任丁丁，張 浩，翟亞浩

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 發(fā)動(dòng)機(jī)所，陜西 西安 710089)

1 引 言

啟動(dòng)過程是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要工作階段之一，其性能好壞決定了發(fā)動(dòng)機(jī)能否在各種環(huán)境條件下順利運(yùn)轉(zhuǎn)。啟動(dòng)過程通常分為地面啟動(dòng)和空中啟動(dòng)。地面啟動(dòng)是指發(fā)動(dòng)機(jī)在地面從靜止的停車狀態(tài)加速到慢車狀態(tài)的過程[1]。高原啟動(dòng)試驗(yàn)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)定型階段的重要考核內(nèi)容之一，其啟動(dòng)性能反映了發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)高原壓力環(huán)境的啟動(dòng)適應(yīng)能力[2]，不僅是發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性檢查的重要組成部分，也是進(jìn)行后續(xù)空中啟動(dòng)等風(fēng)險(xiǎn)科目試飛的基礎(chǔ)。

可靠、快速的啟動(dòng)能力是航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的重要特性之一[3]。GJB 243A-2004《航空燃?xì)鉁u輪動(dòng)力裝置飛行試驗(yàn)要求》中，也要求航空發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)包線內(nèi)可靠啟動(dòng)，并且啟動(dòng)過程中沒有出現(xiàn)超轉(zhuǎn)、超溫、振動(dòng)超限、喘振等異?，F(xiàn)象[1]。

本文通過對(duì)某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)高原啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速懸掛現(xiàn)象進(jìn)行分析，給出了轉(zhuǎn)速懸掛的原因，為出現(xiàn)同類問題的分析及該型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考。

2 某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速熱懸掛現(xiàn)象

某型直升機(jī)用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的地面啟動(dòng)需要啟動(dòng)電機(jī)進(jìn)行帶轉(zhuǎn)，待發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到脫開轉(zhuǎn)速或啟動(dòng)電機(jī)達(dá)到帶轉(zhuǎn)時(shí)間限制后，啟動(dòng)電機(jī)脫開，發(fā)動(dòng)機(jī)依靠渦輪剩余功率繼續(xù)加速轉(zhuǎn)子達(dá)到慢車轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)完成。

某型直升機(jī)用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行高原啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速熱懸掛現(xiàn)象。采用蓄電池供電，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)啟動(dòng)，啟動(dòng)過程中，燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速上升較慢，啟動(dòng)30s后，啟動(dòng)電機(jī)并網(wǎng)成功，隨后發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速停留在45%左右，無法繼續(xù)上升，燃?xì)鉁u輪出口溫度T45先后4次超過800℃的限制，如表1所示。

表1 啟動(dòng)過程中T45超過800℃限制情況

3 熱懸掛原因分析

對(duì)比此次熱懸掛和一典型正常啟動(dòng)成功過程的點(diǎn)火時(shí)間(從點(diǎn)火繼電器打開到T45開始出現(xiàn)明顯的上升，3次蓄電池冷啟動(dòng)成功的點(diǎn)火時(shí)間分別為2.63s、3.25s、3.25s)，如圖1所示(橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)從下到上依次為燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速、燃?xì)鉁u輪出口溫度、點(diǎn)火繼電器狀態(tài)信號(hào)(開關(guān)量))，此次熱懸掛的點(diǎn)火時(shí)間為5.56s，而正常啟動(dòng)過程點(diǎn)火時(shí)間僅為3.25s。點(diǎn)火延遲的可能原因有：環(huán)境溫度低，導(dǎo)致燃油的黏度較大，且大氣壓力低，燃油霧化質(zhì)量差；所需點(diǎn)火能量增大；燃燒室散熱率大；燃燒效率低。點(diǎn)火時(shí)間的延遲可能會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)速的上升產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的實(shí)際上升時(shí)間減少，從而使得啟動(dòng)30s后Ng未達(dá)到50%。根據(jù)啟動(dòng)過程的控制邏輯，此時(shí)啟動(dòng)電機(jī)由啟動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)，為后續(xù)的熱懸掛留下隱患。

圖1 熱懸掛啟動(dòng)過程的點(diǎn)火時(shí)間

此次啟動(dòng)過程中典型參數(shù)的時(shí)間歷程曲線如圖2所示，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)從下往上分別為燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速(Ng)、燃?xì)鉁u輪出口溫度(T45)、壓氣機(jī)出口壓力(P3)、燃油流量(Wf)、燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速變化率(NgDot)、油氣比(Wf/P3)、點(diǎn)火繼電器狀態(tài)信號(hào)(GSDHJ)、啟動(dòng)電機(jī)狀態(tài)信號(hào)(GSQDDJ)、啟動(dòng)電磁閥狀態(tài)信號(hào)(GSQDF)、蓄電池電流(IXU)、啟動(dòng)發(fā)電機(jī)電流(IQF)。

t0時(shí)刻：飛行員將發(fā)動(dòng)機(jī)控制開關(guān)撥至“地慢”位，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)的控制邏輯，點(diǎn)火繼電器打開、啟動(dòng)電機(jī)打開、啟動(dòng)電磁閥打開，蓄電池開始供電。

