某型渦軸發動機地面低溫起動技術研究

張 媛 ，苗禾狀

（中國飛行試驗研究院，西安 710089）

某型渦軸發動機地面低溫起動技術研究

張 媛 ，苗禾狀

（中國飛行試驗研究院，西安 710089）

分別從不加溫直接起動、數控系統控制規律更改、加溫后起動等各方面對某型全數控渦軸發動機在高寒機場的地面低溫起動試驗進行分析研究，最終總結出該型發動機的地面低溫起動規律。結果表明：延長起動機帶轉時間，并對發動機進行適時加溫，可使發動機低溫起動成功。

低溫起動；起動機；渦軸發動機；數控系統；加溫

0 引言

起動過程是航空發動機的重要工作階段，直接關系到發動機工作的可靠性和安全性。為了驗證發動機在各種環境下，特別是在低溫條件下的地面起動性能，需要對發動機進行低溫起動試驗。在試驗時，在低溫條件下發動機滑油黏度增大，且流動性差，使發動機潤滑不良和起動困難。在一般情況下，隨著外界氣溫下降到-15℃以下時，發動機滑油黏度逐漸增大，加之摩擦偶間隙值的改變，使發動機在起動過程中轉子旋轉阻力增加，軸承組件和滑油系統工作失常，從而使發動機起動困難，甚至造成起動失敗[1]。

本文通過某型渦軸發動機低溫起動試驗，分析和探索了發動機在低溫條件下成功起動的有效方法和保證措施。

1 試驗概況

發動機地面低溫起動試驗需要在自然環境下進行，因此選擇高寒機場。高寒機場最低氣溫可達-35℃以下，在這種條件下，滑油流動性變差，阻力增加，同時發動機在起動后需要帶動旋翼及尾槳，因此起動存在一定困難。本試驗是首次進行全數控型渦軸發動機的低溫起動試驗，沒有經驗可循。根據其他發動機的試驗經驗，在起動前，必須對發動機的主要部件進行加溫。根據該型發動機的特點，決定對發動機滑油箱和主減速器滑油箱進行重點加溫。此時，將滑油和主減滑油加溫到什么程度，既能滿足起動和運轉的安全性，又不會因為加溫時間過長而影響飛機的機動性能，這是試驗面臨的首要問題；同時，還要研究發動機在不太低的環境溫度下不需加溫而直接起動的措施。

為此，首先在-25℃左右的環境溫度下進行不加溫起動試驗。如果試驗成功，則可以在更低溫度下繼續進行不加溫起動試驗；如果失敗，則根據試驗數據對控制規律進行更改，可以選擇對發動機及主減滑油進行加溫的方法再進行試驗，加溫時間根據試驗情況而定。

2 試驗過程及分析

2.1 不加溫直接起動

由于該型發動機未進行過低溫起動試驗，因此，在不確定其低溫起動能力的情況下，先進行不加溫時起動試驗摸底。試驗時的環境溫度為-28.5℃，起動過程的主要參數變化如圖1所示。圖中豎線1表示起動機斷開，豎線2表示斷油停車。在-28.5℃的環境條件下，不加溫滑油溫度起動前接近于環境溫度，而在此環境溫度下起動時，發動機轉速變化緩慢，從圖中可見，從起動開始至起動機斷開時，發動機轉速還比較低；起動機斷開后，發動機轉速開始下降，下降一段時間后，執行斷油停車。

隨后，在-21℃的環境溫度下，再次進行不加溫直接起動，發動機起動過程主要參數變化如圖2所示。從圖中可見，發動機轉速變化仍然比較緩慢，在起動開始至起動機斷開時，發動機轉速仍然較低，轉速變化明顯慢于常溫條件下的起動；起動機斷開后轉速緩慢升高，直至起動成功。

經過多次不加溫起動試驗發現，在大氣溫度為-20℃以上時，可以不加溫直接起動，在大氣環境溫度為-20℃以下時，則不能保證起動成功率為100%，特別是在更低溫度下，不加溫就不能成功起動。

2.2 控制軟件更改

發動機起動過程包括冷轉動狀態和加速轉動狀態，通常需要3個階段。第1階段為冷轉動狀態，燃燒室沒有點火，由起動機帶動轉子加速；第2階段，燃燒室燃油點燃，渦輪開始作功，和起動機一起帶動轉子加速；第3階段，起動機停止工作，渦輪功足夠大，能夠單獨帶動轉子加速，直到慢車狀態[2]。

對于該全數控型發動機來說，數控系統通過控制起動機帶轉時間和起動過程供油來控制發動機起動，從而實現發動機自動化起動。根據數控系統軟件的設計，在起動機帶轉至一定時間，或者發動機轉速到達一定值時，起動機斷開[3]。根據試驗結果分析，在低溫條件下，發動機轉速變化緩慢，通常是起動機帶轉時間到達限制值時，發動機的轉速還比較低。因此，在起動機斷開后，轉速降低，導致起動失敗。

