申世才，郝曉樂，晁曉亮，楊　雄

(中國飛行試驗研究院 發(fā)動機所，陜西 西安 710089)

基于可控切油技術(shù)的慣性啟動試驗方法研究

申世才，郝曉樂，晁曉亮，楊雄

(中國飛行試驗研究院 發(fā)動機所，陜西 西安 710089)

摘要：傳統(tǒng)的慣性啟動試驗方法有操作復(fù)雜、存在安全隱患等多方面問題。為滿足航空發(fā)動機慣性啟動試驗安全性等方面的需求，基于可控切油技術(shù)，在不同高度和表速條件下開展了主燃燒室熄火試驗。試驗結(jié)果表明，以最大切油量和0.5s～7.0s的不同切油持續(xù)時間減少主燃燒室供油量，均能使主燃燒室熄火、發(fā)動機停車。根據(jù)以上試驗結(jié)果，結(jié)合某發(fā)動機慣性啟動特點，建立了一種慣性啟動試驗方法。試驗結(jié)果表明，該慣性啟動試驗方法具有操作簡單、安全性高等突出特點。

關(guān)鍵詞：慣性啟動；主燃燒室熄火；最大切油量；切油持續(xù)時間

1引言

發(fā)動機在空中工作遭遇意外熄火停車時，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速降至某一轉(zhuǎn)速后，控制系統(tǒng)自動執(zhí)行空中啟動，這種方式的啟動稱之為慣性啟動。慣性啟動是發(fā)動機重要的空中啟動方式之一，其性能試驗是航空發(fā)動機設(shè)計鑒定或定型的重要內(nèi)容。發(fā)動機空中意外熄火停車進而執(zhí)行慣性啟動的機會可遇不可求。因此，在飛行試驗中，通常通過主動操作使得主燃燒室熄火、發(fā)動機停車，進而發(fā)動機進入慣性啟動程序，達到驗證慣性啟動的目的。傳統(tǒng)的慣性啟動試驗方法通過收油門桿至停車位置切斷主燃燒室供油的方式使得主燃燒室熄火、發(fā)動機停車。試驗結(jié)果表明，該試驗方法可以驗證慣性啟動[1-2]。

發(fā)動機穩(wěn)定工作時，主燃燒室余氣系數(shù)處于貧油熄火邊界和富油熄火邊界之間的穩(wěn)定燃燒范圍[3-4]。若主動控制減少主燃燒室供油量，其余氣系數(shù)突升，可促使主燃燒室進入貧油熄火邊界，進而發(fā)動機停車，進入慣性啟動程序。國內(nèi)高校及研究院所針對主燃燒室切油技術(shù)開展了大量研究，已成功應(yīng)用在發(fā)動機消喘系統(tǒng)設(shè)計中[5-8]，但研究內(nèi)容多關(guān)注切油對發(fā)動機穩(wěn)定裕度的影響，而對于切油導(dǎo)致主燃燒室熄火和在慣性啟動試驗中的應(yīng)用等方面的研究較少。

本文詳細(xì)分析了傳統(tǒng)的慣性啟動試驗方法，基于可控切油技術(shù)，開展了控制主燃燒室切油量和切油持續(xù)時間使得主燃燒室熄火的試驗研究，根據(jù)試驗結(jié)果建立了操作簡單、安全性高的慣性啟動試驗方法，并進行了試驗驗證。

2傳統(tǒng)試驗方法

一般情況下，發(fā)動機進行慣性啟動應(yīng)滿足以下條件[2-9]：(1)發(fā)動機油門桿處于慢車或慢車以上位置；(2)無輪載；(3)發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)速等于慣性啟動轉(zhuǎn)速；(4)“允許防喘”開關(guān)處于打開位置。

如圖1所示，當(dāng)以上條件滿足時，控制器向啟動箱發(fā)出控制指令，啟動箱控制點火、補氧裝置進行主燃燒室點火、補氧；同時，控制器向供油調(diào)節(jié)器發(fā)出主燃燒室供油指令，進行啟動供油調(diào)節(jié)。

圖1　發(fā)動機慣性啟動原理框圖

傳統(tǒng)的慣性啟動試驗方法均是通過啟動箱電氣線路的改裝(斷線[1]或串聯(lián)控制開關(guān)[2])，在油門桿收至停車位置切斷主燃燒室供油時，使得啟動箱接收到的油門桿信號仍滿足慣性啟動條件中的第(1)條，進而推油桿進行慣性啟動。該試驗方法在實際使用過程中，暴露了以下問題：

(1)試驗操作復(fù)雜，必須通過收/推油門桿實現(xiàn)主燃燒室斷油和供油，且發(fā)動機停車后短時間內(nèi)操作者必須對高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速做出準(zhǔn)確判斷，在高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于慣性啟動轉(zhuǎn)速時，推油門桿進行啟動，否則，啟動為非慣性啟動方式。

