǎng)（相當(dāng)于海平面）進(jìn)行摸底試驗(yàn)，在不同起動(dòng)參數(shù)組合下，借鑒以往發(fā)動(dòng)機(jī)在高空臺(tái)模擬高原起動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)，調(diào)整起動(dòng)參數(shù)時(shí)盡量不考慮補(bǔ)油，只對(duì)起標(biāo)和起動(dòng)氣嘴進(jìn)行組合調(diào)整。在高原條件下起動(dòng)參數(shù)的使用原則為：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)在高原起動(dòng)時(shí)基本不用調(diào)整起動(dòng)補(bǔ)油活門(mén)，以起動(dòng)標(biāo)記和起動(dòng)放氣嘴為主要調(diào)整對(duì)象，二者匹配調(diào)整，得到合適的起動(dòng)供油關(guān)系，以滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前段不冷懸掛（調(diào)整起標(biāo)），起動(dòng)后段不熱懸掛（調(diào)整放氣嘴）的要求。

（2）應(yīng)根據(jù)高度不同調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)高原起動(dòng)參數(shù)。也可適當(dāng)使用起動(dòng)補(bǔ)油活門(mén)減少起動(dòng)補(bǔ)油量，避免因過(guò)多調(diào)整起動(dòng)標(biāo)記、圈數(shù)和起動(dòng)放氣嘴直徑而影響發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)。

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)高原起動(dòng)應(yīng)優(yōu)先保證發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)可靠，起動(dòng)時(shí)間比在平原狀態(tài)下可以適當(dāng)增加10～30s。

發(fā)動(dòng)機(jī)在地面起動(dòng)時(shí)的調(diào)整結(jié)果如圖2所示。曲線1是起動(dòng)參數(shù)調(diào)整前的試驗(yàn)結(jié)果，其起標(biāo)、補(bǔ)油氣嘴直徑使用平原機(jī)場(chǎng)的使用參數(shù)，曲線2～6是模擬高原起動(dòng)參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行了4次不同起標(biāo)、補(bǔ)油氣嘴直徑下試驗(yàn)，其起標(biāo)選擇2.75~3.25圈、補(bǔ)油0圈、氣嘴直徑為2.3~2.5mm，可見(jiàn)在地面起動(dòng)n2為40%時(shí)副油路壓力基本接近慢車(chē)下的；固定起動(dòng)氣嘴，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)標(biāo)記由3.25圈調(diào)整到2.75圈，在起動(dòng)前中期，在同樣的n2轉(zhuǎn)速下（20%～35%時(shí)），發(fā)動(dòng)機(jī)供油量增加了30%；固定起動(dòng)標(biāo)記和補(bǔ)油，起動(dòng)氣嘴由2.3mm調(diào)整到2.5mm，在起動(dòng)中后期，在同樣的n2轉(zhuǎn)速下，發(fā)動(dòng)機(jī)供油量減少25%左右。從4次模擬試驗(yàn)結(jié)果可知，發(fā)動(dòng)機(jī)在地面模擬高原起動(dòng)的起動(dòng)裕度較大。通過(guò)模擬試驗(yàn)配合高空臺(tái)模擬高原起動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)，在高原起動(dòng)時(shí)首先把起動(dòng)標(biāo)記多退1圈，根據(jù)高原高度適當(dāng)選擇補(bǔ)油圈數(shù)和氣嘴直徑，本次初步確定高原起動(dòng)的調(diào)整參數(shù)為起動(dòng)標(biāo)記3.75圈、補(bǔ)油0圈、氣嘴2.3mm。

圖2 在地面起動(dòng)不同起動(dòng)參數(shù)條件下n2和pfu的關(guān)系

4 發(fā)動(dòng)機(jī)高原起動(dòng)試驗(yàn)

高原試驗(yàn)在海拔高達(dá)4200m左右的高原機(jī)場(chǎng)進(jìn)行,當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?0kPa，大氣溫度為15℃，是日前中國(guó)海拔最高的機(jī)場(chǎng)。如果通過(guò)了高原起動(dòng)的考驗(yàn)，基本在全國(guó)范圍內(nèi)的高原機(jī)場(chǎng)都可以順利起動(dòng)，不受地域限制。

