三發(fā)構(gòu)型直升機空氣起動系統(tǒng)研究

田野 王智 諶昱

摘 ? 要：隨著直升機配裝的渦輪軸發(fā)動機功率的增大，對起動系統(tǒng)的功率需求日益增加，直升機空氣起動系統(tǒng)受到越來越多的關(guān)注。現(xiàn)代大中型直升機發(fā)動機一般采用空氣渦輪起動系統(tǒng)。但目前國內(nèi)對于直升機空氣起動系統(tǒng)研究較少，尤其對于三發(fā)構(gòu)型大型直升機空氣起動系統(tǒng)的研究尚屬空白。針對未來型號發(fā)展需要，本文提出了一種三發(fā)構(gòu)型直升機空氣起動系統(tǒng)的設(shè)計方案，并通過AMESIM軟件建立模型進行仿真分析，從而為國內(nèi)未來三發(fā)構(gòu)型直升機空氣起動系統(tǒng)設(shè)計提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：三發(fā)構(gòu)型直升機 ?空氣起動系統(tǒng) ?設(shè)計研究

中圖分類號：V233.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）02（b）-0017-04

渦輪軸發(fā)動機已在直升機上廣泛使用，渦輪軸發(fā)動機由靜止到工作，必須依靠外來動力，使發(fā)動機從零轉(zhuǎn)速加速到慢車轉(zhuǎn)速[1]，因此直升機需設(shè)計發(fā)動機起動系統(tǒng)。

渦輪軸發(fā)動機的起動方式一般有電起動、空氣起動和液壓起動三種。早期的渦輪軸發(fā)動機由于功率較小，對起動功率需求不高，普遍采用電起動系統(tǒng)。隨著發(fā)動機功率的增大，對起動功率需求越來越大，受蓄電池容量和電起動機的體積限制，使得電起動機不適用于起動大功率發(fā)動機[2]。在一定條件下，直升機的液壓設(shè)備也可以用于起動發(fā)動機，液壓起動系統(tǒng)的扭矩和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍寬，輸出功率和扭矩能更好地滿足發(fā)動機的起動需求，但是液壓起動系統(tǒng)一般不能自動起動，起動準備時間長，所以不適用于需要快速起動的直升機。與電起動系統(tǒng)以及液壓起動系統(tǒng)相比，空氣起動系統(tǒng)的優(yōu)點是功率大、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、使用靈活，因此空氣起動系統(tǒng)受到越來越多的關(guān)注，并已廣泛應用于安裝較大功率渦輪軸發(fā)動機的大中型直升機。

以起飛重量10t以上的大型直升機為例，國外雙發(fā)構(gòu)型直升機如AW189、EC225等采用電起動系統(tǒng)，S-92、黑鷹、米-26等采用空氣起動系統(tǒng)。與雙發(fā)構(gòu)型直升機相比，國內(nèi)外三發(fā)構(gòu)型直升機則少得多。僅有法國超黃蜂直升機、意大利阿古斯塔-維斯特蘭AW101（原EH101）直升機、美國西科斯基CH-53系列直升機以及我國的AC313等直升機。其中AW101直升機采用空氣起動系統(tǒng)，CH-53E直升機采用液壓起動系統(tǒng)，AC313直升機采用電起動系統(tǒng)。我國直升機起步較晚，在直升機空氣起動系統(tǒng)的研究較少，對三發(fā)構(gòu)型直升機空氣起動系的研究尚處于空白。考慮到國內(nèi)未來三發(fā)構(gòu)型直升機可能會采用空氣起動系統(tǒng)，本文提出了一種三發(fā)構(gòu)型直升機空氣起動系統(tǒng)的設(shè)計方案，并開展相關(guān)分析研究工作。

1 ?三發(fā)構(gòu)型直升機空氣起動系統(tǒng)方案

空氣起動系統(tǒng)的主要功能是利用直升機氣源系統(tǒng)（APU-輔助動力裝置、其他發(fā)動機或地面氣源車）向空氣渦輪起動提供所需要的高溫高壓氣體，將發(fā)動機帶轉(zhuǎn)到可以進行供油、點火并自行維持穩(wěn)定燃燒的慢車狀態(tài)[3]。

