航空發動機高原啟動性能優化措施

張 網

（陜西直升機股份有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

該文總結了啟動過程的原理，建立了啟動數學模型，將發動機啟動過程分為3 個階段，并總結了影響點火成功的因素。該文以某一型號發動機為例，研究了“三高度”模式對發動機啟動的影響，提出了“三高度”模式的試驗方法和注意事項。并且研究了“三高”模式的供油規律以及海上推力的變化，分析CFM56-7 型民用發動機冬季冷啟動對冬季高地性能的影響，賀利明和李軍發現：由于空氣溫度、壓力、啟動功率、壓縮機匹配對發動機、燃燒室、渦輪及其他部件啟動的影響，在高原低壓、低氧、多變溫度和風向等特殊氣候條件下，發動機容易出現點火故障、溫度過高、懸掛不穩、失速啟動失敗的情況，飛機在高原地區的使用受到一定程度的限制。

1 某型號發動機地面啟動原理

渦輪發動機的小繞線啟動過程（在啟動前由燃氣渦輪發動機啟動）稱為啟動過程。當航空發動機在地面上啟動時，由于缺少空氣吸入，必須依靠外部電源才能啟動發動機。此時如果向燃燒室噴油，發動機就會燃燒，轉子就會轉動，當燃燒室的流量達到一定的速度時，只需要穩定燃燒所需要的壓力和溫度。在電、油系統的啟動控制邏輯下，地面啟動過程由靜止狀態過渡到怠速狀態。

對發動機進行地面啟動，可以將其劃分為3 個階段：從靜止到主燃燒室初始點火狀態為NC段扭矩（N·m）、主燃燒室初始點火狀態到啟動機分離為NC+NT段扭矩（N·m）、啟動機分離到減速為NT段扭矩（N·m）。如圖1 所示（x軸為轉速，r/min。y軸為扭矩，N·m）。

圖1 發動機啟動過程

在某一時刻，主燃燒室沒有火，并且發動機的轉速與啟動器的功率成正比。啟動器的啟動速度主要取決于功率。成功啟動的關鍵是選擇著火速度和啟動機的輸出功率。點火速度的選擇對發動機啟動有很大影響，供油速度低，油耗提前，轉速低，耗氣量小，發動機啟動時間就會延長；供油速度高，主燃燒室油耗高，會導致發動機過熱和喘振；啟動裝置的輸出扭矩必須滿足發動機及其機組的阻力力矩要求，發動機達到點火速度，在充分分配啟動器輸出扭矩的情況下，可以縮短達到點火速所需的時間以及啟動時間。第二階段，在主燃燒室點火成功后，發動機轉子轉速通過啟動機功率和渦輪功率增加，主要取決于啟動機功率和渦輪剩余功率。分離器的設計和轉速的選擇要符合燃燒室供油的基本規律，是影響二次啟動成功的關鍵因素。啟動時燃油供應規則的設計應考慮所有對啟動時間的要求、壓縮機的性能、極限啟動界限（失速/喘振界限）、最低啟動界限（懸掛界限）和飛機機組負荷。啟動線路和壓縮機界限見圖2（左圖x軸為工作線時長，min，y軸為渦輪剩余功率，kW；o點為發動機起始點，n1為第一階段；n2為第二階段；n3為第三階段，右圖x軸為點火后時長，min；y軸為起動機脫開轉速，r/min）。

圖2 啟動過程壓氣機工作線及邊界限制條件

在第三階段，啟動器停止工作，發電機轉子加速。轉速的增加主要依賴于殘余功率。該階段主燃燒室的供油規律是啟動成功的關鍵因素，其設計原則與第二階段相同[1]。

2 高原啟動影響理論分析

由于高海拔特殊的氣候環境，如低氣壓、低空氣密度、低氧含量以及較大的晝夜溫差等，給航空發動機的高原啟動帶來不利影響。對航空燃氣輪機和燃氣輪機啟動器而言，高原環境下，由于氣壓和空氣密度的降低，在轉速限制的情況下，啟動器輸出功率較小。因此，在啟動前（第一級和第二級），啟動器的承載能力就會降低，相應地達到第一級和第二級，轉速就會降低，或者啟動時間會延長。根據高原試驗結果，最大懸掛速度為3min～5min，頻率較高。因此，為了實現發動機與氣體的最佳相容性，高原地區供油規律和順序需要調整。此外，由于進氣密度的降低，在同一流量下進氣量的相對減少，以及殘余空氣系數的降低，在相同的進氣溫度下，如果按照平原地區供給規則進入燃油，油氣量會更高，出現富油燃燒的情況，導致排氣溫度升高，點火失敗。

