某民用飛機發動機空中起動時間對比分析

/ JIANG Minjie WANG Jiayi

(中國商飛民用飛機試飛中心，上海 200232)

某民用飛機發動機空中起動時間對比分析

江民節王嘉一/ JIANG Minjie WANG Jiayi

(中國商飛民用飛機試飛中心，上海200232)

在描述風車起動和起動機起動過程的基礎上，對比分析了起動機起動和風車起動的起動時間和點火時間。通過研究可知：(1)風車起動和起動機起動時間對比主要取決于起動機脫開前階段，由于起動機的帶轉作用，起動機起動時間較短，但隨著飛行速度增大，起動時間逐漸和風車起動接近；(2)風車起動和起動機起動的點火時間對比，主要取決于點火準備時間，起動機起動點火時間相對較長，隨著飛行速度的增加，逐漸和風車起動點火時間接近。該研究可為發動機起動系統設計以及發動機空中起動試飛數據分析、排故提供參考。

風車起動；起動機起動；起動時間；點火時間

0 引言

航空發動機空中起動能力對于保障飛機安全飛行至關重要，一旦出現空中停車，如果不能可靠、快速起動，則可能造成機毀人亡[1]。針對民用飛機，AC25-7C規定了發動機起動時間歷程為：點火時間不得超過30s，從點火到穩定慢車的時間不得超過90s，且在高空發生雙發熄火后，發動機開始起動到改平的高度損失不得超過5 000 ft[2]。

發動機空中起動性能取決于起動方式，在相同起動方式下，取決于燃燒室進口氣流條件以及供油、點火邏輯，在同一發動機和相同的起動方式下，起動性能與燃燒室進口氣流的壓力、溫度以及進口氣流的速度和供油規律有關。因此，高度、馬赫數、起動方式及發動機溫度均影響發動機空中起動性能。

民用飛機常用的起動方式有起動機起動和風車起動，本文在詳細分析其起動過程的基礎上，結合某民用飛機飛行試驗結果，對比分析了兩種起動方式下的起動時間和點火時間及其影響因素。

1 發動機起動過程及其分析

發動機起動是一個重要的過渡過程，要求在壓氣機不喘振和渦輪前溫度不超溫的情況下，按照設定的起動和燃油控制程序點燃燃燒室，并將發動機加速到慢車狀態[3]。

起動機起動過程：起動機帶動發動機轉子加速，當達到某轉速時，發動機點火裝置開始工作；發動機轉速繼續上升到更高轉速時，供油系統開始為發動機供油，在點火裝置的作用下，燃燒室油氣混合穩定燃燒，渦輪開始輸出功率；此時，渦輪的輸出功仍不足以維持發動機運轉的需求，起動機和渦輪共同帶動發動機轉子加速，當達到某個轉速時，渦輪輸出功率足以維持發動機加速，起動機脫開；發動機繼續加速至慢車，起動結束。

風車起動過程：依靠來流沖擊使得發動機加速至某轉速，發動機開始點火、供油，點火成功后，依靠渦輪輸出功率加速至慢車，起動結束。

2 發動機空中起動時間對比分析

2.1 發動機空中起動時間對比

分析起動機起動過程，可將其分為起動機脫開前和脫開后兩個階段。起動機脫開前階段從發出起動命令開始，至起動機脫開結束；起動機脫開后階段從起動機脫開至起動成功結束。為便于分析，本文將風車起動也相應劃分兩個階段，劃分界限為起動機起動時的起動機脫開轉速。

一般來說，發動機的起動過程主要由起動機脫開前決定[3]。因此，起動機起動和風車起動時間對比，主要取決于起動機脫開前階段。由于起動機的帶轉作用，起動機起動時間相對風車起動較短一些，但隨著飛行速度增大，其風車轉速隨著增加[4-5]，相應的起動機的帶轉優勢減弱，起動機起動和風車起動時間趨于接近；起動機脫開后，風車起動和起動機起動均主要依靠渦輪輸出功驅使發動機轉子加速，所需時間基本一致，如圖1所示。

試驗點1、2、3、4馬赫數逐漸增加，1、2、3、4高度逐漸增加(1、2高度相同)。

(3)元素qij作為QoS的綜合相似度是由概念語義綜合相似度和數值相似度共同決定的。QoS綜合相似度函數QMatch(mr,mp)為QoS語義綜合相似度SSem(mr,mp)與QoS數值相似度DSem(mr,mp)的聚合乘積。當QoS語義可比時，數值匹配才有意義。當QoS語義相似度SSem(mr,mp)不變，QoS數值相似度越大越匹配；當QoS數值相似度DSem(mr,mp)不變，語義相似度越大越匹配。因此QoS綜合相似度函數如下所示

2.2 轉速加速率對比

其中：ΔP為凈輸出功率；Jz為轉子轉動慣量；PATS為起動機輸出功率；Ptur為渦輪輸出功率；PRAM為沖壓氣流產生功率；Pdrag為阻力功率。

由式(2)可知，起動機脫開前，相較于風車起動的ΔP，起動機起動還有PATS的作用；而起動機脫開后，起動機起動和風車起動的ΔP的影響因素一致。

因此，起動機起動和風車起動的加速率差異主要體現在起動機脫開前階段，由于起動機的帶轉作用，起動機起動的加速率大于風車起動[6]，但隨著飛行速度增加，PRAM增加，而PATS作用相對減弱，起動機起動和風車起動加速率逐漸接近；起動機脫開后，起動機起動和風車起動的加速率均主要取決于渦輪輸出功，其加速率接近，這也和前文分析結果一致，如圖2所示。

