渦槳6發動機空中再起動原理與性能分析

邵飛 翁小武

摘要：針對航空發動機的空中再起動要求，結合某型飛機裝載的渦槳6發動機開展的空中再起動試驗，從起動原理、點火原理、操作程序、試驗參數等方面對渦槳6發動機與6葉槳匹配后的空中再起動特性開展分析。結果表明，渦槳6發動機匹配6葉槳后，空中再起動性能良好，起動時間滿足適航安全性的要求，空中再起動過程中發動機工作參數應重點關注發動機轉子轉速、扭矩壓力、排氣溫度的變化，滑油溫度、發動機振動值、燃油噴嘴壓力、滑油壓力為次級關注對象，同時針對風車起動時發動機轉子轉速上升較快、對飛行員操作要求較高，對后續完善空中再起動系統、操作程序以及注意事項提出了建議。

關鍵詞：渦槳6發動機;螺旋槳;空中再起動;風車起動

中圖分類號：V21????????????? 文獻標志碼：A

1概述

航空發動機是飛機的心臟，為飛機提供飛行所需的動力，一旦出現空中停車，就會使飛機失去或部分失去動力，對飛行安全構成嚴重威脅。隨著航空技術的發展，航空發動機的空中停車率由最初的1次/1000飛行小時，降低到約1次/106飛行小時，但航空發動機是一個工作條件苛刻、結構復雜的設備，由于其設計、工藝，使用維護、工作條件等原因，航空發動機出現空中停車的事件仍然難以避免[1]。這就要求航空發動機必須有停車后可靠再起動的能力，這對于保障飛機安全飛行至關重要，如果不能可靠、快速再起動發動機，則可能造成機毀人亡[2]。為此，中國民航局發布的適航規章CCAR25[3]中的25.903條款要求必須開展發動機空中再起動能力的驗證試驗。

渦輪發動機的起動是一個重要過程，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內的燃油，并將發動機加速到慢車狀態[4]。本論述以某型飛機空中再起動飛行試驗為背景，對渦槳6發動機和6葉槳匹配后的空中再起動原理與性能進行分析。分析結果表明，渦槳6發動機空中再起動特性良好，空中再起動應重點關注的發動機工作參數為排氣溫度、扭矩壓力、轉子轉速，同時對后續優化完善渦槳6發動機空中再起動的操作程序和注意事項進行了說明。

2渦輪6發動機起動原理

渦槳6發動機（如圖1所示）是中國南方航空動力機械公司生產的固定渦輪式單轉子渦槳發動機，采用十級軸流式壓氣機為燃燒室提供壓縮空氣，通過減速器將發動機輸出的軸功率傳遞給螺旋槳。

該發動機于1994年取得中國民航型號合格證，在國內早期飛機型號上該發動機與4葉恒速螺旋槳匹配裝機使用，目前在國內某型在研型號飛機上，與6葉恒速螺旋槳（如圖2所示）首次匹配裝機，正處于試飛驗證階段。

渦槳6發動機的起動過程很復雜，有許多因素起作用，包括燃油供給與霧化、進氣流場、點火時機等，需要各相關控制系統協調工作。任何一個環節發生問題，都可能導致發動機起動失敗。該發動機和6葉槳匹配后，槳葉數量的增加直接導致槳后氣流發生變化，影響發動機起動時的進氣量，另外螺旋槳轉動慣量的變化、起動時轉速與時間的變化等，都會對起動特性造成影響。

渦槳6發動機起動方式有起動電機輔助起動和風車起動。

2.1起動電機輔助起動

渦槳6發動機的地面起動采用起動電機輔助起動，即起動電機通電，利用電機帶動發動機轉子轉動并逐漸加速。當發動機轉子轉速繼續上升到更高轉速時，燃油從發動機燃油起動噴嘴噴入燃燒室與壓氣機提供的壓縮空氣充分混合。當發動機轉子達到某個轉速時，通過起動系統的時序控制邏輯自動接通發動機點火裝置，點火裝置將飛機電網電壓轉換為高壓電后，在燃燒室內形成高能電火花，繼而點燃燃油空氣混合氣。

