涡轴发动机高原起动试验研究

汪 涛，王朝蓬，王俊琦

(中国航空工业集团公司中国飞行试验研究院，陕西西安710089)



涡轴发动机高原起动试验研究

汪 涛，王朝蓬，王俊琦

(中国航空工业集团公司中国飞行试验研究院，陕西西安710089)

基于不同海拔机场发动机地面起动试验结果，以及涡轴发动机起动特点，研究了机场海拔高度对发动机起动过程的影响，并结合发动机起动供油及燃烧过程，分析了在高原机场造成起动困难的主要因素，并针对高原起动出现的问题，给出了改进建议。结果表明，随着海拔增高，发动机地面起动时间增加，起动过程中的最高排气温度上升，起动过程更容易出现喘振；建议通过合理调整起动供油量和提高起动机功率来改善发动机高原起动性能。

高原 涡轴发动机 起动试验 喘振

0 引言

高原起动试验是航空发动机设计定型阶段的重要考核内容之一，其起动性能反映了发动机对高原压力环境的起动适应能力[1]。起动过程是航空发动机的重要工作阶段之一，其性能好坏决定了发动机能否在各种环境条件下顺利运转。根据实际使用需求，起动过程通常分为地面起动和空中起动。地面起动是指发动机在地面从静止的停车状态加速到慢车状态的过程；而空中起动指发动机在空中停车状态下起动加速到慢车状态的过程[2]。可靠、快速的起动能力是航空燃气涡轮发动机的重要特性之一[3]，往往需要经过大量的调整试验不断改进起动控制参数才能获得良好的发动机起动性能[4]。国内相关单位已进行的研究工作表明，通过调整发动机起动供油量和改进起动机设计等方法，在一定程度上可以提高航空发动机的地面起动性能[4]。

发动机在高原进行起动试验危险性较大，在高原起动过程中动态特性的变化规律比较复杂[5]，为了获得最合理的调整参数及改进方案，需要耗费大量的人力、物力和时间进行多种条件下的发动机起动试验研究。另外，在不同大气条件下进行起动试验时，所面临的困难较多，研究周期也较长，试验中还很有可能发生发动机和起动机的超限工作现象。

1 某型涡轴发动机起动特点分析

某型涡轴发动机起动过程由冷转动状态和加速状态组成。通常需要进行四个阶段工作：

第一阶段：起动机初始带转阶段起动机带转燃气涡轮开始转动，在此过程中发动机不供油。

第二阶段：供油点火阶段开始给发动机供油，点火器开始点火。

第三阶段：起动机辅助带转发动机按一定规律供油，保证发动机平稳的加速到慢车转速。

第四阶段：慢车暖机阶段发动机加速慢车状态之后在慢车状态稳定工作，保证发动机部件达到热平衡。

2 涡轴发动机高原起动试验特点

2.1 发动机起动时间较平原更长

图1 不同海拔高度机场发动机地面起动过程Ng随时间变化程曲线

某型发动机起动过程是先采用辅助动力装置(APU)气源带动空气涡轮起动机，再由空气涡轮起动机带转发动机。相对于低海拔机场，高原机场，空气稀薄，进入燃气涡轮发动机和发动机的空气流量减小，APU和发动机的功率都将下降，起动过程中的剩余功率减小，从而导致发动机转子的加速度减小，起动时间延长。特别是在起动第一阶段，甚至有可能因起动机功率不足以带动发动机运转到点火转速以上而造成起动失败。图1为4个不同海拔机场，发动机地面起动时间历程曲线，即起动过程中发动机燃气涡轮转速Ng与时间的关系曲线，图中4条曲线对应的起动海拔高度关系为：平原

2.2 发动机起动最高温度偏高

图2 不同海拔高度发动机起动过程T45随时间变化曲线

在高原机场，发动机空气流量明显减小，而起动供油量减小较少，空气流量与燃油流量的不匹配造成燃烧室内富油燃烧，使涡轮过早参与工作，排气温度快速上升。同时，起动供油量调整不当，对燃烧室余气系数和涡轮前温度的影响很大，易造成转速悬挂；如果起动过程中，压气机发生轻微失速，引起压气机需用功率增大，也极有可能发生转速悬挂。图2为在三个海拔高度机场，发动机冷起动过程发动机燃气涡轮后温度(T45)随时间变化曲线。HP1、HP2、HP3对应的起动前环境温度分别为8.7℃、7.5℃、9.4℃。

2.3 高原发动机热起动过程易产生喘振

图3为发动机在3个高原机场和一个平原机场的热起动过程参数变化曲线。

图3 不同高原机场，发动机热起动历程图

从图中可以看出，发动机喘振通常发生在燃气涡轮起动的前半段，且随着机场海拔的增加，喘振的持续的时间增加。另一方面，热起动过程中在P3波动同时伴随着排气温度T45、燃油流量Wf的增大。对比各海拔高度起动喘振过程(图中A、B、C区域)可以看出，随着试验场地的海拔高度的增加，发动机喘振现象更加明显，也导致发动机起动时间的增长。

