冷熱態(tài)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)性能的影響

王柏賀

(中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司 沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所,沈陽(yáng) 110015)

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)的起動(dòng)過(guò)程可劃分為三個(gè)階段:第一階段為按下起動(dòng)按鈕到點(diǎn)火成功前,為冷態(tài)加速階段,燃燒室未點(diǎn)火和供油,轉(zhuǎn)子升轉(zhuǎn)主要由起動(dòng)機(jī)單獨(dú)帶動(dòng),克服壓氣機(jī)耗功。第二階段為從點(diǎn)火成功到起動(dòng)機(jī)達(dá)到脫開(kāi)轉(zhuǎn)速,為熱態(tài)加速階段,燃燒室已點(diǎn)火和供油,渦輪開(kāi)始參與做功,轉(zhuǎn)子升轉(zhuǎn)主要是起動(dòng)機(jī)和渦輪做功共同克服壓氣機(jī)耗功。第三階段為起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)轉(zhuǎn)速到達(dá)慢車轉(zhuǎn)速,該階段起動(dòng)機(jī)已經(jīng)脫開(kāi),轉(zhuǎn)子加速主要由渦輪做功與壓氣機(jī)耗功差值產(chǎn)生[1-2]。

燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)過(guò)程十分復(fù)雜,起動(dòng)性能受許多因素的影響,主要包括起動(dòng)機(jī)功率、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、部件性能、大氣溫度、燃機(jī)冷熱態(tài)等。對(duì)于已經(jīng)臺(tái)架試車的燃機(jī)來(lái)說(shuō),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、部件性能、起動(dòng)機(jī)功率已在整機(jī)設(shè)計(jì)、試制之后確定,主要影響起動(dòng)性能的因素是大氣溫度與燃機(jī)冷熱程度。本研究主要分析燃機(jī)冷熱態(tài)對(duì)起動(dòng)性能的影響,以燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)起動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),定量研究冷熱態(tài)對(duì)起動(dòng)時(shí)間、點(diǎn)火成功轉(zhuǎn)速及主要部件性能參數(shù)的影響規(guī)律及機(jī)理[3-6]。

1 冷熱態(tài)對(duì)起動(dòng)時(shí)間的影響

開(kāi)展冷熱態(tài)對(duì)起動(dòng)時(shí)間影響分析,基于燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)起動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù),選取了在大氣溫度幾乎相同的情況下,不同程度的冷熱態(tài)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)點(diǎn)火成功轉(zhuǎn)速的影響規(guī)律。冷熱態(tài)的表征方法在工程上是以動(dòng)力渦輪出口總溫平均溫度與大氣溫度平均溫度差值來(lái)確定的,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示。

圖1 冷熱態(tài)對(duì)點(diǎn)火成功轉(zhuǎn)速的影響Fig.1 Influence of hot and cold state on successful ignition speed

從圖1可知,燃機(jī)點(diǎn)火成功轉(zhuǎn)速受冷熱態(tài)的影響較大,隨著動(dòng)力渦輪出口總溫平均值與大氣溫度差值的升高,燃機(jī)點(diǎn)火成功轉(zhuǎn)速相對(duì)來(lái)說(shuō)明顯降低,更容易點(diǎn)火成功。對(duì)于某型燃機(jī)而言,冷態(tài)下的點(diǎn)火成功轉(zhuǎn)速大部分集中分布在100%附近,熱態(tài)下則在85%附近,可以認(rèn)為,當(dāng)T6-T0(動(dòng)力渦輪出口總溫平均值與大氣溫度平均值的差值)相差120%時(shí),點(diǎn)火成功轉(zhuǎn)速相差15%。

按照燃機(jī)地面起動(dòng)過(guò)程進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)冷熱態(tài)的變化對(duì)起動(dòng)過(guò)程三個(gè)階段時(shí)間的影響,燃機(jī)各起動(dòng)次起動(dòng)過(guò)程三個(gè)階段時(shí)間隨T6-T0的關(guān)系見(jiàn)圖2、圖3、圖4 ,三個(gè)階段時(shí)間占比如圖5所示。

