李小彪，馬 征，邱續(xù)茂，谷雪花

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽110015）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)高原起動(dòng)試驗(yàn)是檢驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能、考核發(fā)動(dòng)機(jī)工作指標(biāo)、驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)使用范圍的重要手段。國軍標(biāo)《航空燃?xì)鉁u輪動(dòng)力裝置飛行試驗(yàn)要求》和《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高原起動(dòng)試驗(yàn)的考核提出了具體要求[1-3]。然而，隨著高原地區(qū)海拔高度增加，空氣密度和壓力減小，使得起動(dòng)時(shí)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣質(zhì)量流量減少，余氣系數(shù)減小，造成渦輪起動(dòng)機(jī)功率、輸出功率明顯衰減，使發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難，經(jīng)常出現(xiàn)起動(dòng)失速、轉(zhuǎn)速懸掛、超溫等現(xiàn)象，或者起動(dòng)時(shí)間偏長(zhǎng)，嚴(yán)重影響日常訓(xùn)練和任務(wù)的完成。

郭昕等[4]根據(jù)GJB241對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高、低溫起動(dòng)及高原起動(dòng)試驗(yàn)的要求，分析了高、低溫及高原環(huán)境條件對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的影響機(jī)理；李文峰等[5]分析了高原起動(dòng)存在的主要技術(shù)問題，介紹了小型可移動(dòng)式地面試車臺(tái)試驗(yàn)設(shè)備，討論了高原起動(dòng)的試驗(yàn)方法，研究了起動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)調(diào)整規(guī)律以及解決發(fā)動(dòng)機(jī)高原起動(dòng)的途徑；吳利榮等[6]針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)高原起動(dòng)過程中具有危險(xiǎn)性大及變化規(guī)律復(fù)雜的特點(diǎn)，提出了一種變記憶長(zhǎng)度的小波變換多分辨分析方法。國外在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高原起動(dòng)方面對(duì)我國進(jìn)行嚴(yán)格的技術(shù)封鎖。

為了使航空發(fā)動(dòng)機(jī)在高原地區(qū)能安全可靠地起動(dòng)，進(jìn)行了某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高原起動(dòng)技術(shù)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)原理

發(fā)動(dòng)機(jī)地面起動(dòng)是指在起動(dòng)系統(tǒng)控制下，起動(dòng)機(jī)、渦輪按時(shí)序輸出功率，克服消耗功率，使轉(zhuǎn)子由靜止?fàn)顟B(tài)逐步達(dá)到慢車狀態(tài)的過程。

發(fā)動(dòng)機(jī)的地面起動(dòng)通常可分為3個(gè)階段，如圖1所示[7-8]。在開始的第1階段，起動(dòng)機(jī)輸出功率NQ，克服壓氣機(jī)消耗功率，帶動(dòng)高壓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，到達(dá)某一轉(zhuǎn)速或起動(dòng)到某一時(shí)間段，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室開始噴油、點(diǎn)火。在該階段，完全靠渦輪起動(dòng)機(jī)將高壓轉(zhuǎn)子帶動(dòng)到點(diǎn)火轉(zhuǎn)速ndh。第2階段是起動(dòng)機(jī)和渦輪共同輸出功率（NQ＋NW）完成的。起動(dòng)機(jī)輸出的功率逐漸減小，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由ndh上升至ntk，此時(shí)起動(dòng)機(jī)脫開不再輸出功率。在該階段的后半程渦輪輸出功率已大于壓氣機(jī)消耗所需功率，但為了保證起動(dòng)的可靠性及縮短起動(dòng)時(shí)間，起動(dòng)機(jī)將繼續(xù)工作，與渦輪共同將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提升至ntk。第3階段是渦輪單獨(dú)帶轉(zhuǎn)到慢車狀態(tài)的階段。從起動(dòng)機(jī)脫開到轉(zhuǎn)子加速到慢車狀態(tài)，完全靠渦輪輸出功率Nw將轉(zhuǎn)子加速到慢車域[9-10]。

