渦軸發動機不同起動階段的影響因素研究

王旭 陸勝軍 鄒黎

摘 要：起動過程是一個典型的非線性變化過程，影響因素眾多，大氣環境是導致起動性能變化的最重要因素之一。起動可劃分為不同階段，在不同階段下，大氣溫度和大氣壓力對起動性能影響的機理不一樣。本文通過開展某型發動機在不同大氣環境下的起動性能試驗驗證，得到了不同大氣環境對起動影響的趨勢，按不同階段解析了大氣環境影響起動性能的原因，為起動供油規律給定和修正提供了參考。

關鍵詞：渦軸發動機;大氣環境;起動特性

中圖分類號：V233 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）09-0105-05

隨著用戶對直升機野外惡劣環境適應性的要求提高，其對起飛場地保障條件的要求也較低。在進行發動機起動時，難以依靠機場保障設備來提高起動成功率（如采用機場電源車起動，熱風暖車等）。因此，為保證直升機全氣候范圍使用，渦軸發動機一般要求在大氣溫度-40℃～50℃范圍內進行起動。

發動機起動過程屬于瞬態過程，影響因素多，如何分析發動機的起動過程是非常困難的[1-2]大氣溫度對發動機性能、起動機帶轉能力，燃燒室點火和聯焰均有較大影響，除了在設計上應考慮足夠的裕度外，完善的起動供油規律也是保證起動成功的重要因素之一。

本文對起動進行階段劃分，開展了某型渦軸發動機溫度影響試驗驗證，通過對不同階段的分析，總結出了溫度影響起動性能的原因，并提出了起動供油規律溫度的修正方法。

1起動影響因素

1.1不可控因素

根據發動機原理和試驗數據分析，影響發動機的起動因素有很多，根據是否可控制分為不可控因素和可控因素

不可控因素主要為外界環境，不受設計者控制：（1）大氣溫度;（2）大氣壓力;（3）大氣濕度;（4）飛行馬赫數。

此類影響因素需要對其影響機理和程度進行分析，并通過起動控制裝置來進行調節以減弱外界環境對起動的影響，這也是起動規律的研究目標之一。

1.2可控因素

可控因素可由發動機設計者進行選擇和控制，主要為發動機自身的參數：（1）各部件效率;（2）渦輪導向器面積;（3）可調壓氣機導葉;（4）壓氣機級間放氣;（5）燃油供油規律以及起動故障模式;（6）起動機功率等級及脫開轉速。

當發動機完成方案設計后，發動機本身大部分參數已固定，無法進行調節，因此渦軸發動機主要通過起動機和供油來控制和改善起動性能。

2 起動階段劃分

一般來說，渦軸發動機起動過程由以下三個階段組成[3-4]，各階段起動扭矩變化見圖1。

2.1第1階段

第1階段為起動機開始帶轉至燃燒室點火成功。此階段發動機轉子完全由起動機帶轉，電機帶轉扭矩MCT隨燃氣渦輪轉速ng的上升逐步下降，變化趨勢接近于直線。

壓氣機阻力矩MC由機械阻力和氣動阻力組成。大量試驗數據證明：在整個起動過程中，壓氣機的氣動扭矩與燃氣渦輪轉速ng的平方成正比。機械阻力在一般情況下均較小，在起動過程中可以忽略，但是在極低的溫度下機械阻力將急劇增加，在設計起動規律時需予以考慮。

2.2第2階段

第2階段為燃燒室點火成功至電機脫開（自立轉速）。

此階段，發動機的渦輪和起動機共同工作，渦輪帶轉扭矩Mg快速上升，當ng轉速超過自立轉速后，Mg將超過MC，理論上可以脫開起動機。但是為了增加可靠性和縮短起動時間，一般保持起動機繼續工作一段時間，待Mg大于MC較多后再脫開。