(2)停車過程主燃燒室供油與意外停車情況下主燃燒室供油不符。實際停車情況下，由于油門桿仍在慢車或以上位置，慣性啟動前主燃燒室仍有供油，而斷油方式直接切斷了主燃燒室供油，這導(dǎo)致不能在客觀條件下考核主燃燒室的點火性能。

(3)存在安全隱患。若慣性啟動失敗，進行輔助啟動或風(fēng)車啟動等其他方式啟動時，發(fā)動機補氧、點火等時序仍為慣性啟動時序[1]，可能導(dǎo)致二次啟動失敗。

航空發(fā)動機的飛行試驗具有高風(fēng)險的突出特點，因此對試驗安全性具有苛刻的要求。收油門桿至停車位置切斷主燃燒室供油的慣性啟動試驗方法操作復(fù)雜、存在安全隱患等多方面問題，尤其若應(yīng)用在雙發(fā)或單發(fā)載機的飛行試驗中，一旦啟動失敗，飛機將單發(fā)著陸或迫降，可能導(dǎo)致事故的發(fā)生。因此，迫切需要研究并建立操作簡單、安全性高的慣性啟動試驗方法。

3可控切油技術(shù)

某發(fā)動機增壓系統(tǒng)由風(fēng)扇、高壓壓氣機組成，主燃燒室為短環(huán)形燃燒室。

當(dāng)發(fā)動機發(fā)生喘振時，發(fā)動機控制器向主燃油電磁閥和回油電磁閥(如圖2所示)發(fā)出指令，進行主燃燒室切油，短時減少主燃燒室供油量，增加發(fā)動機的穩(wěn)定裕度。

圖2　某發(fā)動機主燃燒室切油控制原理

該發(fā)動機除在消喘系統(tǒng)中設(shè)計有主燃燒室切油功能外，在控制器內(nèi)還單獨設(shè)計有主燃燒室切油程序：發(fā)動機在慢車或慢車以上狀態(tài)，當(dāng)觸發(fā)該程序時，控制器通過主燃油電磁閥控制計量開關(guān)，減少供向主燃室的供油量，同時通過切油電磁閥打開啟動裝置的回油活門，使得部分燃油回到增壓泵進口，再次減少供向主燃燒室的油量。

利用以上程序，若減少足夠的供油量且持續(xù)一定的時間，主燃燒室將進入貧油熄火邊界(如圖3所示)[3]，從而達到主燃燒室熄火、發(fā)動機停車進而執(zhí)行慣性啟動的目的。

圖3　主燃燒室穩(wěn)定燃燒范圍隨高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和高度的變化

4主燃燒室切油熄火試驗

通過測試改裝，加裝了“試驗”開關(guān)，用以觸發(fā)控制器內(nèi)主燃燒室切油程序。試驗點安排在慣性啟動左邊界附近，驗證切油時主燃燒室的熄火情況。

4.1最大切油量試驗

同一進氣條件下，切油量越大，主燃燒室余氣系數(shù)越大，主燃燒室越容易熄火。主燃燒室的供油量取決于計量開關(guān)和回油活門的流通面積的大小。當(dāng)計量開關(guān)的流通面積最小、回油活門的流通面積最大時，主燃燒室的切油量最大，即主燃燒室的剩余油量最小。

不同高度、表速條件下，發(fā)動機在慢車狀態(tài)穩(wěn)定工作，進行最大切油量主燃燒室熄火試驗，發(fā)動機切油持續(xù)時間th設(shè)置為1.5s。

圖4　以最大切油量持續(xù)1.5s切油時，主燃燒室余氣系數(shù)隨高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化

由圖4可知，以最大切油量持續(xù)1.5s進行主燃燒室切油，主燃燒室余氣系數(shù)相對切油前慢車狀態(tài)的余氣系數(shù)突增38%左右，且突增的峰值不隨高度的變化而變化。試驗結(jié)果如表1所示。

表1　最大切油量主燃燒室熄火試驗結(jié)果

由表1試驗結(jié)果可知，在慣性啟動左邊界附近，發(fā)動機慢車狀態(tài)穩(wěn)定工作，以最大切油量持續(xù)1.5s減少主燃燒室供油量，均可使主燃燒室熄火、發(fā)動機停車。

4.2不同切油持續(xù)時間試驗

若切油持續(xù)時間過短，即使主燃燒室熄火，當(dāng)切油過程結(jié)束，主燃燒室供油恢復(fù)，混合油氣在高溫的條件下仍可能復(fù)燃，導(dǎo)致發(fā)動機不能停車，轉(zhuǎn)速不能降至慣性啟動轉(zhuǎn)速。因此，切油持續(xù)時間也是影響主燃燒室熄火、發(fā)動機停車的重要因素之一。

在不同高度、表速條件下，發(fā)動機在慢車狀態(tài)穩(wěn)定工作，在最大切油量條件的基礎(chǔ)上，分別進行不同切油持續(xù)時間的主燃燒室熄火試驗，驗證切油持續(xù)時間對主燃燒室熄火的影響。試驗結(jié)果如表2所示。

