渦扇發動機地面起動供油邊界探索

錢興良，茍學中，周人治

(中國航發四川燃氣渦輪研究院，成都610500)

渦扇發動機地面起動供油邊界探索

錢興良，茍學中，周人治

(中國航發四川燃氣渦輪研究院，成都610500)

渦扇發動機在起動性能調試試驗中屢屢出現失速導致起動失敗，反復調試仍難以實現起動成功至慢車狀態。為此，開展了發動機起動供油邊界探索方法的研究，探索出發動機起動供油邊界，作為起動供油規律調整的參考范圍。隨后進行了起動供油邊界探索試驗，獲得了發動機起動供油邊界，并依據該邊界進行起動調試，成功實現了發動機起動至慢車狀態。該方法為起動性能調試提供了依據，降低了起動調試的盲目性和風險，減少了起動調試次數，使發動機能夠較快實現慢車運轉。

航空發動機；地面起動；起動調試；起動供油邊界；供油規律；失速

1 引言

航空燃氣渦輪發動機起動是一個復雜的非線性過程，影響因素眾多，包括起動動力裝置、發動機流道參數、發動機轉子慣性、部件特性、燃調系統、控制系統、發動機冷熱態等[1]。雖然近年來國內外在起動性能數值仿真方面開展了大量的工作，也取得了較好的研究成果[2-5]，但還是很難通過數值仿真獲取起動供油邊界。這是由于起動供油邊界不僅受到壓縮部件喘振邊界、渦輪溫度邊界、起動機功率等限制，同時還受到環境條件等多因素的影響。因此，發動機在進行起動試驗時，往往會由于起動供油邊界未知，造成起動性能調試盲目性大，出現點火失敗、超溫、懸掛、失速[6]等問題，需要多次調整才能獲得較理想的起動性能，從而導致調試次數多、試驗周期長、成本高等問題。若發動機真實的起動供油邊界較寬，對起動供油量變化范圍具有較高的容忍能力，發動機能較快地起動成功；但若起動供油邊界窄，通過常規的調試手段如起動供油規律調整、導葉角度調整等，很難將發動機成功起動至慢車狀態。因此，起動供油邊界摸索對于發動機起動性能調試具有重要的指導作用。

某型渦扇發動機首次在地面臺上完成點火性能調試后，準備進行起動性能調試，以實現發動機達到慢車狀態。但在起動過程中屢屢出現失速、懸掛等問題，且通過一系列調整措施后仍未解決。為此，本文分析了該發動機起動問題的原因，為了探尋可行有效的措施進行了起動供油邊界探索試驗，獲得了發動機實際起動供油邊界，可為起動性能調試和避免出現起動失速、懸掛等問題提供指導。

2 發動機簡介

該型發動機為雙轉子混合排氣帶加力渦扇發動機，壓氣機導葉0、1、2無級聯動可調，可調收擴尾噴管，無放氣機構。起動系統采用空氣渦輪起動機作為臺架試驗的起動動力，起動機安裝在發動機附件機匣上，臺架氣源常溫進氣。起動供油規律采用WFB=f(N2r,T2)p3(WFB為給定起動供油流量，N2r為換算轉速，T2為進口總溫，p3為壓氣機出口總壓)，供油規律及可調起動特征參數、起動邏輯等在全權限數控系統中實現。

3 起動失敗情況

圖1、圖2示出了發動機臺架起動性能前三次調試試驗中起動失速時典型的轉速和壓氣機出口壓力曲線。由圖可知，p3急劇下降，對應轉速也下降，發生了明顯的起動失速現象，此時發生的失速處于低轉速階段。第1次起動發生失速后，進行了起動供油規律調整，但后續兩次起動情況仍然類似，且起動供油規律越高，起動失速越早。其原因是壓氣機進入了不穩定工作狀態，而這是由于起動供油規律偏高所致。