發動機需要根據飛行器的需要，為飛機的日常使用提供所需的功率。高空作業開始后，引擎本身的多余功率就會減少。啟動初期循環，發動機剩余功率較小；在整個啟動（飛機機組）或裝料過程中，發動機過載導致發動機工作點偏離正常工作線。提高排氣溫度，暫停啟動，延長啟動壽命，導致啟動失敗。啟動時為飛機機組提供動力，飛機液壓系統的正常工作受到限制，因此，飛機在起飛期間的能量回收值受到限制[2]。

3 高原啟動改進措施及試驗驗證

3.1 啟動機功率增高

為解決高原環境下啟動器功耗降低和一、兩級怠速不足的問題，在同等工況下，高原試驗時，啟動功率提高1%左右，冷速提高約1.2%，發動機點火速度提高2%，離合器啟動速度提高2.5%，排氣溫度降低8%，啟動時間縮短8%。

3.2 延長點火時間和啟動機脫開時間

與平原過程啟動相比，高原過程啟動的啟動時間和啟動速度都比平原過程啟動的要慢，因為發動機在高空啟動時達到點火速度，啟動分離器轉速提高，從而優化了發動機的啟動控制程序。延長供油時間或推遲供油時間都可以增加點火成功的可能性，使點火后的點火分配更合理，為發動機的后續啟動創造了條件。在該過程中，可增加啟動機的分離時間。根據啟動機的轉速和功率，在40%轉速下，啟動器的功率開始達到峰值，同時，啟動器斷開，無法完全發揮工作能力。因此，根據初步評估，建議將啟動時間從70s 提高到90s，高壓旋轉速度提高20%。有效地解決了發動機離合器轉速低，離合器性能差的問題，使發動機的剩余加速功率提高了42%～48%。

3.3 飛機卸料

為了解決啟動時液壓加載引起的載荷增加和啟動困難的問題，研究人員采用飛機卸料優化的方法，發動機優化后的輸出功率全部用于發動機啟動（飛機的加載功率可達20kW），從而減少了發動機的初始輸出。卸料能提高分離速度，降低排氣溫度；在啟動第三階段（啟動器關閉后）的負載情況下，發動機轉速沒有提高，導致停機；在同樣的情況下，盡管在啟動第三階段（啟動器斷開后）仍然存在停機現象，但它能夠確保成功啟動。為評價飛機裝載對起飛性能的影響，選取了飛機在優化條件下成功起飛的數據和裝載，將起飛時間減少20%，排氣溫度降低3%，啟動機構分離速度提高3%。

4 發動機異常啟動

發動機的啟動有手動和自動2 種方式，引擎自控系統自動控制啟動過程，提供全方位保護；操作者可選擇引擎啟動供油時間及點火時間，手動啟動。因此，控制系統將失去某些保護功能。可以在啟動和啟動模式進行異常引導。發動機常見的啟動異常包括點火故障、啟動過熱/過熱/失速、啟動懸掛、啟動氣壓低以及未發現風扇或發動機轉動[3]。

4.1 點火失敗

4.1.1 自動啟動點火失敗

在地面自動啟動的情況下，全權限數字發動機控制器（FADEC）應該在選擇供油后的15s 內點燃燃油（冷啟動），持續20s。若FADEC 未發現燃油點，則向飛行警告計算機提供顯示信息，燃油計量門和點火電源將自動關閉，然后，在30s 內使發動機處于干燥和冷卻狀態，以排除發動機熱段的剩余燃油。再打開燃油計量閥，選擇2 個點火噴嘴同時點火，試著再次啟動發動機。若發現燃油未被點燃，在10s 內（引擎冷態運行15s）再次中斷燃料供給并點火，再冷態干態運行30s 后，引擎即停止啟動。操作者應該將啟動手柄設為“off”，而啟動開關設為“on”。選擇空氣自動啟動時，燃油應該在FADEC 供給燃料后的30s 內被點燃。若FADEC 發現未點火，則引導將終止。如果試圖重新啟動，則不需要等待30s 冷卻或風車速度。

4.1.2 人工啟動點火失敗

如果選擇手動啟動，飛機在地面上，在選擇供油后15s點火；如果選擇供油后30s 點火，在選擇供油后30s 點火；如果沒有在規定時間內點火，控制系統將自動停止啟動。如在空氣中手動啟動2 次失敗，可嘗試自動啟動，并注意使用啟動機的限制。

