某涡轴发动机空中启动参数分析

任智勇，李志鹏，汪　涛

(中国航空工业集团公司 中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089)

某涡轴发动机空中启动参数分析

任智勇，李志鹏，汪涛

(中国航空工业集团公司 中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089)

摘要：发动机空中启动试验是评价发动机性能的重要手段。介绍了某涡轴发动机空中启动试验方法，分析了启动时间、启动中燃气涡轮后温度T45峰值、关车后降温时间随启动高度的变化关系，发现随启动高度增加，启动时间呈二次曲线增加、T45温度峰值线性下降、关车后降温时间增加。分析结果为改良设计和后续安排相应科目试飞提供了指导。

关键词：涡轴发动机；空中启动；启动时间；T45峰值；降温时间

1引言

航空发动机的空中启动特性对保障飞行安全至关重要。当由于各种原因出现发动机空中停车后，可靠的空中启动是使飞机重获动力进而恢复战斗力的基础。因此，空中启动是发动机试验中的重要环节，也是对其性能考核的重要指标。

针对发动机空中启动的研究有：朴英[1]建立了数字仿真模型，研究了多种参数对启动的影响，并分析了空中启动的影响因素；张绍基[2]进行了涡扇发动机空中启动特性分析；Casey等[3]在地面模拟了涡扇发动机空中启动，并提出了评定启动时间的等效方法。然而，目前的空中启动研究大多集中在仿真模型和地面模拟，针对真实条件下的研究较少，如张媛等[4]进行了某涡轴发动机空中启动试验故障分析，发现启动失败源于起动机和供油控制不匹配。

采用仿真模型和地面模拟发动机的空中启动并不能完全真实地反映发动机装机的运转情况，只有装机进行飞行试验，才是验证发动机空中启动性能最直接、最可靠的方式。通过空中启动飞行试验，可以从中总结规律，并暴露设计缺陷，进而改良设计。本文通过分析某型涡轴发动机空中启动飞行试验数据，总结了发动机进行空中启动时几个相应参数的变化规律，从而对改良设计和后续进行试验提供了指导。

2试验对象简介

本文的研究对象是某型全权限数控控制(Full Authority Digital Engine Control,FADEC)涡轮轴发动机，该型涡轴发动机采用气源启动，气源可来自辅助动力装置(Auxiliary Power Unit,APU)或另发。发动机启动过程完全由数控系统控制，当发动机状态选择开关由“停车”拨到“慢车”时，数控系统打开启动空气电磁阀，使高压气源带动空气涡轮起动机，进而通过齿轮传动带动燃气涡轮转子。同时，发动机燃烧室点火。当燃气涡轮转速Ng达到一设定值时，按照设定供油规律开始供油，转速上升至一定值时起动机脱开，发动机进入闭环转速控制。考虑到该型涡轴发动机的设计及匹配，飞行试验专门改造了试验直升机平台，双发换装被试发动机进行。

3试验方法

试验机执行空中启动科目时，只有一发正常工作。在低高度下，单发功率可以维持直升机平飞，空中启动试验可在有利速度下单发平飞进行。在高高度下，单发功率无法维持平飞，因此需要先爬升至更高高度，再放距下滑，在下滑中需用功率小于平飞时需用功率，从而可使工作的一发不进入应急状态，进行另发的空中启动试验。

对于涡轴发动机而言，由于其进气道并非完全朝向机身前方，且一般直升机飞行马赫数低于0.3，进气道内冲压作用对启动的影响很小，几乎可以忽略不计。即便如此，由于风车状态对于启动发动机更有利，因此国军标要求对空中启动的考核重点放在小速度边界。另一方面，直升机在小速度时阻力较小，工作发动机负担轻，因此每个高度的空中启动试验选择在试验机小速度下进行，各高度层速度基本一致。

空中启动试验均在常温下进行，且相关试验实施日期比较接近，环境温度稍有变化。试验主要用于发动机空中启动性能摸底，以便于后续优化发动机设计及安排相关鉴定试飞。

4试验结果及分析

被试发的空中启动试验在包线内选取了若干个气压高度层进行，每个高度层若干次启动，其中低高度完成了交叉启动。

录取了空中启动试验数据，并对其中启动时间、启动过程中T45峰值、关车后冷却时间随启动高度的变化进行分析。所有图表中，试验高度、时间、T45温度均进行了归一化处理，且相同的物理量采用了相同的处理方式。

4.1启动时间

发动机启动时间是衡量启动性能的一项重要指标。启动时间定义为从发动机状态选择开关拨到“慢车”开始，至发动机燃气涡轮转速Ng达到慢车转速。发动机启动过程中，由起动机带转燃气涡轮逐渐过渡到涡轮产生功率带动燃气涡轮，最终达到稳定转速。图1给出了启动时间随启动高度变化的试验结果，以及拟合曲线。

图1　启动时间随启动高度变化关系

可以看出，随高度增加，启动时间也逐渐增加，二者近似成二次曲线关系。由于高度增加，大气密度减小，一方面使起动机输出功率减小，在起动机带转阶段带转能力下降，转子加速时间增加，另一方面使涡轮的剩余功率降低，燃气涡轮转子加速时间增加。此外，高空中为避免启动时超温而限制了供油量，也使启动时间变长[5]。在高高度下，可以适当提高起动机脱开转速，延长带转时间，以避免启动失败。另外，从图中可见，各次相同高度试验之间偏差较小，意味着启动时间这一参数重复性较好，受环境温度影响不大。