圖1 起動失速的前三次起動的N2r曲線Fig.1 N2rcurves of the former three starts

將起動機進氣壓力調整到上限值(起動機最大輸出功率)后，繼續采取降低起動供油規律的措施多次調整，其部分試驗結果見圖3。由圖可知，降低起動供油規律時雖然避免了失速，但又出現了冷懸掛現象導致起動失敗。其原因是發動機剩余功率不足，而這是由于起動供油規律偏低所致。

圖2 起動失速的前三次起動p3曲線Fig.2 p3curves of the former three starts

圖3 冷懸掛Fig.3 Cold hang-up

隨后，又采用調整壓氣機導葉角度的措施，試驗結果見圖4。圖中，α2為預先設計的導葉角度，α1(機械極限最小位置)為導葉角度在α2基礎上關閉后的角度，α3為導葉角度在α2基礎上打開后的角度。從圖中可知，導葉角度關閉起動失速轉速提高，導葉角度打開起動失速提前，更不利于起動。由此看出，在壓氣機低轉速特性下改變導葉角度，對解決起動失速的作用有限。

圖4 壓氣機導葉角度調整對失速轉速的影響對比Fig.4 The effects of guide vane angle adjustment on the stall speed

通過多次調整起動供油規律及其他可調措施，發動機仍未成功起動。為此，需從系統方法入手進行原因分析，尋找解決辦法。

4 原因分析及解決措施

該發動機為新研發動機，在臺架進行起動性能調試時，第1次起動采用的地面起動供油規律為設計階段的計算結果。但因計算時采用的部件低轉速特性為計算的部件特性(與發動機整機狀態真實的部件特性有差異)，加之起動動態模型偏差，造成起動計算結果存在較大偏差，導致給定的起動供油規律與發動機實際特性不匹配。且發動機能否實現較為理想的起動性能影響因素眾多，需要系統性優化或完善部件低轉速特性才能實現。

由于該發動機本體硬件已確定、部件性能不能改變，導葉調整效果有限且導葉角度也達到極限，起動機進氣壓力也達到允許上限，因此起動性能調整只能局限于起動供油規律調整。試驗中，采用與過去相同的起動性能調試經驗和方法，發動機均表現出異常。且將供油規律調整量減小到5%～10%時，無論調高或調低，都難以起動成功，總是出現失速或加速不足兩種情況。若發動機起動冷熱邊界寬，即使供油調整量大發動機也可容忍，至多出現起動性能參數變化，但能起動成功。因此，發動機起動失敗的根本原因是發動機自身起動冷熱邊界窄，且不清楚發動機起動冷熱邊界范圍量值，調試盲目性大，很難準確掌握發動機匹配的起動供油調整量。如果調整量大，則提高起動供油規律時可能超出起動供油上邊界(相應于發動機熱邊界)，而降低起動供油規律時則可能低于起動供油下邊界(相應于發動機冷邊界)。但供油調整量又不能太小，因為多個因素如控制精度、燃調特性偏差、低轉速測試誤差大等，都會影響實際燃油流量。當供油規律調整量很小時，實際燃油流量變化量可能被上述因素掩蓋，與給定供油規律調整量不一致，起動性能的變化不能準確反映供油變化。而且供油調整量過小，也會帶來調試次數的增加和試驗成本的提高。

為調整出與發動機匹配的起動供油規律，需準確掌握發動機起動供油上下邊界，再在該邊界范圍內匹配可調參數和優化起動供油規律，以便快速準確地獲得滿意的起動性能。

5 起動供油邊界探索

5.1 探索方法

發動機起動性能受兩方面因素制約：一是要獲得滿足要求的起動時間，即加速性好。這就需要盡可能提高起動供油量，提高渦輪前溫度，但不得超過限制值，以獲取較高的剩余功率。二是要保證發動機不超溫、不失速、不喘振。這就需要盡可能降低起動供油規律，避免渦輪后溫度太高或壓氣機工作不穩定。針對上述兩個制約因素，要求起動供油規律不能太高或太低，應限制供油規律的上下邊界。對于該發動機，限制發動機起動熱邊界的因素主要為壓氣機喘振邊界，熱邊界在起動發生失速附近；限制冷邊界的因素主要是轉速上升率極低，不考慮起動時間指標要求，以實現起動成功作為判斷基準。