此時，渦輪的輸出功率仍不足以維持發動機運轉的需求，起動電機和渦輪共同帶動發動機轉子加速，當達到某個轉速時，發動機燃油工作噴嘴噴出燃油，起動噴嘴停止供油，直至燃燒室油氣混合可以維持穩定燃燒后，發動機點火裝置斷電，渦輪開始輸出功率;當渦輪輸出功率足以維持發動機轉子加速后，起動電機脫開斷電;渦輪輸出功率繼續使發動機轉子自動加速至慢車轉速，起動周期結束[5]。

2.2風車起動

渦槳6發動機在高空停車后的再起動過程不完全和地面一樣，其主要差別在于高空再起動時，不用起動電機帶動發動機轉子轉動，而是依靠飛行中的氣流沖壓效應帶動螺旋槳轉動（即進入風車狀態），并通過螺旋槳槳軸驅動發動機轉子轉動。

發動機進入風車前，預先將發動機點火裝置電路接通，當發動機轉子加速至某個轉速時，燃油從發動機燃油工作噴嘴噴入燃燒室;發動機轉子繼續加速，當燃燒室內燃油空氣混合氣達到合適比例時，點火裝置產生高能電火花點燃燃油空氣混合氣。點火成功后，依靠渦輪輸出功率使發動機轉子自動加速至慢車轉速，空中再起動周期結束。

與地面起動機輔助起動相比，空中再起動要比地面起動困難得多，主要難點在于：

（1）發動機在風車狀態下，進入燃燒室的空氣流速高，壓力、溫度低，使燃油點燃和穩定燃燒十分困難;

（2）高度越高，進入發動機的空氣流量越少，越容易造成富油熄火;

（3）高度越高，大氣溫度越低，壓力下降越大，所需的最小點火能量越大，越不利于點火源形成和火焰傳播。

因此，發動機從設計開始，就要對燃燒室的點火可靠性加以考慮，并在后續的部件和整機試驗中加以調整和驗證。按照AC25-7C[6]的要求，發動機空中再起動應滿足從供油到點火的時間不大于30 s，從點火到穩定慢車的時間不大于90 s。

2.3點火系統

渦槳6發動機的點火系統由電路和油路兩部分組成。其中，油路主要包括發動機輔助燃油泵、起動供油電磁活門。電路主要包括點火電源、2個點火線圈、2個點火器（裝有電嘴和起動噴嘴）。渦槳6發動機的燃燒室為環形，采用兩個裝有電蝕電嘴和起動噴嘴的點火器間接點火。其中，點火電源為機上28 V直流電匯流條或蓄電池。原理圖如圖3所示。

發動機點火成功，點火系統將自動或手動關閉。燃油通過正常工作油路，由工作噴嘴噴入燃燒室，維持燃燒室內火焰穩定燃燒。

3空中停車與空中再起動操作

渦槳6發動機空中停車采用的是順槳停車方式，目的是為了讓發動機/螺旋槳快速停止轉動。螺旋槳阻力與槳葉角的關系如圖4所示，當螺旋槳停轉后且槳葉角處于順槳位置時，飛機的相對氣流對螺旋槳阻力最小。

當發動機在空中停車后，需重新起動時，首先將螺旋槳進行回槳，使螺旋槳的槳葉角從順槳位置向小槳葉角方向變化，利用回槳時的氣流吹動螺旋槳槳葉帶動發動機轉子轉動并開始加速。然后，接通空中再起動開關，使點火系統通電，燃油系統供油，使燃油同時從燃油起動噴嘴和工作噴嘴噴入燃燒室，與空氣混合;點火器點火燃燒后，渦輪輸出功率，發動機轉子不斷加速。