2.3第3階段

第3階段為電機脫開后獨立加速至地面慢車。

此階段，發動機渦輪將獨立帶動發動機至地面慢車。在前半部分，由于電機脫開，加速凈扭矩有所減少，為維持較高的起動加速度，一般會繼續保持較高的渦輪前總溫。隨著轉速的繼續增加，所需轉速加速度減少，以及渦輪效率提升，渦輪前總溫將逐漸降低。

由于第1階段時間較短，且影響因素與第2階段較為接近，因此為了方便分析，本文將第1階段和第2階段合并，統稱為第Ⅰ階段，第3階段稱為第Ⅱ階段。

3大氣溫度對發動機起動性能的影響

3.1 溫度影響試驗驗證分析

為驗證大氣溫度對發動機起動的影響，利用某渦軸發動機在高空模擬臺上進行了驗證試驗，試驗溫度由-20℃～50℃，試驗情況見圖2～圖4。

由圖分析可知：

（1）當大氣溫度低于10℃時，隨著溫度逐步下降，第Ⅰ階段起動時間逐漸增加。當大氣溫度處于10℃～40℃時，起動時間較短且變化量不大。在接近環境使用極限50℃時，起動時間有所增加;

（2）大氣溫度越高，第Ⅱ階段起動時間越長，但是其總體變化趨勢較小;

（3）在標準大氣溫度15℃左右，發動機總起動時間最短，而隨著溫度偏離標準狀態，總起動時間均較快的增加。

3.2 溫度對第Ⅰ階段影響分析

大氣溫度對第一階段起動過程的影響原因分析如下：

（1）壓氣機氣動載荷增加。

由上式可知，在第一階段，隨著大氣氣溫降低，θ減小，同樣物理轉速下，通過壓氣機的空氣流量增加，因此壓氣機的氣動負荷也隨之增加，在同樣的電機功率下，ng轉速加速度較小，起動時間變長。

（2）低溫下潤滑油的粘度增大導致發動機傳動裝置的阻力增大。

以目前國內發動機使用的飛馬二號滑油為例，當溫度下降時，滑油粘度急劇增加，其中以30℃和-30℃為例子，兩者的運動粘度相差66倍，因此低溫下發動機起動阻力將急劇增加。

為研制溫度對發動機起動阻力矩的影響，分別用同一臺發動機在30℃和-30℃（在該溫度下存放超過12h）條件下進行了起動阻力矩測量，測量結果見圖5，在30℃條件相比，-30℃條件下的發動機起動阻力矩增加29.5%。

溫度越低，起動阻力越大矩越大，如果起動供油量不增加，電機功率不變，起動第Ⅰ階段的燃氣渦輪轉子加速度將減少，起動時間增加。

為減少發動機起動阻力矩，保證發動機在低溫下的起動，一般采用70℃～90℃的熱空氣對燃燒室、滑油箱、泵調節器、附件傳動機匣等的外表面加溫10min～20min后，再次進行起動。通過發動機在-21℃條件下加溫和不加溫時的起動驗證情況（見圖6），加溫15min后，起動時間縮短了33%。

如外場沒有加溫裝備，也可通過重復熱起動的方法進行緊急起動。外場低溫的起動驗證情況，在-28℃條件下冷起動失敗后，再次進行熱起動成功，起動情況見圖7。

（3）在溫度較低的時候，燃油霧化效果較差，燃燒室聯焰緩慢。

在發動機燃油噴嘴類型及結構尺寸確定的情況下，燃油燃燒與燃油霧化質量密切相關，霧狀油珠愈細、表面積愈大，愈有利于充分燃燒。低溫下，燃油霧化效果變差，燃燒室聯焰緩慢，導致起動變慢。不同溫度下發動機點火后溫度上升情況見圖8，燃氣渦輪溫度的上升速度隨大氣溫度下降而變小。

