浅谈航空发动机起动与点火系统

肖维东

【摘 要】目的：认识和了解航空发动机起动与点火系统的发展、分类、原理、作用以及新技术。方法：分类别介绍，使内容更加清晰，易懂。结果：先进的起动/发电机技术和点火技术使发动机具有更大的推重比和涵道比。结论：随着航空运输业对燃油经济性的重视和空军战术性能提高的的需要，原有的起动与点火方式将逐步被先进的前沿技术所取代。

【关键词】航空发动机；起动/发动机；点火技术；启动喷嘴

航空发动机，是为航空器提供飞行所需动力的发动机。作为飞机的“心脏”，被誉为“工业之花”，它直接影响飞机的性能、可靠性及经济性，是一个国家科技、工业和国防实力的重要体现。航空发动机起动与点火系统是航空发动机的关键技术。目前，世界上能够独立研制高性能航空发动机的国家只有美、英、法、俄，中等少数几个国家，技术门槛很高。1903年，莱特兄弟把一台4缸、水平直列式水冷发动机改装之后，成功地用到他们的“飞行者一号”飞机上进行飞行试验。这台发动机只发出8.95 kW的功率，重量却有81 kg，功重比为0.11kW/daN。发动机通过两根自行车上那样的链条，带动两个直径为2.6m的木制螺旋桨。首次飞行的留空时间只有12s，飞行距离为36.6m。但它是人类历史上第一次有动力、载人、持续、稳定、可操作的重于空气飞行器的成功飞行，就是这样一次简单的飞行，却标志着人类飞行的梦想变成现实。

航空发动机共有3种类型：活塞式航空发动机、燃气涡轮发动机、 冲压发动机。

航空发动机在进入工作状态前还有一个起动过程，其过程有两种：地面起动和空中起动。地面起动即发动机在地面从静止的停车状态加速到慢车状态的过程；空中起动即发动机空中停车再点火起动加速到慢车状态的过程。除冲压发动机外，活塞式发动机和燃气涡轮发动机的地面起动都需要起动源和点火系统，也就是说发动机在进入慢车转速以前必须有动力源带动，因为这个时候没有空气流过发动机，如果向汽缸或燃烧室喷油点火只能将发动机烧坏而不会转动起来，只有达到一定转速后，气缸或燃烧室内的气流才能建立其稳定燃烧所需要的气流压力和温度。空中起动是依靠转子在高空飞行时感受冲压动力，利用转子的风车自传功能，直接向燃烧室喷油点火；在发动机转子初速度不够时（小于发动机满转速的15%）可以借助俯冲来提高发动机核心机的转速而实现点火起动。

1 航空发动机的起动系统

1.1 起动活塞式发动机

起动活塞式发动机最早的方法是人工转动螺旋桨，这种方法是把螺旋桨当做杠杆转动发动机曲轴。现在转动发动机曲轴的动力常用的有气体压力和电动力两种，用前一种动力的方法，是将压缩空气送入汽缸，压缩空气在汽缸内膨胀，推动活塞，使曲轴旋转。利用后一种动力的方法，是用电动机带动惯性起动机旋转，然后利用惯性起动机储存的能量直接带动发动机曲轴旋转。活塞6甲型航空发动机就是依靠压缩空气来起动的，其起动系统是由空气压缩机、导管、随机气瓶、冷气起动分布器、起动阀门、起动注油系统等构成。空气压缩机装在发动机上，发动机工作时，空气压缩机向随机气瓶充气。发动机起动时，按下起动按钮，打开开关，压缩空气通过电动冷气阀门向冷气分布器输入压缩空气，压缩空气通过冷气分布器内的分流阀，经过冷气起动管路进入装在汽缸上的起动阀门，在气体压力下，气动阀门被打开，压缩空气进入汽缸燃烧室，推动活塞，使曲轴旋转，在曲轴转动的同时，也带动了分流阀旋转，压缩空气便根据汽缸的工作顺序，依次进入汽缸。