图4 高原机场发动机冷、热起动对比试验时间历程图

图4为发动机在高原机场冷、热起动历程对比。从图中可以看出，在起动的初始阶段，热起动的燃油流量值低于冷起动的燃油流量值。而此时冷起动时的P3压力低于热起动时的P3压力值，且在D点前出现了明显波动，对应的Wf也随之迅速上升。

发动机在热起动过程中燃油流量增大，然而转速是平稳增加的，意味着进气量是平稳增加的；所以油气比突然增大；T45增大表明燃烧室是富油燃烧。温度突升会导致相应界面的气流通过能力下降，从而对上游气流形成节流，容易造成流动堵塞，发生喘振。

在很多高原地区，大气压只有平原的一半不到，排气温度递增量比平原地区大，尤其是热起动时，排气温度要比冷起动时高，这主要是因为燃料雾化质量和燃烧情况在冷起动时和热起动时不同。在高原地区，发动机空气流量较小，起动供油量也相应地调小，因而各转速下的喷嘴前油压降低，起动初期燃料的雾化质量较差，混合气中有较多的油珠；此外，燃烧室内气体压力随大气压力的降低而降低，致使火焰传播速度减小，燃烧不完全，这样冷起动中，多数油珠被吹走，在第二次热态起动时，由于燃烧室内的温度高，这些大直径的油珠容易汽化而燃烧，这相当于调大了起动供油量，所以，热起动比冷起动时排气温度高。

发动机的散热条件变差。在高原地区，由于空气密度减小，发动机冷却空气量也相应减少，使第一次起动后发动机的热量不易散发，从而造成第二次起动时排气温度升高。

2.4 其他特点

在高原机场，大气压力及密度明显低于海平面水平，使得发动机在起动过程中同样转速下能吸入的空气流量要小很多，起动供油量与进气量比例不匹配；同时发动机的燃油、滑油系统以及飞机燃油系统效率都有所降低。以上因素，都使得高原上发动机起动难度要高于海平面或低海拔高度大气环境。

3 高原机场试飞建议

1)为了解决涡轴发动机起动失败，及起动时间过长的问题。一方面可以从起动机带转着手，增大起动机的带转功率，采用比平原起动功率更大的起动机，另一方面为了克服高海拔环境的影响，对起动机来流气源进行增压；

2)高原发动机热起动试验时，为避免发动机喘振，可以在热起动之前对发动机进行冷吹1～2次，或者同时适当延长两次起动间隔时间；

3)通过与该发动机地面正常起动比较分析，发现可以通过调整发动机供油量、增加起动机功率、减少起动过程中负载等措施，来提高涡轴发动机在高原条件下起动的成功率。

4 结论

1)高原机场空气稀薄，APU和发动机功率下降，使得起动过程中空气涡轮起动机带转能力下降造成起动时间增长，且地面起动海拔高度越高，起动时间越长；

2)发动机高原起动过程空气流量大幅度下降，当起动供油调整不当，易造成燃烧室富油燃烧，相比于低海拔起动，高原起动过程发动机排气温度偏高；

3)高原条件下发动机热起动时，发动机极易产生喘振，同样海拔环境与冷起动比较可以看出，热起动时由于供油量偏大，温度突升会导致相应界面的气流通过能力下降，从而对上游气流形成节流，容易造成流动堵塞，发生喘振；

4)随着高原机场海拔的增加，发动机热起动时喘振更易发生，且喘振持续时间更长，直接导致发动机起动时间增加，严重时可能导致发动机起动失败。

[1] 田金虎，刘志友.某型发动机高原与高温起动过程中喷口喷火现象分析[C].中国航空学会动力分会第七届发动机试验技术暨湖南省航空学会试验测试和计算机专业学术年会，2005：161-165。

[2] 国防科学技术工业委员会.航空燃气涡轮动力装置飞行试验要求:GJB243-A-2004 [S].中航一集团，2004.

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

[4] 乔洪信，夏爱国，杨立.某型航空发动机高原使用起动供油量调整研究[J].航空动力学报，2003，18(4)：534-537.

[5] 吴利荣，李剑，谢寿生，李应红.某型发动机高原起动过程数学模型建立[J].航空动力学报，2004，19(1)：58-60.

Research on starting tests of turbo-shaft engine in plateau

WANG Tao，WANG Zhaopeng，WANG Junqi

Aiming at engine starting test at the airport on different altitude and starting characteristics of turbo-shaft engine, the effect of altitude of airport on the start progress of turbo-shaft engine was researched. Then combining with fuel supply and combustion in the process of engine starting, the main factors causing the starting difficulty at the airport in plateau was analyzed. And improving suggestion was proposed against the problem of starting difficulty at the airport in plateau. Test results indicate starting time of engine on the ground increases, maximum exhaust temperature rises, and it is more prone to the surge in the starting process, with the increase of altitude. At last suggest reasonable adjustment of the starting fuel supply and improving starter power to improve the starting performance in plateau.

plateau，turbo-shaft engine，starting test，surge

V231

A

1002-6886(2016)06-0092-03

汪涛(1982年-)，男，陕西汉阴人，硕士，工程师，毕业于西北工业大学动力与能源学院，主要从事航空动力装置性能试飞研究。

2016-09-09