為獲得該發動機起動供油邊界，在保證可靠點火的供油前提下，采用較低的起動供油規律進行起動冷邊界探索。因為供油量從保守開始，所以會出現冷懸掛，在探索試驗中不作問題處理。起動供油下邊界應保證點火性能不能太差，同時起動成功并且加速性較低。采用較高起動供油規律進行起動熱邊界探索：若發動機在某一規律下能夠起動成功且不超溫，再進一步增加較小供油量會發生失速或超溫，則這條供油規律就可作為起動供油下邊界。

5.2 探索試驗

冷邊界探索試驗結果見圖5～圖8，圖中T5為低壓渦輪出口燃氣溫度。如圖5所示，探索發動機起動冷邊界時按4組起動供油規律進行了4次試驗。因試驗目的是尋找冷邊界，起動供油規律開始給定時按照較高的余氣系數考慮，因此起動加速性較差，較早就出現了冷懸掛，如圖6所示。圖中曲線④對應的起動，發動機在起動機脫開前轉速一直緩慢增加，起動機脫開后到達慢車，但起動時間很長，表明非常接近冷懸掛邊界。

圖5 冷邊界試驗的起動供油規律Fig.5 Start fuel control laws for cold boundary test

圖6 冷邊界試驗的起動N2r曲線Fig.6 N2rcurves of start in cold boundary test

圖7 冷邊界試驗的起動 p3曲線Fig.7 p3curves of start in cold boundary tes

圖8 冷邊界試驗的起動T5曲線Fig.8 T5curves of start in cold boundary test

熱邊界探索試驗結果見圖9～圖12。如圖9所示，考慮到發動機受失速的限制且熱邊界試驗風險高，在摸索發動機起動熱邊界時供油調整步長控制得較小，擬定了4組起動供油規律進行了4次試驗，試驗仍然由較低供油規律向高依次進行。曲線①對應的起動成功但起動時間較長，曲線②和曲線③對應的起動時間滿足要求，曲線④對應起動出現失速后發生熱懸掛停車。前3次起動發動機都達到慢車狀態。

圖9 熱邊界試驗的起動供油規律Fig.9 Star fuel control laws for hot boundary test

圖10 熱邊界試驗的起動N2r曲線Fig.10 N2rcurves of start in hot boundary test

圖11 熱邊界試驗的起動 p3曲線Fig.11 p3curves of start in hot boundary test

5.3 起動供油邊界的確定

圖12 熱邊界試驗的起動T5曲線Fig.12T5curves of start in hot boundary test

冷邊界探索試驗中，圖6曲線①起動懸掛轉速很低，是深度冷懸掛現象，雖然降低起動供油規律后脈動有明顯改善。但從溫度曲線可知，該次起動和曲線②起動的點火性能很差，點燃時間延遲約5 s，且點燃后溫度上升緩慢。因此，在確定冷懸掛邊界時應同時考慮點火性能。曲線③最終雖然達到了較高的轉速，但也發生了冷懸掛現象。曲線④起動達到慢車，在脫開前一直具有一定的加速度，但起動時間長。綜上分析，曲線④對應起動的供油規律下發動機既不發生冷懸掛，加速度也較低，能夠起動成功，又能保證較好的點火性能，因此將此條起動供油規律確定為發動機的起動供油下邊界。

熱邊界探索試驗中，4次試驗起動成功3次。第3次起動成功后，升高起動供油規律后的第4次起動發生了失速，表明該次起動出現了熱懸掛，則第3次起動供油規律可作為該發動機起動供油上邊界。此外，從圖9～圖12還可看出，正常起動與發生失速的幾次起動之間的供油量、溫度、壓力差異不大，表明該發動機起動供油上邊界范圍較小，且失速前的特征表現不明顯。