1.2 燃气涡轮发动机

1.2.1 涡轴发动机和涡桨发动机

涡轴发动机和涡桨发动机的起动系统，包括起动/发动机（气起动机）、高能点火器、高能电嘴、起动喷嘴、起动供油电磁阀、起动放油活门和放气活门等。涡轴发动机和涡桨发动机的起动，实质上是发动机燃气发生器转子的起动，是指发动机燃气发生器转子由静止状态开始转动并加速到慢车状态的一个过程。起动开始，起动机带动燃气发生器转子转动的同时，起动系统开始工作，起动电气系统使点火电嘴产生点火源，同时起动燃油系统开始供油，使起动喷嘴开始喷油。当转速达到n1时，发动机燃油系统也开始供油。这时在燃烧室内已形成稳定火源，源源不断地点燃新鲜混合气，涡轮开始发生功率，随着转速的增加，涡轮功率迅速增加，当转速超过最小转速时涡轮功率已大于压气机功率，起动机脱开而停止工作，在发动机的带动下转为发电状态。起动机有电动起动机（也叫起动-发电机）和燃气涡轮起动机等。为改进寒冷季节起动别的可靠性并取消热起动，1970年，利尔·西格勒与塔利两家公司共同发展了一种火药助推电动起动机发电机系统，并用于军用T63发动机。

1.2.2 涡扇发动机和涡喷发动机

涡扇发动机和涡喷发动机的起动系统，包括起动/发动机（空气起动机）、高能点火器、气压高能电嘴、起动喷嘴、起动供油电磁阀、起动放油活门和放气活门等，与涡轴发动机和涡桨发动机不同的是起动过程越短越好。其中起动/发动机作为起动源起动发动机的原理与涡轴和涡桨发动机过程一样，不一样就是有的发动机起动时起动/发动机通过附件齿轮箱齿轮轴驱动核心机转子，带动燃气发生器转子旋转；有的发动机没有附件齿轮箱，起动/发动机通过中/高压转子组合体而驱动核心机转子，带动燃气发生器转子旋转；多电发动机“内装式”整体起动/发电机与发动机核心机同轴，直接带动燃气发生器转子旋转。

空气涡轮起动机属于无压气机的涡轮起动机，由单级蜗轮、减速器、棘爪离合器和传动轴组成。起动发动机时输出轴与附件齿轮箱连接，按下发动机起动按钮，来自辅助动力装置（APU）、地面空调车或者已起动好的发动机的压缩热空气，进入空气起动机，吹动叶轮旋转通过附件齿轮箱驱动核心机转子，带动燃气发生器转子旋转，以获得一定初速度，是流入的空气被压缩。优点是：输出扭矩大、重量轻、结构简单、工作可靠、使用方便。缺点是需要外界气源。

2 航空发动机点火系统

2.1 活塞式发动机

活塞式发动机的点火系统由磁电机、电嘴、燃油喷嘴（汽化器喷嘴和直喷）组成。

活塞式发动机的点火能量来自磁电机，它通过一个分配器把电脉冲送给发动机各个汽缸的火花塞。磁电机的工作原理基于电磁感应，它是一个组合式四级永磁发电机和自耦变压器。电机的基本元件为磁路、初级线路和次级线路：磁路是由四级永久磁铁、转子磁铁、转子极掌、极靴和变压器铁芯组成；磁电机初级线路由变压器初级线圈、断电器及与它并联的电容器组成；而次级线路则由次级线圈、高压引出线及配电系统组成。在磁电机内，由于变压器铁芯中的磁通大小和方向不断改变，因而在初级线圈中产生低压电流，断电器触点因凸轮盘的凸起在初级线圈电流最大的瞬间断开，在次级线圈中便感应出高压电流，此电流经高压导线到电嘴产生放电。特点是点火系统的工作贯穿于发动机工作的全过程。

