基于可控切油技术的惯性启动试验方法研究

申世才，郝晓乐，晁晓亮，杨　雄

(中国飞行试验研究院 发动机所，陕西 西安 710089)

基于可控切油技术的惯性启动试验方法研究

申世才，郝晓乐，晁晓亮，杨雄

(中国飞行试验研究院 发动机所，陕西 西安 710089)

摘要：传统的惯性启动试验方法有操作复杂、存在安全隐患等多方面问题。为满足航空发动机惯性启动试验安全性等方面的需求，基于可控切油技术，在不同高度和表速条件下开展了主燃烧室熄火试验。试验结果表明，以最大切油量和0.5s～7.0s的不同切油持续时间减少主燃烧室供油量，均能使主燃烧室熄火、发动机停车。根据以上试验结果，结合某发动机惯性启动特点，建立了一种惯性启动试验方法。试验结果表明，该惯性启动试验方法具有操作简单、安全性高等突出特点。

关键词：惯性启动；主燃烧室熄火；最大切油量；切油持续时间

1引言

发动机在空中工作遭遇意外熄火停车时，当发动机转速降至某一转速后，控制系统自动执行空中启动，这种方式的启动称之为惯性启动。惯性启动是发动机重要的空中启动方式之一，其性能试验是航空发动机设计鉴定或定型的重要内容。发动机空中意外熄火停车进而执行惯性启动的机会可遇不可求。因此，在飞行试验中，通常通过主动操作使得主燃烧室熄火、发动机停车，进而发动机进入惯性启动程序，达到验证惯性启动的目的。传统的惯性启动试验方法通过收油门杆至停车位置切断主燃烧室供油的方式使得主燃烧室熄火、发动机停车。试验结果表明，该试验方法可以验证惯性启动[1-2]。

发动机稳定工作时，主燃烧室余气系数处于贫油熄火边界和富油熄火边界之间的稳定燃烧范围[3-4]。若主动控制减少主燃烧室供油量，其余气系数突升，可促使主燃烧室进入贫油熄火边界，进而发动机停车，进入惯性启动程序。国内高校及研究院所针对主燃烧室切油技术开展了大量研究，已成功应用在发动机消喘系统设计中[5-8]，但研究内容多关注切油对发动机稳定裕度的影响，而对于切油导致主燃烧室熄火和在惯性启动试验中的应用等方面的研究较少。

本文详细分析了传统的惯性启动试验方法，基于可控切油技术，开展了控制主燃烧室切油量和切油持续时间使得主燃烧室熄火的试验研究，根据试验结果建立了操作简单、安全性高的惯性启动试验方法，并进行了试验验证。

2传统试验方法

一般情况下，发动机进行惯性启动应满足以下条件[2-9]：(1)发动机油门杆处于慢车或慢车以上位置；(2)无轮载；(3)发动机高压转速等于惯性启动转速；(4)“允许防喘”开关处于打开位置。

如图1所示，当以上条件满足时，控制器向启动箱发出控制指令，启动箱控制点火、补氧装置进行主燃烧室点火、补氧；同时，控制器向供油调节器发出主燃烧室供油指令，进行启动供油调节。

图1　发动机惯性启动原理框图

传统的惯性启动试验方法均是通过启动箱电气线路的改装(断线[1]或串联控制开关[2])，在油门杆收至停车位置切断主燃烧室供油时，使得启动箱接收到的油门杆信号仍满足惯性启动条件中的第(1)条，进而推油杆进行惯性启动。该试验方法在实际使用过程中，暴露了以下问题：

(1)试验操作复杂，必须通过收/推油门杆实现主燃烧室断油和供油，且发动机停车后短时间内操作者必须对高压转子转速做出准确判断，在高压转子转速大于惯性启动转速时，推油门杆进行启动，否则，启动为非惯性启动方式。

(2)停车过程主燃烧室供油与意外停车情况下主燃烧室供油不符。实际停车情况下，由于油门杆仍在慢车或以上位置，惯性启动前主燃烧室仍有供油，而断油方式直接切断了主燃烧室供油，这导致不能在客观条件下考核主燃烧室的点火性能。