由發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)原理可知，起動(dòng)過程的影響因素實(shí)質(zhì)上就是剩余功率提?。▓D1黑實(shí)線之間部分）的影響因素。在高原起動(dòng)時(shí)，大氣密度和壓力均減小，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流量明顯減少，造成渦輪、起動(dòng)機(jī)輸出功率衰減，導(dǎo)致剩余功率減小，轉(zhuǎn)子的加速度減小，起動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，起動(dòng)溫度升高[11-13]。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能表征量

發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能主要用起動(dòng)時(shí)間tqd（從按下起動(dòng)按鈕到高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)速所經(jīng)歷的時(shí)間）來表征，在規(guī)定范圍內(nèi)tqd越短，起動(dòng)性能越好。

結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，起動(dòng)時(shí)間[14-15]為

式中：J為高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Δp為高壓轉(zhuǎn)子剩余功率。

由式（1）可知，增大輸出功率、減小提取功率，即增大高壓轉(zhuǎn)子剩余功率Δp，從而縮短起動(dòng)時(shí)間，有效改善起動(dòng)性能。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)高原起動(dòng)性能調(diào)整技術(shù)

綜上所述，通過增大輸出功率、減小提取功率即增大起動(dòng)有效功率有助于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。且由于高原空氣密度小，溫差變化大，發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量比平原地區(qū)顯著減少，需要通過優(yōu)化調(diào)整供油釘使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最佳油氣比。為此提出3項(xiàng)措施：增大渦輪起動(dòng)機(jī)輸出功率、卸載液壓、優(yōu)化調(diào)整供油量。

3.1 增大渦輪起動(dòng)機(jī)輸出功率

高原空氣壓力低、密度小，導(dǎo)致燃?xì)鉁u輪起動(dòng)機(jī)功率減小，帶轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的能力降低。本次采用高原試驗(yàn)所使用的起動(dòng)機(jī)出廠功率均處于技術(shù)要求范圍的下限，在此狀態(tài)下進(jìn)行高原起動(dòng)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，超溫風(fēng)險(xiǎn)加大。

通過起動(dòng)機(jī)調(diào)整釘A可以調(diào)整起動(dòng)機(jī)最大供油量，從而增大起動(dòng)機(jī)功率。通過起動(dòng)機(jī)調(diào)整釘B可以調(diào)整起動(dòng)機(jī)最大限制轉(zhuǎn)速，當(dāng)A釘不起作用時(shí)，可調(diào)整B釘來增大起動(dòng)機(jī)功率。試驗(yàn)表明：通過提高起動(dòng)機(jī)最大供油量和最高轉(zhuǎn)速，可保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)。起動(dòng)機(jī)功率調(diào)整前、后發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)曲線如圖2所示。圖中曲線僅表示各參數(shù)的變化趨勢(shì)，具體數(shù)值需結(jié)合飛參判讀，發(fā)動(dòng)機(jī)在相對(duì)時(shí)間7時(shí)脫開（圖3～9與此相同）。

圖2 起動(dòng)機(jī)功率調(diào)整前、后發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)曲線

從圖2中可見，起動(dòng)機(jī)功率調(diào)整前，發(fā)動(dòng)機(jī)脫開轉(zhuǎn)速較低，相對(duì)起動(dòng)時(shí)間為11；起動(dòng)機(jī)功率調(diào)整后，發(fā)動(dòng)機(jī)脫開轉(zhuǎn)速有所提高，相對(duì)起動(dòng)時(shí)間為8。結(jié)合飛參具體數(shù)據(jù)，與調(diào)整前相比，脫開轉(zhuǎn)速提高20%左右，起動(dòng)時(shí)間縮短27%左右。

