高原条件对航空涡扇发动机启动性能影响分析

苗禾状，严文洁，张晓飞

(中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089)

高原条件对航空涡扇发动机启动性能影响分析

苗禾状，严文洁，张晓飞

(中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089)

摘要：介绍了航空涡扇发动机的启动原理及特点，分析了高原条件对涡扇发动机地面启动的影响，并以某涡扇发动机高原启动为例，通过与其正常启动性能比较，给出了高原条件对涡扇发动机地面启动的影响及相应的调整措施，为涡扇发动机进行高原启动提供参考。

关键词：涡扇发动机；地面启动；高原条件；调整措施

1引言

启动是涡扇发动机的一个非常重要的瞬态过程。对涡扇发动机启动系统的要求是：在高压压气机不喘振和涡轮前排气温度不超温的条件下，在允许的时间内按照设计的启动和供油规律使主燃烧室点燃，并能够使发动机转子加速至慢车状态。随着机场海拔高度的增加，大气环境压力降低，空气密度减小，导致进入发动机的空气流量比平原地区的明显减少。在启动时，受设计给定供油规律等限制，极易造成富油燃烧、发动机超温等问题，影响发动机启动的成功率。为了能充分考核涡扇发动机在其启动包线内的高原启动能力，GJB243A-2004《航空燃气涡轮动力装置飞行试验要求》5.1.2.4.1节中b)项要求“在海平面至规定的发动机地面启动高度区间，选择不同标高机场进行地面启动试验”[1]。

本文介绍了航空涡扇发动机的启动原理及特点，分析了高原条件对涡扇发动机地面启动的影响，并以某涡扇发动机为例，通过与其正常启动性能比较分析，最后给出高原条件对涡扇发动机地面启动的影响及相应调整措施，为涡扇发动机进行高原启动提供参考。

2涡扇发动机地面启动

涡扇发动机地面启动是指在地面启动控制系统下，使发动机高压转子从静止状态加速至慢车状态的非稳定瞬态过程。这时，发动机启动必须依靠外界提供启动时所需动力，因为这时没有相对气流流过发动机，如果此时向主燃烧室供油点火，只能将发动机烧损而不会使发动机转子转动起来。只有使转子加速至一定合适的转速后，燃烧室内的气流才能提供稳定燃烧时所需的压力和温度。因此，涡扇发动机地面启动时必须依靠启动机提供动力源来带动转子至启动点火时所需的合适转速。涡扇发动机地面启动一般包含以下3个阶段，如图1所示[2]。

图1　启动3个阶段-启动功率与转速关系注：图中，NK为启动时压气机消耗所需功率，NC为启动机输出功率(阴影区域为克服压气机所需功率NK后的启动机的剩余功率)，NT为燃气涡轮发出的功率。

第Ⅰ阶段(即冷运转阶段)：从启动机开始带动高压压气机转子转速至可以向主燃烧室供油、点火(即涡轮开始输出功率)，启动机输出功率可以带动发动机高压转子加速至点火转速n1。

第Ⅱ阶段(即启动机与涡轮共同输出功率带转转子加速阶段)：从涡轮输出功率(即主燃烧室开始供油点火时)到启动机完全脱开，转速n1加速至n2。当转子加速至超过最小平衡转速nmin(NT=NK)后，涡轮输出功率将大于压气机所消耗的功率，此时启动机可以完全脱开，不需要继续带转，但有时为提高启动的可靠性和缩短转子后半段的加速时间，启动机还将继续带转一会儿，与涡轮共同做功，将发动机转子带转至转速n2，再脱开。

第Ⅲ阶段(即涡轮单独做功带动核心机转子转速加速至慢车状态)：从启动机完全脱开至核心机转子加速至慢车状态，该过程单独由涡轮输出剩余功率△NT(△NT=NT-NK)将转子带转至慢车转速。该阶段涡轮输出功率和压气机所消耗功率达到平衡，即NT=NK，最终发动机在慢车转速稳定，启动成功。