4.2启动过程中T45峰值

发动机的启动过程属于典型的过渡态过程，期间由于燃油供给量逐渐增大，燃气涡轮后排气温度T45逐渐升高，如果出现热悬挂等现象，就容易造成发动机超温。为避免超温损坏发动机，需要关注启动过程中T45峰值。图2给出了各高度下T45峰值的试验结果，以及同一台发动机之前采用机械液压控制系统时的空中启动T45峰值数据。

图2　T45峰值随启动高度变化关系

由图2可见，随启动高度增加，T45温度峰值在逐渐下降，二者近似成线性关系。各高度启动时的T45峰值均远远低于发动机启动限制值，且同一高度的T45峰值较接近。而在采用机械液压控制系统时，启动中T45温度峰值显著增大，且同一高度各次试验之间数据差别也较大，在启动过程中甚至出现了超出温度限制的情况，由飞行员终止启动。可见，采用机械液压控制时，由于控制精度不够高，控制逻辑不甚合理，使得启动参数的重复性差，且极易出现启动超温，不利于发动机稳定启动。采用FADEC控制系统后，得益于电控系统的控制精度提高，改善了启动过程中的供油规律，一方面降低了T45的超调，避免了发动机启动过程中超温，另一方面使启动T45温度的重复性改善，有利于发动机稳定启动。

4.3关车后降温时间

发动机手册规定，启动发动机须在T45温度低于一定值后方可进行。对于高空空中启动试验，由于需要先爬升至更高高度，在下滑过程中执行，为了准确匹配启动高度，并尽量在手册允许范围内的较高温度下启动，有必要了解各高度发动机关车后降温至启动温度的时间，以便安排后续试验。图3给出了降温时间随启动高度的变化曲线。

图3　关车后降温时间随启动高度变化关系

可以看出，在图中A高度以下，降温时间随启动高度增加缓慢增加。由于随高度增加，大气密度逐渐降低，流过发动机内部的空气流量减小，使发动机散热变慢，同时随高度增加，大气温度也逐渐降低，有利散热。但温度降低的影响小于流量减小带来的影响，因此总体上降温时间变长。A高度以上，有几次试验的降温时间随启动高度增加迅速增加，经过分析发现，这几次试验在关发动机之前，在“慢车”状态保持的冷机时间并未达到要求的时间，结果关车后T45温度显著高于正常关车，风车状态下降温缓慢，降温时间更长，以至于冷机时间与降温时间之和反而增加。

出现以上“停车”反而比“慢车”降温慢的原因在于，在发动机由“飞行”切换到“慢车”状态时，虽然发动机仍在运行，但是此时燃气温度实际低于发动机热端部件的内在温度，而此时发动机内部空气流量远大于关车后的风车状态，“慢车”的效果类似于冷运转，因此反而降温比关车后更迅速。当发动机热端部件接近燃气温度后，延长“慢车”时间将使总降温时间增加。因此，在“慢车”状态保持适当的时间，有利于缩短冷却时间。冷机时间的最优值还有待后续试验摸索。

5结论

本文介绍了某涡轴发动机空中启动试验的方法，通过分析空中启动试验数据，得出以下结论：

(1)受起动机和涡轮功率减小、供油限制等因素影响，随高度增加，启动时间近似呈二次曲线增加。

(2)相比于机械液压控制系统，FADEC控制系统提高了控制精度，改善了控制逻辑，使得随高度增加，T45温度峰值略呈线性下降，且改善了启动T45温度的重复性。

(3)随高度增加，关车后降温时间逐渐增加，关车前在“慢车”状态保持适当的冷机时间能缩短降温时间。最优冷机时间有待后续试验摸索。

以上结论有利于了解当前发动机空中启动特

性，对于后续安排空中启动试飞科目提供了指导，也为设计院所改良发动机设计提供了帮助。

参考文献

[1]朴英．航空燃气涡轮发动机启动性能分析[J]．航空动力学报,2003,18(6):777-782.

[2]张绍基．涡扇发动机空中风车启动特性分析[J]．航空发动机,2004,30(4):1-9.

[3]Wade Casey,Donald Malloy,Steve Arnold,et,al.A Method to Compare Turbine Engine Airstart Times[C].Proceedings of GT2007,GT2007-27036,1-8.

[4]张媛,刑雁,黄陈生.某型涡轴发动机空中启动故障分析[J]．燃气涡轮试验与研究,2009,22(2):43-45.

[5]廉筱纯,吴虎.航空燃气轮机原理[M].北京:国防工业出版社,2000.

Study on Airstart Parameters of a Turboshaft Engine

Ren Zhiyong,Li Zhipeng,Wang Tao

(Chinese Flight Test Establishment,Aviation Industry Corporation of China, Xi′an 710089,Shanxi,China)

Abstract：Airstart experiment is an important means of assessing the performance of an engine.The airstart experiment method of the turboshaft engine is introduced first.Then the relationship of the starting time,the maximum T45 through starting,the cooling time after powering off with the airstart height is analyzed.It is found that as the airstart height increases,the starting time will get a parabolic increase,the maximum T45 will decrease linearly,and the cooling time will increase.The results of the analysis provide guidance of improving design and arranging flight test in the future.

Keywords:turboshaft engine;airstart;starting time;maximum T45;cooling time

[收稿日期]2016-02-24

[作者简介]任智勇(1990—)，男，陕西西安人，硕士，助理工程师，从事发动机试飞技术研究工作。

中图分类号：V233.6

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.01.008