表2　不同切油持續(xù)時間下主燃燒室熄火試驗結(jié)果

由表2試驗結(jié)果可知，在發(fā)動機慣性啟動左邊界附近，切油持續(xù)時間在0.5s～7.0s范圍內(nèi)，以最大切油量減少主燃燒室供油量，均可使主燃燒室熄火、發(fā)動機停車。

5慣性啟動試驗方法的建立及驗證

某發(fā)動機慣性啟動高壓轉(zhuǎn)子相對轉(zhuǎn)速在57%～65%范圍內(nèi)，降至慣性啟動轉(zhuǎn)速用時在3s～10s范圍內(nèi)。

考慮以上因素，為避免主燃燒室切油程序和慣性啟動程序沖突，且考慮到實際發(fā)動機停車情況下慣性啟動前主燃燒室供油情況，結(jié)合主燃燒室熄火試驗結(jié)果，主燃燒室切油程序中切油持續(xù)時間設(shè)置為1.5s、切油量設(shè)置為最大切油量。

建立的慣性啟動試驗操作方法如下：

(1)在指定的高度、速度點，打開“試驗”開關(guān)，控制器接收到座艙“試驗”開關(guān)信號，觸發(fā)主燃燒室切油程序，主燃燒室熄火、發(fā)動機停車，高壓轉(zhuǎn)速降至慣性啟動轉(zhuǎn)速，自動執(zhí)行慣性啟動程序。

(2)啟動成功后，復(fù)位“試驗”開關(guān)。

(1)該試驗方法操作簡單、有效，僅需要打開和復(fù)位“試驗”開關(guān)，不需要操縱油門桿和判斷慣性啟動轉(zhuǎn)速，減輕了操作者的負(fù)擔(dān)。

(2)由于設(shè)定的切油持續(xù)時間小于發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降至慣性啟動轉(zhuǎn)速的時間，在切油結(jié)束后至慣性啟動前的時間段內(nèi)，主燃燒室供油與實際停車情況下一致。因此，該試驗方法使主燃燒室點火環(huán)境更接近意外停車條件下的點火環(huán)境。

(3)短時切少主燃燒室供油邏輯和慣性啟動邏輯相互獨立，避免了對慣性啟動失敗后二次啟動點火和補氧邏輯的影響，無安全隱患。

圖=1.0　慣性啟動過程典型參數(shù)曲線

序號HVinHg t結(jié)果1234H10.780.580.39成功1.000.590.45成功1.990.590.64成功2.160.610.66成功56789H20.750.620.49成功0.840.620.48成功1.000.630.51成功1.250.630.59成功1.610.650.83成功1011H30.920.650.55成功1.000.650.58成功

6結(jié)論

針對傳統(tǒng)慣性啟動試驗方法操作復(fù)雜、存在安全隱患的缺點，本文基于可控切油技術(shù)，進行了主燃燒室切油熄火試驗，在此基礎(chǔ)上建立了一種新的慣性啟動試驗方法。綜上所述，結(jié)論如下：

(1)在發(fā)動機慣性啟動左邊界附近，以最大切油量和0.5s～7.0s的切油持續(xù)時間減少主燃燒室供油量，均可使主燃燒室熄火、發(fā)動機停車。

(2)建立的慣性啟動試驗方法操作簡單、安全性高。同時，采用該方法的慣性啟動更接近意外停車條件下的慣性啟動。該方法在航空發(fā)動機的試驗中，具有一定的工程應(yīng)用價值。

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Study on Test Method for Inertia Starting based on Controllable Fuel Cutting Technology

Shen Shicai,Hao Xiaole,Chao Xiaoliang,Yang Xiong

(Engine Flight Test Technology Institute of Chinese Flight Test Establishment,Xi′an 710089,Shanxi,China)

Abstract：There are many problems in the experiments of traditional inertia starting,such as complex operation and potential security liability.In order to meet the security requirements of aero-engine inertia starting,based on controllable fuel cutting technology,the tests of the flameout in main combustion chamber of aero-engine are conducted in different height and indicated airspeed conditions.The experimental results indicate that when the fuel supply in the main combustion chamber is reduced by using maximum flow fuel cutting and fuel cutting duration at a range of 0.5s to 7s,the main combustion chamber will blow out and the aero-engine will cut off.On the basis of the above experimental results and combining the inertia starting characteristics of aero-engine,a new test method for inertia stating is developed.The experimental results indicate that the new test method for inertia starting has the obvious characteristics of simple operation and high safety.

Keywords:inertia starting;flameout in main combustion chamber;maximum flow fuel cutting;fuel cutting duration

[收稿日期]2016-03-01

[作者簡介]申世才(1983—)，男，碩士，工程師，主要研究方向：發(fā)動機工作特性試驗研究。

中圖分類號：V233.6+18

文獻標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.01.009