3高原条件对航空涡扇发动机启动的影响

涡扇发动机高原启动的主要问题是启动时间长(甚至超出指标要求)、发动机转子超转、启动机或主机排气温度超温和启动可靠性差。高原条件的特点主要是气压低、空气密度小，以小型燃气涡轮发动机作为启动机或由辅助动力装置引气吹动燃气涡轮作启动机时，由于较平原正常启动时吸入发动机或启动机的空气质量流量变小，进而启动机功率显著降低，增加了启动过程中第Ⅰ阶段和第Ⅱ阶段的转子加速时间；在启动过程中的第Ⅲ阶段，由于主机的进气量变小，导致了其燃烧室内的燃烧条件变差，进而使涡轮剩余功率变小，使发动机高压转子加速度变慢，增加了发动机的启动时间。如果没有合理有效的措施，在海拔3500m以上，一般发动机可能会由于启动时间长而导致启动失败[3]。

在启动过程中，涡扇发动机主燃烧室燃油供油量，一般由转子加速过程供油规律和转速控制器同时控制，并与燃油流量控制器和启动放油电磁活门配合控制启动供油量。在涡扇发动机启动过程的第Ⅰ阶段，燃油不进入主机，而是经燃油流量控制器后，再经启动供油电磁活门等回到燃油低压系统，导致气压式启动控制器调节的供油量不能适应高原环境的变化，进而导致启动过程中排气温度高。在涡扇启动过程中的第Ⅱ阶段，由于发动机高压转子转速小，转速控制器不能对主燃烧室供油量进行控制，这时膜盒组件对供油量进行控制。由于高原环境压力的变化，使膜盒组件难以合理准确地控制启动过程中发动机的供油量，经常会出现启动过程发动机超温现象。

4某型涡扇发动机高原启动研究

4.1发动机正常启动特性

现以某涡扇发动机某次正常地面启动来分析其正常启动特性。平原启动典型历程曲线如图2所示，启动时，大气压力为P0=95.32kPa、大气温度为25℃。对该涡扇发动机启动过程3个阶段进行分析，从图中可以看出：I阶段：油泵不向发动机供油，启动机带动转子旋转，但转子速度上升约n2=16%时，为了确保可靠点火，产生了一个可调节的急增油量，并持续一段时间。II阶段：在转子达到启动机脱开转速约为n2=53%之前，启动机和涡轮同时工作。Ⅲ阶段：脱开启动机之后发动机独立工作，由涡轮将转子增速至慢车转速。随着转子转速继续升高，由于燃油流量的主要限制来自于压气机的气动稳定裕度，但供油压力也随高压压气机增压能力上升而增加，排气温度增加，启动过程中涡轮后最高排气温度为600℃左右，启动时间为50s左右。

图2　某涡扇发动机启动典型历程图

4.2高原启动

该涡扇发动机在标高3000m以上的高原机场进行启动检查，场压约为P0=63.5kPa～64.1kPa、大气温度范围为8.9℃～21.4℃。此次高原启动期间，发动机在启动过程中参数变化平稳，未出现转速悬挂、喘振等异常情况，典型历程曲线见图3。此次启动时，大气压力约为P0=63.7kPa、大气温度约为21.4℃。

图3　某涡扇发动机高原启动典型历程图

从图3中可以看出：I阶段：启动机带动转子旋转加速，但转子速度上升至约为n2=14%时开始点火，此时没有达到点火转速(按设计点火时间进行)；II阶段：在转子达到启动机脱开转速约为n2=50%之前(按设计启动机脱开时间进行)，启动机和涡轮同时工作；Ⅲ阶段：脱开启动机之后发动机独立工作，由涡轮将转子增速至慢车转速，随着转子转速继续升高，启动过程中涡轮后最高排气温度为650℃左右，启动时间为70s左右。在高原启动过程中，发动机启动切油现象比较明显(控制器对发动机进行启动超温保护，最多切油5次)，典型历程曲线见图4。