t1時(shí)刻：Ng到達(dá)9%，開始供油，且燃油流量固定。

t2時(shí)刻：Ng超過15%，供油規(guī)律由固定供油變?yōu)榘凑杖細(xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速供油。

t3時(shí)刻：點(diǎn)火繼電器、啟動(dòng)電磁閥工作時(shí)間達(dá)到25s，根據(jù)正常啟動(dòng)的控制邏輯，斷開點(diǎn)火繼電器、啟動(dòng)電磁閥。

t4時(shí)刻：?jiǎn)?dòng)電機(jī)工作時(shí)間達(dá)到30s，根據(jù)正常的啟動(dòng)邏輯，啟動(dòng)電機(jī)由啟動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)，隨后啟動(dòng)電機(jī)并網(wǎng)成功(啟動(dòng)發(fā)電機(jī)電流突然增大)，蓄電池開始充電，相當(dāng)于提供了一個(gè)很大的負(fù)載，導(dǎo)致Ng無法繼續(xù)上升(剛開始并網(wǎng)時(shí)由于負(fù)載提取的功率很大，Ng有所下降)。此時(shí)供油規(guī)律為Ng加速度閉環(huán)控制，Ng的實(shí)際變化率小于給定變化率。要保證Ng的實(shí)際增長(zhǎng)率達(dá)到控制規(guī)律所給定的變化率，開始增加燃油流量。

t5時(shí)刻：隨著燃油流量的增加，轉(zhuǎn)速的變化需要響應(yīng)時(shí)間，且由于負(fù)載依然比較大，Ng沒有很大的變化，P3變化也不大，所以油氣比會(huì)增大，從而在t5時(shí)刻達(dá)到啟動(dòng)過程中的油氣比限制值，燃油流量被限制在一接近穩(wěn)定的值，隨著P3的變化而有所變化。

t6時(shí)刻：隨著燃油流量的增加，T45持續(xù)增加，在t6時(shí)刻，T45超過800℃，觸發(fā)了T45超溫限制邏輯，開始切油(以較大的速率減小燃油流量)。

t7時(shí)刻：從t6時(shí)刻燃油流量減小，到t7時(shí)刻，燃油流量受到加速度閉環(huán)段最小燃油流量的限制，穩(wěn)定在一固定值。隨后，T45開始下降，直至其低于800℃，而此時(shí)Ng實(shí)際變化率依然小于給定變化率，因此又會(huì)增加燃油流量，而后達(dá)到油氣比限制，再達(dá)到T45超溫限制，切油，重復(fù)以上控制過程。

圖2 啟動(dòng)過程中典型參數(shù)的時(shí)間歷程曲線

為進(jìn)一步分析并網(wǎng)成功對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的影響，將本次啟動(dòng)熱懸掛與另一次成功啟動(dòng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示，參數(shù)含義與圖2一致。兩次啟動(dòng)均為在同一試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行的蓄電池啟動(dòng)，環(huán)境溫度接近(熱懸掛4.2℃，啟動(dòng)成功4.3℃)，氣壓高度接近(熱懸掛4458m，啟動(dòng)成功4475m)。從圖中可以看到，兩次啟動(dòng)過程中，熱懸掛的點(diǎn)火延遲時(shí)間更長(zhǎng)(熱懸掛5.56s，啟動(dòng)成功3.25s)，且兩次均為啟動(dòng)電機(jī)帶轉(zhuǎn)時(shí)間達(dá)到30s后脫開，此時(shí)Ng為：熱懸掛45.44%，啟動(dòng)成功45.78%。可見，點(diǎn)火時(shí)間延遲的差別對(duì)于轉(zhuǎn)速的上升有一定影響。而后，啟動(dòng)電機(jī)由啟動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)，蓄電池充電電流分別為：熱懸掛65A，啟動(dòng)成功40A并很快衰減，啟動(dòng)電機(jī)不再對(duì)蓄電池充電，此時(shí)的啟動(dòng)發(fā)電機(jī)電流分別為：熱懸掛156.9A，而啟動(dòng)成功為72A，并在約0.4s后降為0A，這是由于此時(shí)啟動(dòng)電機(jī)出現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)，斷開發(fā)電機(jī)接觸器，斷開發(fā)電機(jī)勵(lì)磁，并網(wǎng)失敗。可見，并網(wǎng)失敗時(shí)，由于蓄

電池不需要從燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子提取很大的功率，按照既定供油規(guī)律供油，燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速可以正常上升，直至啟動(dòng)成功。而并網(wǎng)成功時(shí)，蓄電池及機(jī)載設(shè)備需提取很大的功率，導(dǎo)致燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速無法正常上升，出現(xiàn)熱懸掛現(xiàn)象。

圖3 熱懸掛和成功啟動(dòng)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比

4 結(jié) 論

本文對(duì)某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行高原啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速懸掛現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)分析，分析了出現(xiàn)轉(zhuǎn)速懸掛的原因是采用蓄電池供電，在高高原條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)的能力與啟動(dòng)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電所產(chǎn)生的功率負(fù)載不匹配，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)失敗。通過前后兩次啟動(dòng)的數(shù)據(jù)對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證了該原因，本文的結(jié)論可為出現(xiàn)同類問題的分析及該型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考。