注：WM表示風車起動；SS表示起動機起動；_1表示起動機脫開前；_2表示起動機脫開后。 圖2 發動機空中起動的加速率對比

3 點火時間對比分析

AC25-7C提出發動機空中起動過程中點火時間不得超過30s。因此，本文重點對比分析風車起動和起動機起動的點火時間及其影響因素。

3.1 點火過程分析

點火過程從發出起動命令開始，至點火成功結束。點火成功與否需要利用發動機狀態參數進行判斷，選取的狀態參數應快速、有效反應燃燒室點燃狀態。由于點火成功后，EGT(發動機排氣溫度)存在明顯突變。因此，一般選取EGT判斷發動機點火是否成功，當EGT有明顯的升高，則表明發動機點火成功，如圖3所示。

圖3 發動機起動典型過程

3.2 點火時間對比

風車起動的初始轉速完全依靠來流沖壓作用，很難達到較高狀態，尤其是飛行速度較低時，因此風車起動點火轉速相對較低，一般來說，風車起動包線內任何高度、速度下的風車轉速均滿足該要求；而由于燃燒室進口空氣壓力及溫度均影響發動機的點火性能，因此為提高點火性能，起動機起動時其點火轉速相對較高[7]。

因此，起動機起動點火準備時間會長于風車起動，但隨著飛行速度的增加，風車轉速逐漸接近點火轉速，起動機起動的點火準備時間隨著縮短，當飛行速度達到一定程度時，風車轉速和點火轉速接近、甚至超過點火轉速，這時起動機起動和風車起動的點火準備時間接近，如圖4所示。

風車起動和起動機起動點火時間對比，主要取決于點火準備時間。因此，起動機起動點火時間長于風車起動，但隨著飛行速度的增加，兩者逐漸接近。

注：TIGN_SS表示起動機起動點火時間；TIGN_WM表示風車起動點火時間；TIGN_SS_1表示起動機起動點火準備時間；TIGN_WM_1表示風車起動點火準備時間。 圖4 發動機點火時間對比分析

4 結論

本文在詳細描述風車起動和起動機起動過程的基礎上，結合某民用飛機發動機空中起動試飛數據，對比分析了起動機起動和風車起動的起動時間和點火時間。結論如下：

(1)風車起動和起動機起動時間對比主要取決于起動機脫開前階段，由于起動機的帶轉作用，起動機起動時間較短，但隨著飛行速度增大，起動時間逐漸和風車起動接近；

(2)風車起動和起動機起動的點火時間對比，主要取決于點火準備時間，起動機起動點火時間相對較長，隨著飛行速度的增加，逐漸和風車起動點火時間接近。

本文研究結論，可為發動機起動系統設計以及發動機空中起動試飛數據分析、排故提供參考。

[1] 張紹基，邴連喜.一項擴大渦扇發動機空中起動包線的有效措施[J].航空發動機，2009，35(2) : 1-5.

[2] AC25-7C Flight Test Guide For Certification Of Transport Category Airplanes[M].FAA,2012.

[3] 馮維林.渦扇發動機起動過程的數值模擬[D].西安：西北工業大學，2006.

[4] 韋德·凱西，等著.張蓉譯.渦輪發動機空中起動時間的比較方法[J].科技創業，2013，235(12):176-181.

[5] 田琳，陶冶，等.民用渦扇發動機空中啟動風車轉速研究[J].工程與試驗，2013，53(01):6-9.

[6] 樸英. 航空燃氣渦輪發動機起動性能分析[J].航空動力學報，2003，18(6)：777-782.

[7] 聶恰耶夫著.姜樹明譯.航空燃氣渦輪發動機原理[M].北京：國防工業出版社，1984.

Discussion on Aeroengine In-flight Starting Time

(Flight Test Center of COMAC,Shanghai 200232,China)

Based on the description of windmilling start and Starter start,the Start time and Ignition time between them were compared and analyzed in this paper. By researching, we know: 1) The differences between windmilling start time and Starter start time mainly depend on the step before releasing starter. Because of the high acceleration of Starter, engine can be started in a shorter time. As the flight speed increases, the effect of Starter start decreases. The starter start time gradually approaches the windmilling start time. 2) The difference between their Ignition time mainly depends on preparation period of ignition. The starter requires longer ignition time. With the increasing of flight speed, the Starter Ignition time gradually approaches the windmilling ignition time.This study can provide reference for engine start system design and engine airstart flight test data analysis and troubleshooting.

windmill starting; starter starting; starting time;ignition time

V231

A

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.04.016

江民節男，碩士，工程師。主要研究方向：發動機、APU試飛方法的研究；E-mail: jiangminjie@comac.cc

王建一男，本科，工程師。主要研究方向：發動機、APU試飛方法的研究；E-mail: wagnjiayi1@comac.cc