2.2 燃气涡轮发动机

所有燃气涡轮发动机都采用高能点火装置，而且总是装备双套系统。点火系统的功用：产生电火花，点燃混合气。由电源、高能点火器、高压导线、点火电嘴、起动喷嘴等组成。

2.2.1 高能点火器可分为直流高能点火器（断续器控制和晶体管控制）和交流高能点火器

断续器式直流点火器由断续器机构、感应线圈、高压整流器、储能电容器、扼流线圈、放电间隙和安全电阻等组成。工作原理：低压直流电经过断续器机构和感应线圈的共同工作变为脉动高压电，再经过高压整流器给储能电容器充电；当电容器中的电压升高到密封放电间隙的击穿值时，点火电嘴端面即发生放电，产生电火花。

晶体管式直流点火器的工作原理与断续器式直流点火器相似。区别只是用晶体管断续电路即晶体管脉冲发生器取代直流断续器机构。其原理是利用三极管的开关作用产生自激振荡，而通过感应线圈产生脉动高压电。

交流高能点火器由变压器、整流器、储能电容、扼流线圈、放电间隙、放电电阻和安全电阻等组成。电源为115伏400赫兹交流电。工作原理：低压交流电经过变压器变为高压交流电，再经过高压整流器给储能电容器充电；当电容器中的电压升高到密封放电间隙的击穿值时，点火电嘴端面即发生放电，产生电火花。

2.2.2 点火电嘴

功用是产生电火花点燃混合气。目前航空燃气涡轮发动机上所用电嘴是一种表面放电式电嘴。这种电嘴在壳体和中心电极之间充有绝缘材料，中心电极的前端为钨电极头，外面包有一层碳化硅半导体材料。点火系统工作时，高能点火器的高压电通过高压导线输至电嘴，中心电极上的高压电使中心电极和壳体间的半导体绝缘材料表面产生电离作用，为储存在电容器中的电能提供一条低电阻通路。放电采取从电极到壳体高电压跳火的形式，形成高强度的火花。

2.2.3 起动喷嘴

功用是在发动机时将燃油呈雾状喷入起动喷油点火器内以保证迅速燃烧。由接管嘴和喷嘴组成。燃油雾化是使燃油通过一个扰流腔室，腔室内壁沿切线分布有一些孔或缝隙，燃油从中流过时把压力能变成运动能而形成涡流；燃油以这种状态通过喷嘴的喷口，此时涡流运动消失，燃油雾化成锥形喷流。喷流的形状是雾化程度的重要标志，扰动程度和喷嘴处的燃油压力是影响雾化优劣的重要因素。目前航空发动机上使用的有雾化喷嘴和汽化喷嘴。

3 先进技术介绍

3.1 新型燃油喷嘴

3.1.1 大调解比燃油喷嘴

这种燃油喷嘴能提高燃油喷雾均匀性，使燃油温度保持在可接受的范围之内，此为单通道喷嘴采用了回油技术。与传统喷嘴相比，能提高低油压下燃油雾化率，使点火燃油量减半，从而将喷嘴的调节比提高一倍。回流能保证燃油不断地高速运动，达到冷却喷嘴的目的。

3.1.2 泡沫喷嘴

它是将少量的空气，约为燃油流量的1%，在喷射之前与燃油混合。当油-气混合物喷射入燃烧室后，空气膨胀，将燃油破碎成小颗粒。这种燃油喷嘴的一个最有用的特性是颗粒尺寸不是燃油喷射孔直径的函数，因而允许使用大孔径的喷射孔，容污性更好。实验证明，这种泡沫喷嘴比传统喷嘴性能提高5%∽10%。