圖2 典型起動(dòng)次T6-T0對(duì)第I階段起動(dòng)時(shí)間的影響Fig.2 Influence of typical starting times T6-T0 on the starting time of stage I

圖3 典型起動(dòng)次T6-T0對(duì)第II階段起動(dòng)時(shí)間的影響Fig.3 Influence of typical starting times T6-T0 on the starting time of stage II

圖4 典型起動(dòng)次T6-T0對(duì)第III階段起動(dòng)時(shí)間的影響Fig.4 Influence of typical starting times T6-T0 on the starting time of stage III

圖5 起動(dòng)三階段起動(dòng)時(shí)間占比Fig.5 Proportion of starting time ratio in three stages

從圖2、圖3、圖4、圖5可以看出,第二階段起動(dòng)時(shí)間在總起動(dòng)時(shí)間中占比最大,約占50%,第一階段起動(dòng)時(shí)間次之,約占比35%,第三階段占比最小,約為15%;隨著T6-T0溫度的升高,第一、二、三階段的起動(dòng)時(shí)間均有所縮短,其中冷熱態(tài)變化對(duì)第三階段的起動(dòng)時(shí)間影響是較小的,主要影響第一和第二階段;第一階段和第二階段對(duì)于縮短起動(dòng)時(shí)間的作用是相同的,第三階段最小;在優(yōu)化燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)起動(dòng)時(shí)間時(shí),可重點(diǎn)考慮對(duì)第一和第二階段起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。

2 冷熱態(tài)對(duì)起動(dòng)性能參數(shù)影響分析

選取燃機(jī)同一天的連續(xù)多次試車數(shù)據(jù),在保證燃機(jī)進(jìn)口大氣溫度基本相當(dāng)?shù)那闆r下,研究冷熱態(tài)單一變量的變化對(duì)燃機(jī)主要起動(dòng)性能的影響,分析的性能參數(shù)包括燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速升轉(zhuǎn)速率、壓氣機(jī)壓比、動(dòng)力渦輪出口溫度平均值,見(jiàn)圖6、圖7、圖8。

圖6 冷熱態(tài)下升轉(zhuǎn)速率對(duì)比Fig.6 Comparison of lift rates under hot and cold conditions

圖7 冷熱態(tài)下壓比對(duì)比Fig.7 Comparison of cold and hot lower pressure ratio

圖8 冷熱態(tài)下動(dòng)力渦輪出口總溫對(duì)比Fig.8 Comparison of total outlet temperature of power turbine in cold and hot state

從圖6可知,熱態(tài)點(diǎn)火成功轉(zhuǎn)速較冷態(tài)點(diǎn)火成功轉(zhuǎn)速提前,判斷方式為根據(jù)升轉(zhuǎn)速率突增轉(zhuǎn)速點(diǎn)進(jìn)行判斷,分別為圖6中點(diǎn)1和點(diǎn)2,判斷原理為:燃機(jī)未點(diǎn)火成功前,核心機(jī)僅由起動(dòng)機(jī)單獨(dú)出功帶轉(zhuǎn),隨著燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高,壓氣機(jī)負(fù)荷逐漸增大,升轉(zhuǎn)速率持續(xù)下降,點(diǎn)火成功后,高壓渦輪開(kāi)始參與做功,結(jié)合起動(dòng)機(jī)自身帶轉(zhuǎn)能力作用,升轉(zhuǎn)速率會(huì)增大,出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)(點(diǎn)1、點(diǎn)2)。燃?xì)廨啓C(jī)從起動(dòng)到點(diǎn)火成功轉(zhuǎn)速前,冷熱態(tài)升轉(zhuǎn)速率曲線重合,主要原因是點(diǎn)火成功前,技術(shù)狀態(tài)固化的核心機(jī)負(fù)荷相同,起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)能力相同,升轉(zhuǎn)速率僅由起動(dòng)機(jī)扭矩和耗功確定,此時(shí)未供油、未點(diǎn)火,高壓渦輪未參與做功,基于此,可進(jìn)一步說(shuō)明燃?xì)廨啓C(jī)冷熱態(tài)主要影響點(diǎn)火成功后的第二階段和第三階段。

