一種基于試車數據的發(fā)動機起動特性分析方法

王德慶 宋瑞民 陶堯等

摘 要：基于發(fā)動機試車數據給出了某型發(fā)動機起動時剩余功率曲線，通過不同功率起動機帶轉專項試驗，驗證了給出的剩余功率曲線的正確性。針對某型發(fā)動機降低起動機功率的可行性進行了分析，預測了配裝不同功率、不同特性起動機時發(fā)動機的起動特性，具有一定的工程應用價值。

關鍵詞：航空發(fā)動機;起動特性;試車

1 前言

航空發(fā)動機起動機的選擇主要受到起動時間和帶轉轉速限制。在極端的天氣條件下，可能遇到冷熱懸掛問題，因此起動機需具有足夠大的功率，以防止發(fā)動機起動失敗。但起動機功率過大，必然會帶來重量增加，不滿足飛機和發(fā)動機重量盡可能輕的要求，因此選擇合適功率的起動機，尤為重要。本文基于發(fā)動機試車數據，克服了起動過程中整個系統(tǒng)（包含傳動附件）的轉動慣量測量難度大、理論建模難度大、精度低的問題，采用了發(fā)動機轉子動力學特性，對某型發(fā)動機起動特性進行了[1-5]，得到了該發(fā)動機起動時的剩余功率曲線，通過專項帶轉試驗驗證了給出的剩余功率曲線的正確性。預測了配裝不同功率、不同起動特性起動機時發(fā)動機的起動特性，具有一定的工程應用價值。

2 發(fā)動機起動模型

基于某型發(fā)動機試車數據，在發(fā)動機冷運轉過程中，燃油不參與燃燒，渦輪扭矩可視為零，其動力學方程為：

當發(fā)動機冷運轉達到其最高轉速時，則滿足下式：

在轉子轉動過程中，壓氣機的功率可近似的認為與轉速的3次方成正比，即扭矩與轉速的平方成正比[3]，表示為：

發(fā)動機停車過程和起動過程中，相同轉速轉速下，假設發(fā)動機負載保持不變。在發(fā)動機停車過程中，僅由發(fā)動機負載產生的轉子加速度使發(fā)動機停車。此時滿足下式：

根據試車數據可對發(fā)動機負載進行擬合，可得到由轉動慣量表示的發(fā)動機負載。

根據試驗結果起動機的扭矩特性如下：

將式（4）、（5）代入式（2）中，基于實際試車數據，可得該型發(fā)動機的轉動過程中的系統(tǒng)綜合轉動慣量。結合轉子動力學理論[6]，計算得到了在海拔高度1km、大氣87kPa 、大氣溫度13℃下，起動機斷開前發(fā)動機起動剩余扭矩曲線，如下圖1：

3 某型發(fā)動機起動試驗驗證

3.1 發(fā)動機剩余功率正確性驗證

某型發(fā)動機分別采用功率相差10kW的起動機A與起動機B進行起動試驗，試車數據如下表1。

由圖2可知，模型計算得到的起動機A和起動機B的帶轉轉速分別為27.8%、25.2%，配裝起動機進行專項帶轉試驗帶轉轉速（見表1）分別為28.3%、25.6%，理論計算和專項試驗的帶轉轉速基本一致。因此，通過試車數據求得的起動時發(fā)動機系統(tǒng)轉動慣量及剩余扭矩曲線是準確的，驗證了所建模型的正確性。

3.2 某型發(fā)動機降低起動機功率的可行性分析

某型發(fā)動機要求起動時不超過50s內高壓換算轉速達到50%、冷運轉時帶轉轉速不小于21%。應用圖1計算的發(fā)動機剩余扭矩曲線，對55kW～83kW功率的起動機進行起動時間和帶轉轉速計算。發(fā)動機配裝不同功率起動機的起動特性表2及圖3。

選用功率不小于66kW的起動機，在50s左右發(fā)動機轉速均可達到50%、帶轉轉速大于21%;若選用55kW～66kW燃氣渦輪起動機，帶轉轉速較低、起動時間較長，考慮冷熱天等極端天氣影響下，不滿足該型發(fā)動機起動機要求，因此該型發(fā)動機起動機功率選擇不應低于66kW。

4 小結

基于發(fā)動機試車數據給出了某型發(fā)動機起動時剩余功率曲線，通過兩種不同功率起動機帶轉專項試驗，驗證了給出的剩余功率曲線的正確性。針對某型發(fā)動機降低起動機功率的可行性進行了分析，預測了配裝不同功率、不同特性起動機時發(fā)動機的起動特性，對該型發(fā)動機起動機的選擇提供了參考依據，該方法可應用于其他發(fā)動機的起動特性分析，具有一定的工程應用價值。

參考文獻：

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[5]江勇，周宗才，桑增產等.發(fā)動機高原地面啟動實驗初步研究[J].推進技術，2003，24（06）：547-549.

[6]哈工大理論力學教研室.理論力學[M].北京：高等教育出版社，2016.

作者簡介：王德慶（1993-），男，山東淄博人，碩士，助理工程師，研究方向：航空發(fā)動機總體性能設計。