可見，在點火成功后的4s內，發動機燃氣渦輪溫度上升斜率逐步減小，具體數值見圖9。

在大氣溫度較高時，發動機燃氣渦輪溫度上升斜率較小，每下降1℃，發動機燃氣渦輪溫度上升速率下降0.9℃/s。而在大氣溫度在0℃以下時，每下降1℃，發動機燃氣渦輪溫度上升速率下降為2℃/s。

因此，當溫度下降到-20℃時，發動機燃燒室點火和聯焰十分緩慢，再進一步降低溫度有可能導致起動懸掛。特別是當發動機存在其他影響燃燒室性能的情況，如燃油噴嘴積碳[8]，在綜合因素的影響下，會導致渦軸發動機在起動過程中出現燃氣渦輪溫度起動初始緩慢的現象，在包線范圍內導致發動機起動不成功。

3.3 溫度對第Ⅱ階段影響分析

發動機起動過程第Ⅱ階段為燃氣渦輪轉速平衡轉速至地面慢車狀態的階段，由前文分析可知：大氣溫度越高，此階段起動時間越長，但是其總體變化趨勢較小。

大氣溫度對第Ⅱ階段的影響分析如下：

（1）發動機阻力扭矩減少。根據前面分析，隨著溫度的增加，壓氣機氣動載荷減少，發動機傳動裝置的阻力也減小，因此起動的起動阻力矩減少。

（2）燃氣渦輪做功能力減少，用以加速扭矩減小。在ng平衡轉速至地面慢車狀態階段，燃氣渦輪為發動機起動的主要加速扭矩來源，隨著大氣溫度的增加，在同樣的ng轉速下，通過發動機的空氣流量急劇下降，燃氣渦輪做功能力也減弱。

相對于壓氣機氣動載荷和燃氣渦輪做功來，傳動裝置的阻力對發動機起動第二階段的影響較小，因此起動第二階段的時間主要由壓氣機氣動載荷和燃氣渦輪做功的變化決定。當大氣溫度升高時，在同樣的燃氣渦輪轉速下，需要更高的燃氣溫度才能保持燃氣渦輪功率和壓氣機功率平衡。因此如保持起動過程中燃氣溫度不變，用于加速的剩余功率將減小，起動加速度減少，起動時間增加。

4 高度對發動機起動性能的影響

隨著高度的上升，大氣壓力降低，空氣密度逐步減小，大氣溫度也隨之降低，因此會對發動機起動性能產生很大影響。其中溫度的變化在前文中已做論述，不再累述，下面只針對壓力和空氣密度的影響進行分析。

為了驗證高度對發動機起動的影響，在同樣的大氣溫度條件下（10℃），分別進行了地面、1.5km和4.5km高度的起動試驗，具體見圖10。

由圖10分析可知，在起動第Ⅰ階段，高度越高，ng上升速率越快。在起動的第Ⅱ階段，高度越高，ng上升速率越慢。

這種現象是大氣壓力和空氣密度減小導致的，大氣壓力和空氣密度的減小對起動性能的影響分析如下：

（1）發動機發出功率減小，起動過程中剩余功率減小。對發動機空中起動過程進行模擬計算，在3km高度條件下，電機脫開后，渦輪有較大的剩余功率（相當于126%電機額定功率）用于帶轉壓氣機及附件。在4km高度條件下，電機脫開后，渦輪剩余功率較小（相當于12%電機額定功率）。由于可用于加速燃氣渦輪轉子的剩余功率減少，因此在高空起動過程的第2階段和第3階段，上升速率隨著高度的上升而減小。

（2）大氣壓力和空氣密度減小，壓氣機氣動載荷減小。以4.5km高空為例，此高度下的大氣壓力降低至57.7kPa，同樣物理轉速下流過壓氣機的空氣流量減小，因此起動過程中壓氣機氣動載荷減小。