图4　高原启动切油保护历程曲线

4.3高原启动与正常启动比较

从图2和图3比较来看，在环境温度基本相当的情况下，高原条件下该涡扇发动机启动较正常启动，点火时发动机转速较低(高原条件下都是在达到设计规定点火时间进行点火)，导致了进入启动机和发动机的空气流量变小，使主机燃烧条件变得恶化，进而使启动机和主机的涡轮功率变小，使剩余功率也随着减小。因此，在高原启动过程中，发动机的高压转子的速度变小，导致了高原启动一般是先到设计规定的启动机脱开时间后再脱开启动机，上述分析导致了高原启动时间较长。

此外，由于高原启动时未对发动机进行调整(即启动时，仍按正常启动的供油规律来供油)，高原条件下空气密度较低，使得发动机进口吸入的空气质量流量减少，燃烧室余气系数变低，导致启动时主机燃烧室出口燃气温度变高，控制器根据启动过程中温升情况，对发动机进行超温切油保护。

5建议措施

通过高原条件对涡扇发动机启动的影响和对某型涡扇发动机高原启动特点与正常启动比较，建议采用以下措施来提高涡扇发动机高原启动的成功率：

(1)提高发动机启动机功率和增加其工作稳定性。通过适当提高涡扇发动机启动机的排气温度的方式，来提高其启动机的功率。采取合理措施对启动机进口进行增压和补氧，增大启动过程中发动机补氧量，以提高发动机启动机功率，进而提高启动机工作稳定性。

(2)减少启动过程中来自飞机等设备的电负载和液压负载。

(3)对启动过程进行优化，主要包括对高原条件启动过程中主机燃油供油压力的调整等措施。但是，如果主机供油量调整不合适，会对燃烧室混合气的余气系数和涡轮前燃气温度产生较大的影响，极易产生高压转子转速悬挂。如果在启动过程中，主机压气机发生失速，则会引起压气机所需功率增大，也极有可能导致发动机高压转子转速悬挂。

(4)在高原条件启动时，如果启动前发动机主机排气温度较高(均在100℃以上)，导致启动时排气温度上升比较快，调节器对发动机进行启动超温保护，极易将发动机切停(典型历程曲线见图4)。在上述条件下再次进行启动前，建议对发动机进行冷吹。

6结论

高原环境条件对航空涡扇发动机启动性能有较大的影响。为充分考核涡扇发动机启动能力，按相关规定对涡扇发动机进行相关高原启动检查是十分必要的。根据高原环境条件对某涡扇发动机启动的影响，通过与该发动机正常启动对比分析，发现可以通过调整发动机启动时燃油供油量、提高启动机功率、减少启动过程中飞机功率提取负载等措施，来提高航空涡扇发动机在高原条件下启动的成功率。

参考文献

[1]李文峰,王永生,雷震,等.某涡扇发动机高原启动试验研究[J].航空动力学报,2003,18(5):599-603.

[2]李树人.航空燃气涡轮发动机工作特性试验分析[M].西安:飞行试验研究院,2008:210-212.

[3]韩同来.涡扇发动机启动性能模拟[D].西北工业大学,2005:4-7.

Analysis on Influences of Plateau Condition on Starting Performance of Turbofan Engine

Miao Hezhuang,Yan Wenjie,Zhang Xiaofei

(Chinese Flight Test Establishment,Xi′an 710089,Shanxi,China)

Abstract：The starting principle and characteristics of turbofan engine of aircraft are introduced in the paper,and the influences of plateau condition on the starting of turbofan engine on the ground are analyzed.Taking the starting of a turbofan engine on plateau condition as an example,the starting performance is compared with the normal starting performance,and the influences of the plateau condition on the starting of turbofan engine and the corresponding adjustment measurements are proposed,which provides a reference for the starting of turbofan engine in plateau condition.

Keywords:turbofan engine；ground starting；plateau condition；adjustment measurement

[收稿日期]2016-02-29

[作者简介]苗禾状(1984—)，男，辽宁本溪人，硕士，工程师，主要从事航空动力装置性能特性试飞研究工作。

中图分类号：V235.13

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.01.016