當發動機轉子轉速上升至19.5%～23.5%時，松開回槳開關，結束人工回槳。當排氣溫度達到300℃時，斷開空中再起動開關，發動機自動進入工作轉速。發動機自動進入工作轉速后，前推油門至空中慢車位置，空中再起動操作結束。

要注意的是：在接近低槳距位置的較小槳葉角時，螺旋槳因氣流沖擊而高速旋轉可能產生巨大的負拉力，過大的負拉力將影響飛機的操縱。

4空中再起動試驗結果與分析

按渦槳6發動機技術說明書的規定，在高度2000～8000 m，飛行速度300～330 km/h，該發動機具備空中再起動的能力。為保證飛機安全，本次試驗高度選擇2700 m、4000 m、6000 m，飛行速度選擇300 km/h、330 km/h進行組合試驗，具體見表1所列。空中停車至空中再起動的準備時間約1～2 min后，再實施空中再起動操作。

本次試驗在表1規定的試驗點各開展了1次空中再起動試驗，均成功完成，試驗過程中監控的發動機主要參數變化如圖5～圖9所示。

4.1滑油溫度

從試驗結果中可以看出，發動機空中停車后，滑油溫度基本不變;空中再起動過程中，滑油溫度隨發動機轉子轉速的上升有明顯先下降再上升的趨勢。

分析認為，渦槳6發動機滑油在滑油泵壓力下，按發動機滑油出口→滑油散熱器→發動機滑油進口的路徑不斷進行循環。滑油主要是利用通過滑油散熱器的迎面氣流與散熱器內部熱滑油進行熱交換達到散熱冷卻目的。當發動機空中停車后，滑油停止了循環，但在氣流冷卻的作用下，散熱器內部的滑油（約14.5 L）溫度雖然繼續下降，但在發動機入口處滑油溫度數值采集部位的滑油因沒有氣流散熱，且受處于發動機內部的滑油（約33 L）影響，溫度下降相對較慢，故在發動機空中再起動前，滑油溫度顯示變化不大。

空中再起動后，隨著發動機轉子的轉動，滑油重新開始循環，滑油散熱器內的冷滑油從發動機滑油入口重新進入發動機，導致滑油溫度先出現下降;隨著發動機內部的熱滑油重新進入滑油散熱器，再流入發動機不斷循環，滑油溫度開始上升;隨著點火成功，滑油吸熱后溫度逐漸上升至正常工作溫度。

4.2排氣溫度

從試驗結果可以看出，發動機空中停車后，排氣溫度從350℃降至150℃，表明燃燒室內火焰熄滅，符合預期。空中再起動過程中，排氣溫度有先上升再下降再上升的趨勢。

分析認為，在空中再起動開始階段，燃燒室內起動噴嘴和工作噴嘴同時供油燃燒，燃氣溫度快速上升;當發動機轉速上升至工作轉速后，飛行員斷開了空中再起動開關，點火系統關閉，起動噴嘴斷油，此刻燃燒室內的燃油流量降低，造成排氣溫度降低，隨后飛行員前推油門，使得燃油流量增加，排氣溫度又逐漸上升至正常工作溫度，故空中再起動過程中排氣溫度最大值應出現在點火系統關閉的瞬間。

4.3扭矩壓力

從試驗結果可以看出，發動機空中停車后，扭矩壓力先短時下降再快速上升至峰值再降至0;空中再起動后，扭矩壓力呈逐漸上升趨勢。

分析認為，發動機空中停車初始階段，發動機供油斷開，輸出功率下降，造成扭矩下降;在空中停車開始的瞬間還伴隨著螺旋槳順槳，在順槳過程中，槳葉角開始變大造成旋轉阻力加大，而此時發動機轉子和螺旋槳的轉速由于慣性作用，還處于較大的轉速狀態;為克服螺旋槳轉動帶來的阻力，發動機轉子的轉動慣性轉變為維持發動機轉子和螺旋槳轉動的扭矩壓力，導致扭矩壓力短時上升至峰值。隨著槳葉角的增加，旋轉阻力繼續加大，發動機轉子的慣性能量逐漸減少，轉速快速下降，扭矩壓力持續下降至0。

