無人直升機發動機高原起動性能改善研究

段勇亮

中國直升機設計研究所

為了探究發動機高原起動性能的影響因素，本文將發動機起動理論與無人直升機高原起動實際數據分析進行對比研究，進而找出影響發動機高原起動性能的因素，并據此提出改善發動機高原起動性能的三項措施。

我國幅員遼闊、地形復雜、西高東低，青藏高原平均海拔超過4000m。為滿足無人直升機在高原地區的使用要求，發動機必須具備優異的高原起動性能。與平原機場相比，高原機場的環境和氣候具有海拔高、氣壓低、大氣密度小、晝夜溫差大等特點，這對發動機高原起動性能產生了不利影響。

為此，本文依據發動機起動原理，對無人直升機發動機的高原起動實際數據進行分析，找出影響高原起動性能的因素。

發動機起動原理

發動機地面起動是指，在起動系統控制下，發動機轉子從靜止狀態加速到慢車狀態的過程。在起動階段，發動機必須借助外界動力源，因為發動機起動時燃氣渦輪產生的功率不足以帶動發動機轉子加速。只有發動機達到一定轉速后，燃燒室內的氣流才能建立穩定燃燒，維持燃氣發生器正常自立運轉。發動機起動過程一般分為3個階段。

第1階段也稱冷運轉階段（0≤N＜N1，N表示發動機轉速），是從起動發電機接通到燃燒室噴油點火，燃氣渦輪開始做功的階段。在此階段，發動機轉子在起動發電機帶動下，達到點火轉速。

第2階段為起動發電機與渦輪共同帶轉階段（N1≤N＜N2），是從燃氣渦輪投入工作到起動發電機退出起動狀態的階段。這此過程中，起動發電機和燃氣渦輪共同帶動發動機轉子加速。隨著轉速的上升，壓氣機需用扭矩和渦輪產生的可用扭矩均不斷上升，但是渦輪產生的可用扭矩的上升速度更快。當渦輪產生的可用扭矩增加到壓氣機需用扭矩時，此時發動機燃氣發生器達到平衡狀態，起動發電機即可退出起動狀態。但是，為了保障發動機正常起動并縮短起動時間，起動發電機須要繼續工作一段時間再退出起動狀態。

第3階段為渦輪單獨帶轉到慢車狀態（N≥N2），是從起動發電機退出起動狀態到發動機加速到慢車狀態的階段。在這一過程中，壓氣機轉子帶動只由燃氣渦輪完成。當發動機燃氣渦輪輸出扭矩與發動機燃氣發生器阻力矩第二次達到平衡狀態時，發動機隨機達到慢車狀態。

圖1 發動機起動過程扭矩圖。Tst表示起動發電機輸出扭矩；Tt表示發動機燃氣渦輪輸出扭矩；Teng表示發動機燃氣發生器阻力矩；N1表示發動機點火轉速；Nbal表示Tt與Teng第一次達到平衡時的轉速；N2表示起動發電機退出起動狀態時的轉速；Nidl表示慢車轉速。

發動機高原起動的特點

相較平原地區，發動機在高原起動具有以下特點。

（1）起動時間更長

由于高原大氣密度小，在相同進氣體積流量條件下，發動機的進氣質量流量降低。發動機功率下降，做功能力降低，發動機燃氣發生器輸出扭矩降低，從而導致發動機轉子的加速度減小，起動加速時間增長。

（2）發動機易發生熱懸掛

由于進氣質量流量下降，發動機的余氣系數減小。在相同進氣溫度條件下，油氣比會偏高，易產生富油燃燒，造成燃燒室后溫度升高。轉速的加速率常與燃燒室溫度升高不匹配，在數控系統溫度限制下，發動機極易發生熱懸掛。

（3）阻力矩更大

高原地區氣溫通常較低，潤滑油溫度相應降低，進而增加了潤滑油的粘性，發動機轉子的阻力矩隨之增大，起動難度加大。

（4）帶載能力不足

根據無人直升機的使用需求，發動機須要給無人直升機配套設備提供動力，驅動起動發電機發電。在平原地區，發動機達到自立轉速后，起動發電機即可由起動機狀態轉為發電機狀態，提取發動機功率為全機提供電能。在高原起動時，發動機達到自立轉速后至慢車轉速前，自身剩余的功率較低，帶載能力不足。若此時起動發電機正常提取發動機功率用于發電，可能會導致發動機轉速瞬時下降，甚至直接引起起動失敗。