(3)存在安全隐患。若惯性启动失败，进行辅助启动或风车启动等其他方式启动时，发动机补氧、点火等时序仍为惯性启动时序[1]，可能导致二次启动失败。

航空发动机的飞行试验具有高风险的突出特点，因此对试验安全性具有苛刻的要求。收油门杆至停车位置切断主燃烧室供油的惯性启动试验方法操作复杂、存在安全隐患等多方面问题，尤其若应用在双发或单发载机的飞行试验中，一旦启动失败，飞机将单发着陆或迫降，可能导致事故的发生。因此，迫切需要研究并建立操作简单、安全性高的惯性启动试验方法。

3可控切油技术

某发动机增压系统由风扇、高压压气机组成，主燃烧室为短环形燃烧室。

当发动机发生喘振时，发动机控制器向主燃油电磁阀和回油电磁阀(如图2所示)发出指令，进行主燃烧室切油，短时减少主燃烧室供油量，增加发动机的稳定裕度。

图2　某发动机主燃烧室切油控制原理

该发动机除在消喘系统中设计有主燃烧室切油功能外，在控制器内还单独设计有主燃烧室切油程序：发动机在慢车或慢车以上状态，当触发该程序时，控制器通过主燃油电磁阀控制计量开关，减少供向主燃室的供油量，同时通过切油电磁阀打开启动装置的回油活门，使得部分燃油回到增压泵进口，再次减少供向主燃烧室的油量。

利用以上程序，若减少足够的供油量且持续一定的时间，主燃烧室将进入贫油熄火边界(如图3所示)[3]，从而达到主燃烧室熄火、发动机停车进而执行惯性启动的目的。

图3　主燃烧室稳定燃烧范围随高压转子转速和高度的变化

4主燃烧室切油熄火试验

通过测试改装，加装了“试验”开关，用以触发控制器内主燃烧室切油程序。试验点安排在惯性启动左边界附近，验证切油时主燃烧室的熄火情况。

4.1最大切油量试验

同一进气条件下，切油量越大，主燃烧室余气系数越大，主燃烧室越容易熄火。主燃烧室的供油量取决于计量开关和回油活门的流通面积的大小。当计量开关的流通面积最小、回油活门的流通面积最大时，主燃烧室的切油量最大，即主燃烧室的剩余油量最小。

不同高度、表速条件下，发动机在慢车状态稳定工作，进行最大切油量主燃烧室熄火试验，发动机切油持续时间th设置为1.5s。

图4　以最大切油量持续1.5s切油时，主燃烧室余气系数随高压转子转速的变化

由图4可知，以最大切油量持续1.5s进行主燃烧室切油，主燃烧室余气系数相对切油前慢车状态的余气系数突增38%左右，且突增的峰值不随高度的变化而变化。试验结果如表1所示。

表1　最大切油量主燃烧室熄火试验结果

由表1试验结果可知，在惯性启动左边界附近，发动机慢车状态稳定工作，以最大切油量持续1.5s减少主燃烧室供油量，均可使主燃烧室熄火、发动机停车。

4.2不同切油持续时间试验

若切油持续时间过短，即使主燃烧室熄火，当切油过程结束，主燃烧室供油恢复，混合油气在高温的条件下仍可能复燃，导致发动机不能停车，转速不能降至惯性启动转速。因此，切油持续时间也是影响主燃烧室熄火、发动机停车的重要因素之一。

在不同高度、表速条件下，发动机在慢车状态稳定工作，在最大切油量条件的基础上，分别进行不同切油持续时间的主燃烧室熄火试验，验证切油持续时间对主燃烧室熄火的影响。试验结果如表2所示。

