某渦軸發(fā)動機高閃點噴氣燃料低溫起動問題分析

朱明勇 皮星 盧聰明 王旭 鄒黎

（中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002）

燃氣渦輪軸發(fā)動機起動過程是一個非常復雜的物理過程，涉及到氣體熱力學、燃燒學、自動控制、傳熱學及材料學等多門學科[1]。起動過程是渦軸發(fā)動機必經的工作過程，不同的大氣條件、控制規(guī)律、燃油類型等均會影響發(fā)動機起動性能。為驗證發(fā)動機在起動包線內，特別是低溫條件下的地面起動性能，需進行低溫起動試驗[2]。

某型發(fā)動機是徑向進氣、單轉子燃氣發(fā)生器、預蒸發(fā)管燃燒室、自由渦輪式渦軸發(fā)動機，采用全權限數字式電子控制系統（簡稱數控系統）。在高空模擬試驗臺，分別使用3號噴氣燃料和高閃點噴氣燃料進行了地面低溫起動試驗。圖1為某次使用高閃點噴氣燃料低溫起動歷程曲線，圖中ng、T45表示燃氣發(fā)生器轉速、燃氣渦輪出口溫度，發(fā)動機點火、起動發(fā)電機帶轉正常，由于滑油溫度較低，發(fā)動機轉子阻力大，發(fā)動機剩余功率不足，ng懸掛，起動失敗。

圖1 使用高閃點噴氣燃料-40℃低溫起動歷程曲線

表1為3號噴氣燃料與高閃點噴氣燃料低溫起動情況對比表。

表1 3號噴氣燃料與高閃點噴氣燃料低溫起動情況對比

1.某渦軸發(fā)動機起動工作過程

燃氣發(fā)生器轉子從靜止狀態(tài)加速到慢車狀態(tài)的過程，稱為渦軸發(fā)動機的起動過程。某型渦軸發(fā)動機采用起動發(fā)電機帶轉，起動過程分為以下4個階段：

第一階段：PMS開關從“停車”位置撥到“慢車”位置，立即接通點火控制信號、起動電機控制信號、起動電磁閥信號，發(fā)動機燃氣發(fā)生器轉子由起動發(fā)電機帶動。點火系統打火一定時間后停止工作。

第二階段：ng轉速達到一定轉速時，燃油系統開始按給定的燃油流量向燃燒室供油。

第三階段：燃燒室點火成功后，燃氣開始驅動渦輪做功，與起動發(fā)電機共同驅動燃氣發(fā)生器轉子加速。

第四階段：起動發(fā)電機脫開后，發(fā)動機自行加速至慢車狀態(tài)。

2.問題原因分析

發(fā)動機起動懸掛可能有四方面原因：電機帶轉能力不足、點火系統能力不足、發(fā)動機供油不足、燃油霧化質量不足。具體分析如下：

（1）電機帶轉能力不足。車臺電源電壓滿足電機使用要求，起動發(fā)電機冷運轉帶轉轉速符合設計要求，因此電機帶轉能力不足可排除。

（2）點火系統能力不足。發(fā)動機地面低溫起動懸掛前均能正常打火，點火時間2s～4s，與正常起動時的點火時間基本相當，點火系統能力不足可排除。

（3）起動供油不足。點火成功后發(fā)動機ng轉速上升緩慢，燃氣溫度T45較低，所以可能為數控系統給定起動燃油流量偏低導致，需通過試驗進行驗證。

（4）燃油霧化質量不足。某型渦軸發(fā)動機燃燒室采用直射式噴嘴與蒸發(fā)管匹配實現燃油供給及霧化，霧化能力與離心噴嘴存在一定差距，在低溫條件霧化能力差。某型成熟渦軸發(fā)動機采用相同結構燃燒室，規(guī)定使用高閃點噴氣燃料時不允許在-30℃以下起動。說明該發(fā)動機由于結構受限，低溫起動能力較差。

3號噴氣燃料和高閃點噴氣燃料在成分、粘度、比熱容、密度等方面存在諸多差異。燃油運動黏性系數與低溫起動、噴嘴霧化有著密切的聯系，黏度越大，燃油霧化越差，越不利于低溫起動。表2為2種燃油不同溫度運動黏性系數對比。

表2 3號噴氣燃料與高閃點噴氣燃料運動黏性系數對比

由表2可知：高閃點噴氣燃油的運動黏性系數約為3號噴氣燃料的2倍，低溫條件下霧化效果更差，發(fā)動機點火、聯焰困難，因此使用高閃點噴氣燃油低溫起動的最低大氣溫度比使用3號噴氣燃料的最低大氣溫度要高。