為了增強發動機低溫起動能力，提高起動成功率，在燃氣渦輪后溫度還有較大余量的情況下，在起動過程起動機帶轉階段增加供油量[4]，以及延長起動機帶轉時間等2項措施，以期在更低溫度下不需加溫即可直接起動發動機。

控制軟件更改后，在-23.3℃下進行了不加溫起動試驗，結果起動失敗。在相同環境溫度下，控制軟件更改前、后發動機不加溫起動失敗過程，其轉速和渦輪后溫度的變化如圖3所示。2次起動失敗均是在起動機斷開后，轉速開始降低，執行斷油停車。圖中虛線為起動供油量增加和起動機帶轉時間延長后的參數。從圖中可見，在起動機斷開前10、增加起動供油量的情況下，發動機轉速變化仍然比較緩慢，雖然起動機帶轉時間延長了，但在起動機斷開后轉速僅有33%，仍然不足以使發動機自動加速至慢車狀態。而且在供油量增加、起動機斷開后，由于第2油路充油較多，導致轉速降低，同時渦輪后溫度卻開始上升，比供油量增加前的最大值高出130℃左右。由此可見，增加供油量并沒有使起動過程的轉速明顯升高，反而使渦輪后溫度有了較大升高，也使以后的常溫起動過程有超溫的可能。

2.3 加溫條件下起動

從前期的試驗結果可知，在-20℃以下的低溫條件下，如果發動機不加溫，就不能保證起動成功，而通過更改起動控制軟件，尤其是通過增加起動供油量，在低溫條件下發動機不通過加溫也不能直接起動，還可能造成常溫條件下起動超溫。因此，取消增加起動供油量的措施，而保留延長起動機帶轉時間的措施，在加溫條件下進行試驗。

在-31℃下，采取不同的加溫時間進行發動機起動比較，如圖4所示。圖中虛線為起動機帶轉時間延長，且加溫時間較長的參數變化；實線為加溫時間較短，且起動失敗的參數變化。

從圖4中可見，在發動機起動過程中，隨著加溫時間的延長，發動機轉速變化率增加，起動機斷開點從時間限制點變為轉速到達點，起動成功率也明顯提高。

在大氣環境溫度為-35.2℃下，分別選擇加溫時間為15和20min進行起動試驗，發動機起動均成功。隨后，又在大氣環境溫度為-35～-20℃下進行了20余次加溫起動試驗，加溫時間根據不同的環境溫度而定，發動機起動均成功。至此，經過大量試驗，總結出不同環境溫度下最適合的加溫時間。在加溫起動時，可用出口溫度為70℃左右的加溫管對發動機滑油箱、燃滑油散熱器等部位進行加溫，具體加溫時間見表1。

表1 不同環境溫度下發動機起動時的加溫時間

4 結論

（1）在環境溫度為-20℃以上時，發動機具有自主起動能力。但由于受到起動時間、發動機及其滑油的物理特性等限制，在環境溫度為-20℃以下時，必須采取加溫措施，才能保證發動機起動成功。

（2）在起動機功率尚有余量的情況下，可以采取延長起動機帶轉時間的措施，提高發動機起動成功率[3]。

（3）在環境溫度為-20℃以下時，加溫起動時間適情而定，溫度越低，加溫時間越長，但最長不超過20min。

[1]張寶誠.航空發動機試驗和測試技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005：195-198.

[2]鄭緒生，張天宏,丁毅，等.某型渦軸發動機起動建模技術研究[C]//中國航空學會第十二屆發動機自動控制學術會議論文集.北京：中國航空學會，2004：305-310.

[3]蔡建斌，成本林,劉杰，等.起動電機特性對燃氣渦輪軸發動機起動性能的影響[C]//中國航空學會青年科技論壇文集.北京：中國航空學會，2005：306-310.

[4]李樹人.航空燃氣渦輪發動機工作特性試驗分析[M].西安：飛行試驗研究院，2008：220-225.

Investigation on Ground-Start of a Turboshaft Engine in Low Temperature

ZHANG Yuan,MIAO He-zhuang
（Chinese Flight Test Establishment,Xi'an 710089,China）

The ground-start of turboshaft with full authority digital electric control system（FADEC）in low temperature test was analyzed on aspects of immediate start with no calefaction,FADEC controlling law updatinog,and start after heat up.The engine ground-start law in low temperature was summarized.The results indicate that prolonging the work time of starter and proper heating up on the engine will achieve the engine starting in low temperature.

start in low temperature;starter;turboshaft engine;FADEC;heat up

張媛（1982），女，工程師，從事航空動力裝置飛行試驗研究工作。