發動機起動控制邏輯

（1）無人直升機發出起動到慢車的指令后，發動機立即接通點火控制信號、起動發電機控制信號和起動電磁閥信號。

（2）Ng表示燃氣發生器轉速，當Ng＜2600r/min時，發動機燃油系統開始按起動供油規律供油。

（3）起動時間達到25s或Ng≥16700r/min，發動機數控系統斷開起動電磁閥、點火控制信號。

（4）起動時間達到35s或Ng≥19300r/min，發動機數控系統斷開起動控制信號，起動發電機由起動狀態轉為發電狀態。

在起動過程中，發動機若出現下列情況之一，發動機數控系統將直接控制發動機停車。

正常停車：發動機接到無人直升機停車指令后正常停車。

起動超溫：在起動過程中，發動機渦輪間溫度T45超過規定的限制，發動機停車。

起動懸掛：發動機在起動過程中進入起動狀態30s后，Ng仍未達到8350r/min；或進入起動狀態70s內未起動到地慢，發動機停車。

故障停車：在起動過程中，發動機出現關鍵故障而停車。

此外，為在起動過程中保護發動機，數控系統設有超溫保護。當發動機渦輪間溫度T45超過800℃時，發動機自動減油。

無人直升機高原起動案例分析

試驗歷程

無人直升機在高原機場完成6次起動試驗，試驗歷程詳見表1。

表1 試驗歷程。

（1）發動機采用機載蓄電池起動4次。其中2次起動成功，2次起動失敗。

（2）發動機采用備用蓄電池起動1次，起動成功。

（3）發動機采用地面電源車起動1次，起動成功。

試驗數據分析

第3次和4次使用蓄電池的冷起動試驗，均因出現熱懸掛而失敗，現象一致。本文僅對第3次使用蓄電池的冷起動試驗數據進行分析。

（1）位置①：發動機開始供油。

（2）位置②：發動機點火成功。

（3）位置③：發動機燃氣發生器轉速加速率進入恒定閉環控制。

（4）位置④：因達到起動時間35s的要求，起動發電機退出起動狀態。起動發電機由起動機狀態轉換為發電機狀態。起動發電機從燃氣發生器提取功率，降低了燃氣發生器轉速的加速率。由于燃氣發生器轉速的加速率比給定值低，發動機增加供油量，T45隨之升高。

（5）位置⑤：T45超過800℃，為保證發動機不超溫，發動機自動減少供油量，燃氣發生器轉速的加速率降低。當T45低于800℃后，發動機又因燃氣發生器轉速的加速率偏低而再次增加燃油供應，T45再次超過800℃。

（6）位置⑥：發動機轉速依然無法上升，無法成功起動。操作員執行發動機停車程序，起動失敗。

高原起動試驗結果對比

為找出發動機使用蓄電池冷起動的成功與失敗結果間的差異，本文將發動機第1次、第3次、第4次使用蓄電池起動的試驗數據進行對比，如圖2所示。

圖2 第3次使用蓄電池的冷起動歷程曲線。Np表示動力渦輪轉速；Mkp表示發動機輸出軸扭矩；T45表示渦輪間溫度；WfmDem表示發動機燃油流量。

（1）第1次起動與第4次起動對比：點火成功后，與第4次起動相比，第1次起動的燃氣發生器轉速加速更快。

（2）第1次起動與第3次起動對比：點火成功后，與第3次起動相比，第1次起動的燃氣發生器轉速加速更快。

由發動機使用蓄電池進行3次冷起動的試驗數據對比可知，第3、4次起動試驗中的燃氣發生器轉速加速率明顯低于第1次起動，起動發電機帶轉能力顯著弱于第1次起動試驗。

據此，本文對起動電源在6次起動試驗過程中供給起動發電機的電流、電壓、功率及發動機工作狀態等數據進行分析，找出發動機高原起動的特點和影響性能的因素。起動電源供給起動發電機的電流、電壓、功率與發動機轉速的對應關系如圖5所示。