4.2 啟動過熱，失迷，超溫

啟動過熱是指點火后排氣溫度高于啟動溫度；啟動失速是指啟動時發動機轉速發生異常變化，發動機排氣溫度與啟動溫度相比，異常升高；加速時，啟動溫度越高，發動機啟動時排氣溫度越高，發動機溫度越高，發動機越熱。過熱和失速的主要原因包括程序啟動故障、發動機內部損壞或壓氣機性能下降、供油計劃異常、變幾何控制系統（可調節排氣閥、可調節靜葉等）工作不正常、空氣系統故障、啟動閥過早關閉、啟動壓力無效或不足（當地球自動啟動時，增壓閥失效，導致燃燒室油污積聚，啟動閥過早關閉）以及大氣壓不足。FADEC 按順序執行下列步驟：如果再次出現異常情況，燃油供應再中斷6s，則進一步減少7%（比前一種減少4%）；如果持續過熱、失速和過熱，FADEC 將自動停止啟動，并且錯誤信息將顯示在駕駛艙內。操作者在啟動時，如果發動機可能或已經過熱，FADEC 將自動停止啟動，機組過熱等應在啟動時，可能或過熱，滅火，過熱等情況下停止啟動[4]。

4.3 啟動太慢或懸掛

啟動停頓是指點火成功后，發動機轉速上升過慢，甚至出現長期低于怠速的現象。啟動中止的原因可能是啟動時燃油控制方案不當，導致燃燒室過濃或過稀。啟動時，發動機轉速緩慢上升，同時油流和排氣溫度都較低，認為出現了稀懸；如果發動機轉速上升緩慢，但油流較大，排氣溫度上升過快，則認為是富油懸浮。如果是富油（熱）懸浮，操作者必須停止啟動；稀油懸浮可提高啟動氣壓和供油點火速度。如果燃料流量在136 kg/h 以下，或者在低速下（地面溫度低于20%，空氣溫度低于15%），引擎就不能成功啟動。啟動暫停的原因可能有以下幾個：1）啟動氣壓不足，啟動閥故障或過早斷開 。2）壓縮機效率太低或有異物損壞 。3）HMU 增壓閥故障。4）氣流控制系統故障。5）渦輪損壞。

4.4 未檢測到風扇或核心機轉動

在啟動過程中未檢測到風扇轉速的情況下，當發動機核心轉速達到51%左右時，控制系統會向駕駛艙發出警報。在此期間必須停止啟動。開啟閥門后，如果控制系統在2min 內沒有檢測到核心機的轉動，它就會通知機組終止啟動。

5 解決高原啟動的措施

由于空氣稀薄，APU（輔助動力裝置）在高原機場提供遠低于低海拔的啟動氣壓。發動機ECU 無論在低空或高空啟動，都提供特殊的啟動保護方式，ECU 中的啟動保護數據庫主要以低空區域為基礎。通過以上分析，認為在高原機場發動機啟動時，由于保護作用，往往會被ECU 自動終止，針對發動機啟動困難這一問題，該文采取了以下對策：1）提高氣源壓力，可以提高氣源啟動壓力。2）提高氣源啟動壓力，使發動機難以自動啟動，可以采用手動啟動。現在，FADEC 還沒有抗失速功能，但是很容易啟動。為了實現這一目標，機組必須密切注意發動機的啟動情況，在出現異常時立即停止發射。3）改變冷啟動和點火邏輯的供油方式。該軟件利用排放溫度和總溫度的差異。決定引擎冷卻狀態的機油，排氣溫度和總溫度閾值被設置為30 ℃；在發動機冷卻狀態下，所有啟動高度的引擎采用相同的冷態供油方案。當高壓高度超過3048 m 并且開始供油時，發動機核心速度從25%提高到30%，即最高冷卻速度。將點火邏輯改為單噴嘴點火，以確定是否正常。若點火成功（排氣溫度升至42℃以上），雙噴管自動點火[5]。

6 結語

該文對發動機高原啟動進行了一系列的分析和試驗，總結了提高發動機高原啟動成功率的有效方法。研究結果表明：1）提高高原啟動成功率，應采用大功率的啟動裝置，提高發動機轉速上升速度（啟動過程的第一階段和第二階段）。實驗結果表明，啟動功率提高約1%，啟動功率提高1%左右，冷速提高約1.2%，發動機點火速度提高2%，離合器啟動速度提高2.5%，排氣溫度降低8%，啟動時間縮短8%。2）在發動機啟動過程中，飛機卸料能有效降低發動機排氣溫度和啟動時間，增加發動機啟動功率；采用卸料措施能使發動機啟動時間減少20%，排氣溫度減少3%。3）增加點火時間和啟動關閉時間，可提高發動機點火成功率，使點火后油、氣的分布更為合理。