在空中再起動初始階段，螺旋槳先回槳，轉速從0開始上升，發動機進入風車狀態，發動機轉子和螺旋槳的轉動能量來自于氣流吹動，發動機不輸出功率，故此時扭矩壓力顯示為0;當點火成功后，發動機開始輸出功率，扭矩壓力逐漸增加至正常狀態。

4.4轉速

從試驗結果可以看出，空中再起動過程中轉速從0到第1次達到平衡轉速的時間為9～12 s（從飛行員接通回槳開關開始計時）。

渦槳6發動機技術說明書要求，當發動機轉子轉速上升至19.5%～23.5%時，斷開回槳開關，回槳中止，這是該發動機與原4葉螺旋槳匹配裝機空中再起動的要求。

在進行本次空中再起動試驗時，接通回槳開關3～4 s，轉速就達到了23.5%，飛行員從觀察到轉速上升至規定值時到斷開回槳開關的這段反應時間約1 s，此時轉速已超過30%，其結果可能會導致錯過燃燒室內最有利的點火油氣比，造成點火失敗。這可能與該發動機與6葉螺旋槳匹配后，螺旋槳的轉動慣量變小有關，實際上6葉螺旋槳回槳后轉速上升的速率比4葉螺旋槳大，同時飛行速度越快，回槳后的轉速上升也越快，飛行員如果不及時斷開回槳開關，槳葉角繼續增加，轉速會上升更快，故提高了飛行員操作的難度，提升空中再起動失敗的概率。

另外，高度越高，空起過程中轉速慣性峰值越大，這是由于高空空氣稀薄，對螺旋槳的阻力相對減少，轉速慣性的持續時間相對延長。

4.5其他參數

從試驗結果可以看出，發動機空中停車后，發動機振動值、燃油噴嘴壓力、滑油壓力均變為0。隨著發動機空中再起動過程中轉速的不斷上升，這些參數值會逐漸加大至正常值，符合預期。

5結束語

（1）渦槳6發動機配裝6葉槳后，空起性能良好，從按壓空中再起動開關到慢車轉速的時間為12 s左右，滿足AC25-7C規定的小于90 s要求，符合適航安全性要求;

（2）高度越高，空起過程中轉速慣性峰值相對越大，需額外注意轉速急增情況，避免超轉情況出現;

（3）空中再起動主要關注的參數應為轉速、扭矩壓力、排氣溫度、滑油溫度、發動機振動值、燃油噴嘴壓力、滑油壓力為次級關注參數;

（4）空中再起動時應考慮監控滑油散熱器內部的滑油溫度，由于與溫度采集部位的滑油存在溫度差，導致空中再起動時進入發動機的滑油溫度偏低。如果滑油過冷，滑油粘度大，可能會導致發動機供油控制滯后，造成燃燒室內工作燃油供油時間晚，點火時油氣比不合適;

（5）由于渦槳6發動機空中再起動采用的是風車起動方式，依靠點火系統與回槳系統協調工作進行，建議后續采用計算機/控制器采集轉速、排氣溫度信息，通過計算機/控制器輸出的時序控制來協調點火系統與回槳系統的工作，降低飛行員負擔，進一步提升空中再起動的成功概率。

參考文獻：

[1]張永.基于發動機空中停車事件論發動機工程管理的體系建設[J].航空維修與工程，2010（2）：73-75.

[2]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——淺論航空發動機起動機輔助空中起動[J].航空發動機，2009，35（2）：1-5.

[3]中國民用航空總局.運輸類飛機適航標準：CCAR-25-R4[S].北京：中國民用航空總局，2011.

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[5]徐莉，曾文斌.渦漿6型發動機應急順漿液壓控制系統設計[J].液壓氣動與密封，2014，34（8）：40-42.

[6] United States Federal Aviation Administration.AC 25-7D-Flight Test Guide For Certification Of Transport Category Air? planes[M].FAA，2012.