為驗證高度對壓氣機起動氣動載荷的影響，在同一溫度下對4.5km高空和地面的起動扭矩進行了驗證試驗，見圖11。

由圖11可知，在同樣的20%ng轉速，地面和4.5km起動阻力矩差值為38.4%，而10%轉速時地面和4.5km起動阻力矩差值只有16.8%，轉速越低，大氣壓力對起動阻力矩影響越小。這是由于起動阻力矩主要由機械阻力和氣動阻力組成，低轉速下的空氣流量低，氣動阻力也小，因此大氣壓力變化對起動阻力矩的影響也小。同理，大氣溫度主要影響機械阻力，因此對起動阻力矩的影響隨轉速變化的趨勢較小。

在同一臺發動機上進行空中停車，以測量不同高度下發動機停車時阻力矩（此三次測量雖然在不同大氣溫度下進行，但是經過一段時間的運轉后，大氣溫度對發動機阻力矩影響可忽略不計），見圖12，可見高度越高停車阻力矩越小，其中在20%的ng轉速，4.5km高度（插值計算）的扭矩比地面慢車減少了37%，此計算值和冷運轉的扭矩計算值一致，相互驗證了高度對壓氣機阻力矩的影響。

綜上所述，在起動第Ⅰ階段，高度越高，ng上升速率越快的原因是壓氣機氣動載荷減小。在起動第2階段，高度越高，ng上升速率越慢的原因是發動機用于加速的剩余功率減小。高度對起動第Ⅰ階段的影響較小，對第Ⅱ階段的影響較大，因此對于整個起動過程，高度越高，起動時間越長，起動越困難。

5結論

（1）大氣溫度對發動機起動影響因素主要為壓氣機氣動載荷，轉子阻力，燃燒室聯焰，燃氣渦輪做功能力。在第Ⅰ階段，壓氣機氣動載荷，轉子阻力，燃燒室聯焰為主要影響因素，隨著溫度降低，起動時間增加;在第Ⅱ階段，燃氣渦輪做功能力為主要影響因素，隨著溫度的上升，起動時間逐步增加。因此只要大氣溫度偏離標準溫度，起動時間均會增加。

（2）大氣壓力對發動機起動影響因素主要為壓氣機氣動載荷和燃氣渦輪做功能力。在第Ⅰ階段，壓氣機氣動載荷為主要影響因素，隨著高度的上升，起動時間減少;在第Ⅱ階段，燃氣渦輪做功能力為主要影響因素，隨著高度的上升，起動時間逐步增加。由于第Ⅱ階段的燃氣渦輪做功能力影響，因此只要大氣溫度偏離標準溫度，起動時間均會增加。

（3）由于大氣溫度和大氣壓力對起動影響較大，因此需根據這些因素對起動供油量來進行修正：

式中Kp為壓力系數，用來對大氣壓力影響進行修正;Kt為溫度系數，用來對大氣壓力影響進行修正。

參考文獻

[1] 黃開明，周劍波，劉杰，等.渦軸發動機起動過程的一種氣動熱力學實時模型[J].航空動力學報，2004，19（5）：703-707.

[2] 居海星，張海波，陳浩穎.一種通用渦軸發動機起動過程建模方法研究[J].推進技術，2017，38（6）：1386-1394.

[3] 胡曉煜.世界中小型航空發動機手冊[M].北京：北京航空工業出版社，1987.

[4] 樊思齊.航空發動機控制[M].哈爾濱：西北工業大學出版社，2008.

[5] Chappell M.An approach to modeling continuous turbine engine operation from startup to shutdown[R].AIAA 91-2373，1991.

[6] 黃開明.渦軸發動機起動過程的一種熱力學實時模型[J].航空動力學報，2004，19（5）：703-707.

[7] 張偉.某渦軸發動機起動過程模擬及分析研究[D].南京：南京航空航天大學，2009.

[8] 蔡建兵.燃油噴嘴噴口積碳對發動機起動性能的影響研究[R].株洲：中航工業航空動力機械研究所，2013.