因此，燃油霧化質量不足，發(fā)動機聯焰緩慢問題不能排除。

（5）問題原因分析小結。根據以上分析，電機帶轉能力不足、點火系統能力不足可以排除，發(fā)動機供油不足、燃油霧化質量不足不能排除，需開展專項驗證試驗。

3.改進措施及試驗驗證

3.1 改進措施

為提高發(fā)動機低溫起動性能，針對燃油霧化不足、發(fā)動機聯焰偏慢、起動供油偏低問題，主要從3個方面優(yōu)化起動控制邏輯：

（1）提高固定供油段填充供油量，從而提高燃油噴嘴霧化壓力，提升霧化質量。

（2）延長起動電磁閥和點火系統接通時間，改善發(fā)動機聯焰性能。

（3）提高發(fā)動機開環(huán)供油量和閉環(huán)燃油流量限制值，增加起動供油量。

3.2 試驗驗證

通過多輪起動控制規(guī)律優(yōu)化驗證試驗，改善了低溫起動性能，具體優(yōu)化參數如下：

（1）地面低溫條件下，固定供油段供油量增加25%。

（2）地面低溫條件下，開環(huán)供油量增加8%。

（3）根據燃油泵調節(jié)器能力，將35% ng、40% ng的燃油高限值分別提高2.3%、11.5%。

（4）起動電磁閥和點火系統接通時間延長5s。

主要驗證結果如下：

（1）3號噴氣燃料低溫起動驗證。圖2為優(yōu)化起動控制規(guī)律、按-30℃保溫后，使用3號噴氣燃料在-40℃進氣溫度和-30℃滑油溫度條件下起動歷程曲線，發(fā)動機起動成功。重復包括保溫時間在內的試驗程序共3次，均起動成功。使用3號燃油在地面低溫起動包線內成功起動，表明改進措施有效。

圖2 3號噴氣燃油-40℃低溫起動歷程曲線

（2）高閃點噴氣燃料低溫起動驗證。

1）試驗條件：-20℃保溫，進氣、滑油溫度均為-20℃。

圖3為優(yōu)化起動控制規(guī)律，使用高閃點噴氣燃料在-20℃進氣溫度和滑油溫度條件下起動歷程曲線，發(fā)動機起動成功。重復包括保溫時間在內的試驗程序共3次，均起動成功。

圖3 高閃點噴氣燃油-20℃低溫起動歷程曲線

2）試驗條件：-20℃保溫，滑油溫度-20℃，進氣溫度-40℃。

圖4為優(yōu)化起動控制規(guī)律后，使用高閃點噴氣燃料在-40℃進氣溫度、-20℃滑油溫度條件下起動歷程曲線。發(fā)動機點火和電機帶轉正常，ng轉速上升緩慢，T45溫度較低。A時刻，起動電磁閥和點火系統斷開，ng掉轉，隨后T45下降，表明燃燒室未聯焰成功，最終起動失敗。

圖4 高閃點噴氣燃料-40℃低溫起動歷程曲線

在圖4起動失敗后，再次進行起動試驗，起動歷程曲線見圖5。發(fā)動機起動成功。

圖5 高閃點噴氣燃油-40℃低溫熱起動歷程曲線

3）試驗條件：大氣溫度-40℃，滑油溫度0℃。在外場高寒試驗條件下，對滑油系統進行加溫，當滑油溫度達到0℃后停止加溫，在-40℃大氣條件下進行起動試驗。發(fā)動機起動成功。

（3）低溫起動驗證小結。

根據以上驗證結果，起動控制規(guī)律優(yōu)化后：

1）使用3號噴氣燃料地面低溫起動最低溫度擴展至低溫邊界；

2）使用高閃點噴氣燃料地面低溫起動最低溫度擴展至-20℃，外場使用時可通過熱起動或對發(fā)動機進行加溫的方式實現-40℃大氣條件下起動。

驗證結果表明，起動控制規(guī)律優(yōu)化措施有效。

4.結論

（1）該型發(fā)動機由于燃燒室結構受限，直射式噴嘴與蒸發(fā)管低溫霧化效果差，低溫起動能力較離心噴嘴型燃燒室偏差。

（2）通過提高固定供油段填充供油量、延長起動電磁閥和點火系統接通時間、提高發(fā)動機開環(huán)供油量和閉環(huán)燃油流量限制值等優(yōu)化措施，改善了發(fā)動機低溫起動性能，經驗證措施有效。

（3）起動控制規(guī)律優(yōu)化后，使用3號噴氣燃料在低溫起動包線內成功起動；使用高閃點噴氣燃料在-20℃保溫條件下成功起動，在-20℃保溫后按-40℃供空氣條件下冷起失敗、熱起動成功。原因是高閃點噴氣燃油的運動黏性系數約為3號噴氣燃料的2倍，低溫條件下霧化效果更差，因此使用高閃點噴氣燃油低溫起動的最低大氣溫度比使用3號噴氣燃料的最低大氣溫度要高。

（4）使用高閃點噴氣燃料在-40℃條件下，可通過加溫的方式實現外場起動。