表2　不同切油持续时间下主燃烧室熄火试验结果

由表2试验结果可知，在发动机惯性启动左边界附近，切油持续时间在0.5s～7.0s范围内，以最大切油量减少主燃烧室供油量，均可使主燃烧室熄火、发动机停车。

5惯性启动试验方法的建立及验证

某发动机惯性启动高压转子相对转速在57%～65%范围内，降至惯性启动转速用时在3s～10s范围内。

考虑以上因素，为避免主燃烧室切油程序和惯性启动程序冲突，且考虑到实际发动机停车情况下惯性启动前主燃烧室供油情况，结合主燃烧室熄火试验结果，主燃烧室切油程序中切油持续时间设置为1.5s、切油量设置为最大切油量。

建立的惯性启动试验操作方法如下：

(1)在指定的高度、速度点，打开“试验”开关，控制器接收到座舱“试验”开关信号，触发主燃烧室切油程序，主燃烧室熄火、发动机停车，高压转速降至惯性启动转速，自动执行惯性启动程序。

(2)启动成功后，复位“试验”开关。

(1)该试验方法操作简单、有效，仅需要打开和复位“试验”开关，不需要操纵油门杆和判断惯性启动转速，减轻了操作者的负担。

(2)由于设定的切油持续时间小于发动机高压转子转速降至惯性启动转速的时间，在切油结束后至惯性启动前的时间段内，主燃烧室供油与实际停车情况下一致。因此，该试验方法使主燃烧室点火环境更接近意外停车条件下的点火环境。

(3)短时切少主燃烧室供油逻辑和惯性启动逻辑相互独立，避免了对惯性启动失败后二次启动点火和补氧逻辑的影响，无安全隐患。

图=1.0　惯性启动过程典型参数曲线

序号HVinHg t结果1234H10.780.580.39成功1.000.590.45成功1.990.590.64成功2.160.610.66成功56789H20.750.620.49成功0.840.620.48成功1.000.630.51成功1.250.630.59成功1.610.650.83成功1011H30.920.650.55成功1.000.650.58成功

6结论

针对传统惯性启动试验方法操作复杂、存在安全隐患的缺点，本文基于可控切油技术，进行了主燃烧室切油熄火试验，在此基础上建立了一种新的惯性启动试验方法。综上所述，结论如下：

(1)在发动机惯性启动左边界附近，以最大切油量和0.5s～7.0s的切油持续时间减少主燃烧室供油量，均可使主燃烧室熄火、发动机停车。

(2)建立的惯性启动试验方法操作简单、安全性高。同时，采用该方法的惯性启动更接近意外停车条件下的惯性启动。该方法在航空发动机的试验中，具有一定的工程应用价值。

参考文献

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[3]廉筱纯,吴 虎.航空发动机原理[M].西安:西北工业大学出版社,2005.

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Study on Test Method for Inertia Starting based on Controllable Fuel Cutting Technology

Shen Shicai,Hao Xiaole,Chao Xiaoliang,Yang Xiong

(Engine Flight Test Technology Institute of Chinese Flight Test Establishment,Xi′an 710089,Shanxi,China)

Abstract：There are many problems in the experiments of traditional inertia starting,such as complex operation and potential security liability.In order to meet the security requirements of aero-engine inertia starting,based on controllable fuel cutting technology,the tests of the flameout in main combustion chamber of aero-engine are conducted in different height and indicated airspeed conditions.The experimental results indicate that when the fuel supply in the main combustion chamber is reduced by using maximum flow fuel cutting and fuel cutting duration at a range of 0.5s to 7s,the main combustion chamber will blow out and the aero-engine will cut off.On the basis of the above experimental results and combining the inertia starting characteristics of aero-engine,a new test method for inertia stating is developed.The experimental results indicate that the new test method for inertia starting has the obvious characteristics of simple operation and high safety.

Keywords:inertia starting;flameout in main combustion chamber;maximum flow fuel cutting;fuel cutting duration

[收稿日期]2016-03-01

[作者简介]申世才(1983—)，男，硕士，工程师，主要研究方向：发动机工作特性试验研究。

中图分类号：V233.6+18

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.01.009