3.2 起动/发电装置

3.2.1 交流变频起动/发电机技术

罗·罗发动机公司的遄达1000发动机均装备两台发电机/235VAC，称作变频起动/发电机（VFSG），它们直接与发动机齿轮箱相连。它们之所以被称作“变频”，是因为他们产生的频率与发动机的速度成比例。当发动机运行时，变频起动/发电机是主电源。在遄达1000发动机附件传动装置中，起动/发动机通过带自动离合器（超越离合器）的双轴传动装置，与中压转子及高压转子连接。驱动装在高压转子传动轴上的从动轮，从而使起动/发电机驱动高压转子。当发动机起动后，高压转子转速很快增大；当达到慢车转速时离合器自动脱闸，起动/发动机与高压转子分离，此时，中压转子驱动起动/发电机发电。起动电源来自辅助动力装置的相同功率电源。辅助动力装置起动/发电机从专用电池（或地面电源）中提取电力，用于起动辅助动力装置。

3.2.2 内装式整体起动/发电机技术

通用电气公司在F110-129发动机上安装了内装式整体起动/发电机，内装式整体起动/发电机直接置于发动机主轴上，即起动/发电机转子绕组直接绕在发动机主轴上，而静止绕组镶嵌在对应的发动机静止结构内。其主要优点：1.取消了功率提取轴和减速器，可减小发动机重量和迎风面积。2.所产生的电功率由两个以上的发动机转子承担，可以重新优化燃气发生器的设计，有利于控制喘振和扩大空中点火包线，改善发动机适用性。3.以获得大的功率和电力，可以高达数兆瓦。4.采用了主动磁悬浮轴承技术，取消润滑系统。

3.2.3 开关磁阻式无刷直流起动/发电机技术

普惠F119发动机安装270V的开关磁阻式无刷直流起动/发电机，其高速运转易于提高功率密度、减小体积，电源效率高达90 %以上，发电时还可以吸收系统回馈的能量，且可靠性高、结构简单、配电电网重量轻、易于实现余度供电及不间断供电。

3.3 点火技术

3.3.1 激光点火技术

就是利用激光点燃主发动机燃料的技术，其工作过程是发动机需要工作时，用激光照射抛物线形喷嘴，在激光汇聚的地方形成点火区域，点燃主发动机燃料。为验证这一技术，俄罗斯专家使用波长为762纳米的固态钕激光连续照射普通长度发动机的燃烧室，激活燃烧室内的氧分子，使燃烧室内的混合燃料在低温条件下实现加速燃烧，即爆震燃烧。这种技术实际上是通过降低燃料的燃烧温度，从而大大提高了燃料的燃烧率，使燃烧室长度普通的发动机也可以实现超音速飞行的推力。从而使普通发动机达到超音速飞行燃气涡轮起动机推力成为可能。激光点火能有效控制点火时间和点火强度，因此能准确控制点火时刻，并且容易实现电控。

3.3.2 等离子流点火技术

等离子流点火技术是当今世界上一项比较先进的行之有效的化学燃料燃烧点火技术。等离子点火系统主要由电源和火花塞组成，两者以高压屏蔽电缆连接，带有屏蔽弯头和连接接头，分为单通道和双通道两种结构形式。交流电经过升压、整流。高电压脉冲发生器产生的高电压施加到火花塞的电极上。空气常态时呈电中性，当受到外界因素作用时，就发生电离而导电。在等离子点火系统中，电离主要以热电离和电场电离为主。电离产生的自由电荷受通道约束时，由于机械压缩效应，电弧能量密度加大。空气从电极间引入与电弧接触。气体被加热到等离子温度，进一步提高弧柱的能量密度，具有热压缩效应。以上两种效应的结果形成高能的等离子流，高速喷入燃料雾化锥中，完成点火功能。

4 结论

随着各国空军战术性能的较高要求和民用航空运输业对运输成本及燃油经济性的控制，先进飞机的发展对发动机的功能提升起着催化剂的作用，空军战术性能的高要求需要飞机配备大推重比发动机；伴随着高油价时代的到来，航空运输业为了节约成本，需要燃油消耗低、噪音小的大涵道比发动机。为此，先进的起动/发电机技术和点火技术在航空发动机领域得到广泛运用。

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[责任编辑：王伟平]