圖3 第4次使用蓄電池的冷起動歷程曲線。

圖4 發動機第1次、第3次和第4次使用蓄電池起動的數據對比。

圖5 起動電源供給的電流、電壓、功率與發動機轉速的對應關系。

經對比試驗數據后，本文得出如下結論。

一是起動電源的容量影響起動發電機的帶轉能力。發動機第3、4次使用蓄電池起動（總第4、5次試驗）時，起動電源供給起動發電機的電壓、電流比其他次起動偏低，蓄電池提供給起動發電機的功率越來越小，蓄電池功率衰減直接引起第3、4次使用蓄電池起動的試驗失敗。發動機第3次使用蓄電池（總第4次試驗）起動前期，燃氣發生器轉速加速緩慢。由此可知，蓄電池容量下降將導致起動發電機帶轉能力下降。

二是高原起動時間增長。發動機第1、3、4次使用蓄電池起動（總 第1、4、5次試驗），均為發動機冷起動。其中，當發動機第1，3次使用蓄電池起動時，起動發電機均由于起動時間到達35s，數控系統按預定邏輯控制起動發電機退出起動狀態，此時發動機未達到自立轉速。相比于平原起動，發動機在高原起動時，其轉子加速率明顯減小，起動時間增長。

三是熱起動更順暢。與第1次使用蓄電池起動相比，發動機第2次使用蓄電池起動（總第3次試驗）時，燃氣發生器轉速加速更快，起動更順暢。雖然第2次使用 的蓄電池容量較第1次偏低，但第2次起動為熱起動，發動機自身的溫度較高，潤滑油粘度低，發動機阻力矩較低。

四是起動過程帶載能力不足。從各次起動過程看，起動發電機從起動機轉為發電機后，發動機燃氣發生器轉速的加速率均出現明顯降低。

起動失敗的原因分析

發動機點火成功之前，發動機燃氣發生器由起動發電機單獨帶轉。發動機點火成功后，燃氣渦輪和起動發電機共同提供功率，助力發動機起動。但是在不同階段，燃氣渦輪和起動發電機的功率占比不同。在起動前，起動發電機的輸出功率占比較高。

當發動機第3次使用蓄電池進行冷起動時，蓄電池提供給起動發電機的功率偏低，導致起動發電機帶轉能力偏低，空氣流量偏低，使起動過程中的油氣比與燃氣發生器轉速不能有效匹配，燃油霧化差，造成聯焰困難，點火時間可能增長，燃氣渦輪做功能力差，在規定的35s內，發動機在起動發電機單獨帶轉下無法加速到自立轉速。起動發電機由起動機狀態轉換為發電機狀態后，從燃氣發生器提取功率用于發電，進一步惡化起動環境，從而導致起動失敗。

當發動機第4次使用蓄電池進行冷起動時，蓄電池提供給起動發電機的功率進一步降低，起動發電機帶轉能力進一步降低，燃氣發生器轉速加速更慢，發動機出現熱懸掛，起動失敗。

總結

根據無人直升機發動機6次高原起動試驗的分析以及發動機高原起動的特點，本文提出以下改善發動機高原起動性能的措施。

一是增加蓄電池的容量。蓄電池容量越大，供給起動發電機的電壓越高，可有效提高起動發電機的帶轉能力，從而提高燃氣發生器轉速的加速率，達到改善起動性能的目的。在無法增加蓄電池容量的情況下，應確保蓄電池處于滿電狀態以及起動電壓、電流和功率滿足高原起動需求。

二是采用熱機起動。發動機處于熱機狀態時，潤滑油粘度較低，大大減小了發動機轉子的阻力矩。因此，若第一次起動失敗后，發動機有一定程度的升溫，可嘗試再次起動。通常，再起動成功率較第一次冷起動成功率高。此外，對發動機進行加溫，可提高發動機高原起動的成功率。

三是起動過程中避免功率提取。高原的大氣密度低，在起動過程中發動機剩余功率較低。起動發電機轉為發電機狀態后，直接提取發動機功率，會增加發動機負載，對起動影響很大。在高海拔環境下，發動機實際做功能力減弱，此時若發電負荷超過發動機做功能力，可能會導致發動機熱懸掛，發動機無法成功起動。因此，在發動機成功起動到地慢前，起動發電機轉為發電機狀態后，暫不向無人機直升機系統供電。 ■