傳統(tǒng)的雙發(fā)構(gòu)型直升機一般將兩臺發(fā)動機平行布置在直升機主減速器的前方或后方，兩臺發(fā)動機距離較近，便于布置空氣起動管路。而三發(fā)構(gòu)型直升機的發(fā)動機一般呈“品”字型圍繞主減速器布置，不便于系統(tǒng)和空氣起動管路布置，設(shè)計難度較大。本文提出了一種針對三發(fā)構(gòu)型直升機的空氣起動系統(tǒng)設(shè)計方案，以滿足三臺發(fā)動機均具備使用APU、地面或其他發(fā)動機氣源起動的需求[3]。該空氣起動系統(tǒng)主要部件有發(fā)動機、APU、外部氣源、空氣起動機、起動控制閥、引氣控制閥及單向閥。APU及外部氣源的功能為向空氣起動系統(tǒng)提供高溫高壓氣體，發(fā)動機也可以通過引氣口向空氣起動系統(tǒng)提供高溫高壓氣體，引氣控制閥的功能為控制發(fā)動機引氣，需要使用發(fā)動機引氣時則打開對應的引氣控制閥，引氣控制閥還需兼具有單向閥功能，防止管路內(nèi)氣體反竄入發(fā)動機引氣口。空氣起動機功能為利用壓縮氣體膨脹做功原理獲得軸功率，在起動時帶轉(zhuǎn)發(fā)動機轉(zhuǎn)子，起動控制閥功能為通過接通和關(guān)閉空氣起動機進氣控制空氣起動機工作。在APU和外部氣源處設(shè)置單向閥，可避免管路內(nèi)氣體反竄入APU或外部氣源，各部件通過空氣管路連接在一起（見圖1）。該設(shè)計方案使空氣起動系統(tǒng)管路環(huán)繞主減速器布置，通過空氣管路連通3臺發(fā)動機、各閥門、APU以及地面氣源，能夠利用直升機氣源系統(tǒng)起動所需的發(fā)動機。

以起動1#發(fā)動機為例，采用APU或外部氣源起動時，首先起動APU或接通外部氣源，使氣體通過單向閥后進入空氣管路;采用另一臺發(fā)動機交叉起動時，首先打開另一臺發(fā)動機對應的引氣控制閥，使發(fā)動機引氣口處氣體進入空氣管路。隨后控制連接1#發(fā)動機的起動控制閥打開，則高溫高壓氣體通過空氣管路及連接1#發(fā)動機的起動控制閥進入空氣起動機，驅(qū)動空氣起動機帶轉(zhuǎn)發(fā)動機，實現(xiàn)1#發(fā)動機的起動。

2 ?建模及仿真分析

引氣控制閥的主要功能為實現(xiàn)對發(fā)動機引氣的控制，同時還需確保空氣管路內(nèi)氣體不會反竄回發(fā)動機引氣口，因此引氣控制閥采用電磁閥和單向閥模型串聯(lián)而成。

設(shè)定APU氣源壓力及溫度為定值，起動控制閥在第1s時收到控制信號打開，碟板調(diào)整到最終角度用時2s，仿真時間為10s，步長0.1s，其余仿真參數(shù)見表1。

設(shè)定空氣渦輪起動機的進口（即起動控制閥出口）壓力范圍為（0.19～0.22）MPa，流量范圍為（11.3～15.8）kg/min，通過調(diào)整起動控制閥碟板打開角度使起動控制閥出口壓力和流量滿足上述要求。以起動1#發(fā)動機為例進行仿真計算，對應起動控制閥相關(guān)仿真參數(shù)曲線如圖3所示。

從仿真結(jié)果可知，起動控制閥可通過調(diào)整碟板打開角度使不同壓力的氣源通過起動控制閥后，控制其出口氣體壓力及流量滿足空氣起動機入口要求。且起動控制閥能夠令出口氣體壓力和流量波動均處于較小范圍，使空氣起動機無需設(shè)置較大的入口氣體參數(shù)范圍，有利于空氣起動機的設(shè)計，同時也減小了空氣起動系統(tǒng)中APU及外部氣源的參數(shù)匹配難度。

3 ?結(jié)語

本文提出了一種三發(fā)構(gòu)型直升機空氣起動系統(tǒng)的設(shè)計方案，分析了空氣起動系統(tǒng)工作原理，并利用AMESIM軟件建立空氣起動系統(tǒng)模型，模擬不同氣源壓力下空氣起動系統(tǒng)工作情況。由仿真結(jié)果可知起動控制閥通過調(diào)節(jié)碟板打開角度能夠有效地控制出口氣體的壓力及流量，有利于空氣起動機穩(wěn)定工作，該空氣起動系統(tǒng)方案具有較高的可行性，能夠?qū)ξ磥砣l(fā)直升機空氣起動系統(tǒng)設(shè)計提供思路和參考。

參考文獻

[1] 諶昱.直升機發(fā)動機空氣起動系統(tǒng)匹配技術(shù)研究[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2018（10）：5-6，86.

[2] 王鵬.民用飛機發(fā)動機起動系統(tǒng)技術(shù)研究[J].民用飛機設(shè)計與研究，2010（4）：6.

[3] 鄭辰.民用飛機發(fā)動機空氣起動系統(tǒng)性能設(shè)計及集成方法研究[J].科技信息，2014，3（18）：491-492.

[4] 《飛機設(shè)計手冊》總編委.動力裝置系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：航空工業(yè)出版社， 2006.