三发构型直升机空气起动系统研究

田野 王智 谌昱

摘   要：随着直升机配装的涡轮轴发动机功率的增大，对起动系统的功率需求日益增加，直升机空气起动系统受到越来越多的关注。现代大中型直升机发动机一般采用空气涡轮起动系统。但目前国内对于直升机空气起动系统研究较少，尤其对于三发构型大型直升机空气起动系统的研究尚属空白。针对未来型号发展需要，本文提出了一种三发构型直升机空气起动系统的设计方案，并通过AMESIM软件建立模型进行仿真分析，从而为国内未来三发构型直升机空气起动系统设计提供参考和借鉴。

关键词：三发构型直升机  空气起动系统  设计研究

中图分类号：V233.6                                文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2019）02（b）-0017-04

涡轮轴发动机已在直升机上广泛使用，涡轮轴发动机由静止到工作，必须依靠外来动力，使发动机从零转速加速到慢车转速[1]，因此直升机需设计发动机起动系统。

涡轮轴发动机的起动方式一般有电起动、空气起动和液压起动三种。早期的涡轮轴发动机由于功率较小，对起动功率需求不高，普遍采用电起动系统。随着发动机功率的增大，对起动功率需求越来越大，受蓄电池容量和电起动机的体积限制，使得电起动机不适用于起动大功率发动机[2]。在一定条件下，直升机的液压设备也可以用于起动发动机，液压起动系统的扭矩和转速调节范围宽，输出功率和扭矩能更好地满足发动机的起动需求，但是液压起动系统一般不能自动起动，起动准备时间长，所以不适用于需要快速起动的直升机。与电起动系统以及液压起动系统相比，空气起动系统的优点是功率大、结构简单、重量轻、使用灵活，因此空气起动系统受到越来越多的关注，并已广泛应用于安装较大功率涡轮轴发动机的大中型直升机。

以起飞重量10t以上的大型直升机为例，国外双发构型直升机如AW189、EC225等采用电起动系统，S-92、黑鹰、米-26等采用空气起动系统。与双发构型直升机相比，国内外三发构型直升机则少得多。仅有法国超黄蜂直升机、意大利阿古斯塔-维斯特兰AW101（原EH101）直升机、美国西科斯基CH-53系列直升机以及我国的AC313等直升机。其中AW101直升机采用空气起动系统，CH-53E直升机采用液压起动系统，AC313直升机采用电起动系统。我国直升机起步较晚，在直升机空气起动系统的研究较少，对三发构型直升机空气起动系的研究尚处于空白。考虑到国内未来三发构型直升机可能会采用空气起动系统，本文提出了一种三发构型直升机空气起动系统的设计方案，并开展相关分析研究工作。

1  三发构型直升机空气起动系统方案

空气起动系统的主要功能是利用直升机气源系统（APU-辅助动力装置、其他发动机或地面气源车）向空气涡轮起动提供所需要的高温高压气体，将发动机带转到可以进行供油、点火并自行维持稳定燃烧的慢车状态[3]。

传统的双发构型直升机一般将两台发动机平行布置在直升机主减速器的前方或后方，两台发动机距离较近，便于布置空气起动管路。而三发构型直升机的发动机一般呈“品”字型围绕主减速器布置，不便于系统和空气起动管路布置，设计难度较大。本文提出了一种针对三发构型直升机的空气起动系统设计方案，以满足三台发动机均具备使用APU、地面或其他发动机气源起动的需求[3]。该空气起动系统主要部件有发动机、APU、外部气源、空气起动机、起动控制阀、引气控制阀及单向阀。APU及外部气源的功能为向空气起动系统提供高温高压气体，发动机也可以通过引气口向空气起动系统提供高温高压气体，引气控制阀的功能为控制发动机引气，需要使用发动机引气时则打开对应的引气控制阀，引气控制阀还需兼具有单向阀功能，防止管路内气体反窜入发动机引气口。空气起动机功能为利用压缩气体膨胀做功原理获得轴功率，在起动时带转发动机转子，起动控制阀功能为通过接通和关闭空气起动机进气控制空气起动机工作。在APU和外部气源处设置单向阀，可避免管路内气体反窜入APU或外部气源，各部件通过空气管路连接在一起（见图1）。该设计方案使空气起动系统管路环绕主减速器布置，通过空气管路连通3台发动机、各阀门、APU以及地面气源，能够利用直升机气源系统起动所需的发动机。

以起动1#发动机为例，采用APU或外部气源起动时，首先起动APU或接通外部气源，使气体通过单向阀后进入空气管路;采用另一台发动机交叉起动时，首先打开另一台发动机对应的引气控制阀，使发动机引气口处气体进入空气管路。随后控制连接1#发动机的起动控制阀打开，则高温高压气体通过空气管路及连接1#发动机的起动控制阀进入空气起动机，驱动空气起动机带转发动机，实现1#发动机的起动。

2  建模及仿真分析

引气控制阀的主要功能为实现对发动机引气的控制，同时还需确保空气管路内气体不会反窜回发动机引气口，因此引气控制阀采用电磁阀和单向阀模型串联而成。

设定APU气源压力及温度为定值，起动控制阀在第1s时收到控制信号打开，碟板调整到最终角度用时2s，仿真时间为10s，步长0.1s，其余仿真参数见表1。

设定空气涡轮起动机的进口（即起动控制阀出口）压力范围为（0.19～0.22）MPa，流量范围为（11.3～15.8）kg/min，通过调整起动控制阀碟板打开角度使起动控制阀出口压力和流量满足上述要求。以起动1#发动机为例进行仿真计算，对应起动控制阀相关仿真参数曲线如图3所示。

从仿真结果可知，起动控制阀可通过调整碟板打开角度使不同压力的气源通过起动控制阀后，控制其出口气体压力及流量满足空气起动机入口要求。且起动控制阀能够令出口气体压力和流量波动均处于较小范围，使空气起动机无需设置较大的入口气体参数范围，有利于空气起动机的设计，同时也减小了空气起动系统中APU及外部气源的参数匹配难度。

3  结语

本文提出了一种三发构型直升机空气起动系统的设计方案，分析了空气起动系统工作原理，并利用AMESIM软件建立空气起动系统模型，模拟不同气源压力下空气起动系统工作情况。由仿真结果可知起动控制阀通过调节碟板打开角度能够有效地控制出口气体的压力及流量，有利于空气起动机稳定工作，该空气起动系统方案具有较高的可行性，能够对未来三发直升机空气起动系统设计提供思路和参考。

参考文献

[1] 谌昱.直升机发动机空气起动系统匹配技术研究[J].軍民两用技术与产品，2018（10）：5-6，86.

[2] 王鹏.民用飞机发动机起动系统技术研究[J].民用飞机设计与研究，2010（4）：6.

[3] 郑辰.民用飞机发动机空气起动系统性能设计及集成方法研究[J].科技信息，2014，3（18）：491-492.

[4] 《飞机设计手册》总编委.动力装置系统设计[M].北京：航空工业出版社， 2006.