綜上分析，該發動機起動供油邊界如圖13所示：65%附近最寬的帶寬約為22%(上下邊界之間的帶寬)，50%附近邊界較窄約為13%，點火階段供油帶寬更窄約為10%。

圖13 評估的給定起動供油邊界Fig.13 Estimated start boundary of fuel control

5.4 起動供油規律優化及驗證

從試驗結果確定的起動供油邊界可看出，該發動機起動供油帶寬相對更窄。發動機燃油供給還會受燃調特性(控制系統的不確定度)、測量系統的測量誤差等的綜合影響，實際適于起動供油規律調整的邊界將變得更窄，實測燃油流量Wf可能在某些起動中局部看不出差異，曲線甚至重合，如圖14、圖15所示，但燃油流量和副油路燃油壓力 pf總體趨勢可反映帶寬特性。實際調試中，起動供油帶寬窄的發動機，更容易發生冷懸掛或熱懸掛現象。

圖14 實測燃油流量對比曲線Fig.14 Fuel flux curves in test

圖15 副油路壓力對比曲線Fig.15 Fuel pressure curves for auxiliary fuel pipe

根據探索出的邊界，對發動機起動性能進行了調試優化驗證，結果如圖16～圖19所示。在起動供油邊界基礎上，對發動機起動供油規律進行初步優化。點火階段供油規律考慮充填和點火特性進行優化調整，起動加速階段以達到起動指標為目標進行起動加速供油規律優化調整。從優化結果看，起動成功的供油規律在獲得的起動供油邊界內，兩次起動皆未出現失速。試驗結果驗證了起動供油邊界正確且邊界窄，需在該邊界范圍內精確控制燃油流量才能起動成功。該發動機起動供油邊界主要由壓氣機不穩定工作邊界決定，窄的起動供油邊界也表明壓氣機低轉速喘振邊界相應較窄。

圖16 成功起動的供油規律與起動邊界對比Fig.16 Fuel control laws of successful starting vs.start boundary

圖17 成功起動的N2r曲線Fig.17 N2rcurves of successful start

圖18 成功起動的p3曲線Fig.18 p3curves of successful start

6 結論

圖19 成功起動的T5曲線Fig.19T5curves of successful start

針對某發動機在起動性能調試試驗中屢屢起動失敗，采取多方面可調措施仍出現失速或冷懸掛的問題，以及為了該發動機后續高轉速調試，提出了開展發動機起動性能調試方法的研究，再進行發動機起動供油邊界探索試驗，獲得了該發動機起動供油邊界。依據該邊界再完成了起動調試，得到了該發動機匹配的起動供油規律，解決了發動機起動失敗的問題，最終實現了發動機慢車運轉。結論如下：

(1)通過邊界探索試驗成功獲取發動機地面起動供油邊界，根據評估出的邊界進行起動性能初步優化調試，快速有效地解決了發動機起動失敗的問題，大大降低了起動性能調試試驗的風險和成本；

(2)提出的發動機地面起動供油邊界評判方法及獲得的起動供油邊界具有工程參考價值，也驗證了發動機起動失敗的主因是起動供油帶寬窄；

(3)發動機起動性能還可進一步優化調整，為起動性能定量分析和起動模型修正提供依據。

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Preliminary exploration on ground start fuel control boundary for a turbofan engine

QIAN Xing-liang，GOU Xue-zhong，ZHOU Ren-zhi
(AECC Sichuan Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

A turbofan engine failed to start in performance tests because of stall,and it hardly got started to idle after repeated debugging.Thus the investigation on start fuel control boundary exploration methods was carried out to find out the boundary as the reference range for the start fuel control law regulation.Then tests to explore the start fuel control boundary were accomplished to obtain the boundary.Based on it,the engine successfully started and reached idle state.This method provided reference for starting performance debugging,decreasing the blindness and risk，and reducing debugging times to start successful quickly.

aero-engine；ground start；start debugging；start fuel control boundary；fuel control law；stall

V235.1

A

1672-2620(2017)04-0001-06

2016-12-01；

2017-07-28

錢興良(1985-)，男，成都人，工程師，碩士，從事航空發動機起動系統技術研究。