從圖7可知,熱態(tài)下的燃機(jī)更早點(diǎn)火成功,點(diǎn)火成功后,共同工作線更靠近喘振邊界,但壓比增大幅值較小,主要增大區(qū)間為點(diǎn)火成功轉(zhuǎn)速到60%轉(zhuǎn)速之間,當(dāng)轉(zhuǎn)速大于60%后,冷熱態(tài)下的壓比曲線基本重合。

可以認(rèn)為,冷熱態(tài)對(duì)起動(dòng)過(guò)程中壓氣機(jī)的性能影響較小,主要影響的是燃燒室性能與渦輪性能。從熱態(tài)下點(diǎn)火成功轉(zhuǎn)速提前可以初步推斷,燃機(jī)熱態(tài)起動(dòng)時(shí),燃燒室內(nèi)的壁溫較高,流經(jīng)燃燒室的空氣受熱膨脹,密度較小。燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)過(guò)程中,相同燃?xì)獍l(fā)生器換算轉(zhuǎn)速下的燃油流量是相同的,熱態(tài)下的燃燒室油氣比增大,熱態(tài)下的燃油霧化效果好,點(diǎn)火所需的能量較小,均有利于點(diǎn)火成功。

由文獻(xiàn)[6]可知,起動(dòng)性能與起動(dòng)前發(fā)動(dòng)機(jī)的熱狀態(tài)有關(guān),冷起動(dòng)和重復(fù)起動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱狀態(tài)不同,金屬中的焓也不同,造成壓氣機(jī)和渦輪轉(zhuǎn)子葉片與靜子機(jī)匣間的間隙值不同?？紤]熱交換和不考慮熱交換的起動(dòng)時(shí)間變化約為20%。研究發(fā)現(xiàn),冷起動(dòng)時(shí),渦輪間隙最大時(shí)其效率下降4%,在起動(dòng)過(guò)程的各個(gè)階段最多約有25%的熱氣流用于加熱部件,因此熱態(tài)起動(dòng)更利于點(diǎn)火成功及升轉(zhuǎn)速率提高。

從圖8可知,熱態(tài)下的動(dòng)力渦輪出口溫度更高,隨著燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速的提高,溫差減小,慢車轉(zhuǎn)速下,冷熱態(tài)的動(dòng)力渦輪出口溫度值基本相等,可以推斷出在起動(dòng)到慢車轉(zhuǎn)速前,熱態(tài)下的高壓渦輪效率更高,溫降較大,而對(duì)于冷態(tài)起動(dòng)而言,隨著燃燒室出口溫度的逐漸升高,高渦效率逐漸與熱態(tài)接近,在慢車轉(zhuǎn)速時(shí),溫度持平。

3 結(jié)論

對(duì)燃機(jī)各起動(dòng)次的性能統(tǒng)計(jì)分析得出,點(diǎn)火成功轉(zhuǎn)速與燃?xì)廨啓C(jī)冷熱程度息息相關(guān),熱態(tài)點(diǎn)火成功轉(zhuǎn)速與冷態(tài)點(diǎn)火成功轉(zhuǎn)速平均相差15%。對(duì)三個(gè)階段起動(dòng)時(shí)間影響分析認(rèn)為,第二階段占比最高,第一階段次之,第三階段占比最小,按照此規(guī)律對(duì)后續(xù)燃機(jī)起動(dòng)時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化,可重點(diǎn)對(duì)第一和第二階段進(jìn)行性能優(yōu)化,滿足用戶需求。

通過(guò)冷熱態(tài)對(duì)燃機(jī)起動(dòng)性能影響分析可知,熱態(tài)起動(dòng)會(huì)抬升共同工作線,但對(duì)后續(xù)起動(dòng)過(guò)程的影響較小,冷熱態(tài)下的轉(zhuǎn)速-壓比曲線差異性較小;點(diǎn)火成功轉(zhuǎn)速的提前主要受冷熱態(tài)對(duì)油氣比的影響,熱態(tài)下的燃油霧化效果好,油氣比高,更利于點(diǎn)火成功。