3.2 卸載液壓

在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，通過接通液壓泵上的卸壓電磁閥門使其供油壓力降低，從而減輕起動(dòng)過程液壓負(fù)載的作用。待發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功后斷開液壓泵上卸壓電磁閥門的電源，恢復(fù)液壓泵供油壓力，保證飛機(jī)液壓控制系統(tǒng)正常使用。采用該方案，可以在不影響液壓系統(tǒng)正常工作的前提下減小起動(dòng)過程中的提取功率，從而增大剩余功率。液壓卸載前、后起動(dòng)曲線如圖3所示。

圖3 液壓卸載前、后發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)曲線

圖4 調(diào)整釘a調(diào)整前、后發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)曲線

從圖4中可見，調(diào)整釘a調(diào)整前，起動(dòng)前段富油，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前段時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度已達(dá)到極限值，超溫使起動(dòng)失??；將調(diào)整釘a往外擰減油后，起動(dòng)成功。

圖5 調(diào)整釘b、c調(diào)整前、后發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)曲線

從圖3中可見，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，液壓卸載前，發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子脫開后，上升緩慢，在起動(dòng)后段處轉(zhuǎn)速懸掛不上升，起動(dòng)失?。灰簤盒遁d后，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速按規(guī)定持續(xù)升高，起動(dòng)成功。

3.3 優(yōu)化調(diào)整供油量

高原氣壓低、空氣稀薄，從油氣比合適的角度考慮，應(yīng)適當(dāng)減少起動(dòng)供油。發(fā)動(dòng)機(jī)使用的燃?xì)鉁u輪型起動(dòng)機(jī)在高原條件下會(huì)有一定的功率減小，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)加速能力減弱，使點(diǎn)火轉(zhuǎn)速降低，為此，應(yīng)減少起動(dòng)前段油量，避免前段富油，導(dǎo)致溫度升高過快。同時(shí)，由于高原氣流量小，起動(dòng)機(jī)脫開后，如果起動(dòng)供油量調(diào)整不合適，將嚴(yán)重影響燃燒室混合氣的余氣系數(shù)和起動(dòng)時(shí)渦輪前燃?xì)鉁囟龋瑢?dǎo)致起動(dòng)時(shí)間偏長(zhǎng)甚至懸掛。供油量調(diào)整釘a主要影響起動(dòng)前段供油，往外擰可減小供油量；調(diào)整釘b、c優(yōu)化起動(dòng)后段供油，可按起動(dòng)機(jī)脫開時(shí)刻至慢車時(shí)間判斷，如該段時(shí)間較長(zhǎng)，調(diào)整釘應(yīng)適當(dāng)往里擰；反之則適當(dāng)往外擰，避免起動(dòng)后段失速。調(diào)整釘a調(diào)整前、后起動(dòng)曲線如圖4所示；調(diào)整釘b、c調(diào)整前、后起動(dòng)曲線如圖5所示。

從圖5中可見，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，調(diào)整釘b、c調(diào)整前，發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子脫開后，轉(zhuǎn)速升高緩慢，在起動(dòng)后段處轉(zhuǎn)速懸掛不升高，起動(dòng)失敗；調(diào)整釘b、c調(diào)整后，增加了后段供油量，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速按規(guī)定持續(xù)升高，起動(dòng)成功。

4 結(jié)束語

航空發(fā)動(dòng)機(jī)高原起動(dòng)成功率是檢驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要指標(biāo)，對(duì)于保障用戶日常訓(xùn)練和任務(wù)完成具有重要意義。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)在高原地區(qū)的起動(dòng)成功，拓寬發(fā)動(dòng)機(jī)的使用環(huán)境，本文分析了發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程的各個(gè)階段，剖析出剩余功率減小是高原起動(dòng)失敗的主要原因，提出了提高渦輪起動(dòng)機(jī)輸出功率、液壓卸載、優(yōu)化調(diào)整供油量等3項(xiàng)調(diào)整措施。經(jīng)外場(chǎng)起動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功率提升30%，提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用疆域。文中論述的改善發(fā)動(dòng)機(jī)高原地面起動(dòng)性能的方法，對(duì)于確保發(fā)動(dòng)機(jī)在高海拔地區(qū)的正常使用具有重要意義。