發(fā)動(dòng)機(jī)第1次起動(dòng)是以地面起動(dòng)摸底試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，初步調(diào)整參數(shù)為起動(dòng)標(biāo)記3.75圈，補(bǔ)油0圈，起動(dòng)氣嘴直徑2.3mm。發(fā)動(dòng)機(jī)在n2=44%以后溫度持續(xù)上升，轉(zhuǎn)速略有下降，發(fā)動(dòng)機(jī)熱懸掛，起動(dòng)失敗。初步分析可能是高原狀態(tài)起動(dòng)電源車(chē)功率損失較大、帶轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速較低，加上高原慢車(chē)轉(zhuǎn)速較高（n1=51%,n2=71%），起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)后發(fā)動(dòng)機(jī)不能靠自身的功率起動(dòng)到高原慢車(chē)，應(yīng)采取增加起動(dòng)前期的供油量配合起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。把起動(dòng)標(biāo)記調(diào)整為3.5、4圈，進(jìn)行第2次起動(dòng)。此次起動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)了同樣的問(wèn)題，發(fā)動(dòng)機(jī)在n2=42%時(shí)轉(zhuǎn)速略有下降，由于溫度上升發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)失敗。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)在n2=42%~44%屬于發(fā)動(dòng)機(jī)富油失速，此階段應(yīng)是起動(dòng)的后期，因此在起動(dòng)后期發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)當(dāng)減少供油量。將發(fā)動(dòng)機(jī)起標(biāo)由3.5圈調(diào)到4圈，起動(dòng)氣嘴直徑由2.3mm調(diào)整為2.5mm，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功，起動(dòng)時(shí)間為68s，起動(dòng)溫度突升為456℃。從而找出了發(fā)動(dòng)機(jī)富油邊界和貧油邊界。在認(rèn)為能可靠起動(dòng)的起動(dòng)參數(shù)下，連續(xù)3次進(jìn)行起動(dòng)，起動(dòng)成功率為100%，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)供油失速邊界和貧油邊界如圖3所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)供油失速邊界和貧油邊界

從高原起動(dòng)看，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)氣嘴直徑為2.3mm時(shí)，無(wú)論起標(biāo)記為3.5圈還是4圈，發(fā)動(dòng)機(jī)均失速（p2、pfu下降，n1調(diào)轉(zhuǎn)，溫度上升較快）。在起動(dòng)氣嘴直徑為2.5mm時(shí)，起動(dòng)標(biāo)記在3.5～4.0圈的調(diào)整范圍內(nèi)起動(dòng)良好，起動(dòng)氣嘴噴嘴擋板在n2=58%的轉(zhuǎn)速完全關(guān)死。起動(dòng)標(biāo)記為3.75圈起動(dòng)氣嘴直徑為2.6mm時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)能正常起動(dòng)。最終認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)可靠起動(dòng)的參數(shù)為3.75圈，補(bǔ)油0圈，起動(dòng)氣嘴為2.5mm的方案，利用該參數(shù)進(jìn)行4次冷熱不同的起動(dòng)，起動(dòng)成功率達(dá)到100%。

5 結(jié)論

通過(guò)進(jìn)行充分的地面和高原起動(dòng)試驗(yàn)，得到了某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高原起動(dòng)邊界。根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果，得到如下結(jié)論：

在海拔3500m以上的高原起動(dòng)，無(wú)需進(jìn)行地面起動(dòng)補(bǔ)油，可以出場(chǎng)地面調(diào)整的貧油邊界為基準(zhǔn)，外調(diào)1圈起動(dòng)調(diào)整釘和放大0.2mm起動(dòng)氣嘴。在海拔2000m以下的地區(qū)，無(wú)需調(diào)整起動(dòng)調(diào)整釘和氣嘴參數(shù)，僅適當(dāng)減少補(bǔ)油量即可。本文介紹的調(diào)整方法適用于類(lèi)似結(jié)構(gòu)的渦輪風(fēng)扇和渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)高原起動(dòng)供油規(guī)律調(diào)整，但是由于不同類(lèi)型發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性存在差異，因此還需進(jìn)一步研究二者的差異，更好地為發(fā)動(dòng)機(jī)高原起動(dòng)服務(wù)。

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