温度对涡轴发动机起动性能影响的试验研究

任智勇，王俊琦，邓晓政

(中国航空工业集团公司中国飞行试验研究院，西安710089)

1 引言

我国幅员辽阔，冬天南北温差可达50℃，北方地区冬夏温差则可达60℃，为满足直升机全疆域作战和全天候使用需求，对涡轴发动机在不同环境温度下的起动性能要求越来越高。发动机热态起动是指发动机关车后，当排气温度降至最高允许起动温度时立刻进行起动。实际使用过程中，要达到直升机快速再次出动的目的，常常需要在发动机热态条件下起动，并要求起动时间短、排气温度不超限。因此，研究不同气温环境、冷/热态条件对涡轴发动机起动性能的影响，对直升机使用具有重要意义。

国内外对涡轴发动机起动性能的研究主要有3种途径：①采用仿真发动机模型[1-3]进行研究，但因仿真模型与实际发动机的差异，仿真结果仍需试验检验。②采用环境温度可调的发动机试车台进行试验[4-9]，但是由于台架上涡轴发动机的冷浸透方式和热态条件与实际装机时不一致，且一般辅助动力装置(APU)未包含在系统内，导致试验结果与真实情况仍存在偏差。③涡轴发动机真实装机条件下，在实际不同温度环境中进行起动试验，研究APU-起动机-发动机组成的系统的起动性能，能更真实地反映部队实际使用时的发动机性能，但由于试验条件限制，国内开展的相关研究较少。

为了从更贴近实战的角度研究温度对涡轴发动机起动性能的影响，本文开展了装机条件下涡轴发动机在低温、常温、高温环境中的冷/热态地面起动试验，研究了起动时间、排气温度峰值的变化规律，以期为部队日常使用提供参考。

2 起动性能影响因素分析

对于涡轴发动机，影响其起动性能的主要因素为环境温度和环境压力。对于我国大多数平原机场，海拔高度相差较小，环境压力对起动性能的影响可忽略。环境温度包括外界环境温度和发动机内部环境温度，外界环境温度影响APU、空气涡轮起动机、发动机的气动性能，而内部环境温度影响着发动机内流道、滑油系统温度。本文的研究主要针对外界环境温度和发动机的冷/热态进行。

发动机起动过程可分为3个阶段：①APU气源带动空气涡轮起动机，使转子转速ng增加至点火转速n1；②涡轮做功和起动机共同带转加速至转速n2起动机脱开；③涡轮单独带转至慢车转速nmc。发动机起动性能受APU、空气涡轮起动机、发动机转子的共同影响。

2.1 环境温度对APU的影响

APU为单转子小型燃气涡轴发动机，按照恒物理转速控制，其作用是提供压气机后高压气源起动涡轴发动机。APU的温度特性与单转子发动机的一致：高温环境下，APU转子换算转速降低，相应压气机后压比降低，APU供气流量下降，导致发动机起动时提供的气体能量下降；反之，低温环境下，起动时APU供气能量升高[10]。

2.2 环境温度对空气涡轮起动机的影响

空气涡轮起动机用于将APU来流气体能量转化为动能带转发动机燃气发生器转子。理论上，不同转速下空气涡轮起动机对应的输出功率Pc为：

式中：Qin为起动机进口空气质量流量，Tin为起动机进口空气温度，R为气体常数，κ为气体等熵指数，πc为空气涡轮落压比，ηc为空气涡轮效率。

从上表可看出，在1-1不退位中，一年级，二年级，三年级，四年级，五、六年级，他们之间存在差异性．其中五、六年级处于同一级别，且为最高级V级．在2-1不退位中，一年级，二年级，三、四年级，五、六年级，他们之间存在差异性．其中五、六年级处于同一级别，且为最高级IV级．在2-1退位中，6个年级所处的等级较其他两种减法大致有所降低，一年级，二、三、四年级，五、六年级之间存在差异性．其中五、六年级处于同一级别，且等级最高为III级．在减法的3种口算速度测评中，一年级均为最低等级，为I级．

实际使用中，由于环境温度变化，导致APU供气能力变化，影响式(1)中的Qin、Tin、πc，从而造成起动机输出功率在冷天时较大、在热天时较小。

2.3 环境温度对发动机的影响

起动过程中发动机满足如下转子平衡关系[11]：

式中：Mc为空气涡轮扭矩，Mt为涡轮扭矩，Mk为压气机扭矩，ηm为转子传动效率，J为燃气发生器转子转动惯量，ω为燃气发生器转子旋转角速度。

环境温度变化会导致压气机和涡轮的气动性能变化，从而引起起动时间的差异。根据文献[5]的计算结果，在仅考虑气动影响的条件下，由于起动性能变化导致15℃的标准大气条件下比-40℃时起动时间缩短了约10%。

实际使用过程中，除气动影响外，还需要考虑滑油对转子的阻力矩影响。对于本发动机选用的润滑油，在-40℃、40℃和100℃时，其运动粘度分别为 11 000.0 cSt、27.6 cSt和 5.1 cSt。常温、高温条件下起动或低温热态起动时，滑油温度较高，处于正常粘度范围，对转子的阻力矩较小。而低温冷态起动条件下，发动机滑油温度低，此时滑油粘度极高，约为热态起动的1 000倍，滑油呈粘稠状，使得转子润滑效果变差，阻力矩显著增大。

3 试验方法

为明确环境温度和冷/热态条件对发动机起动时间、排气温度峰值的影响，结合日常试飞，进行了发动机在高温、常温、低温环境下的冷/热态起动试验。各次起动试验在同一架直升机上进行，均采用同一台APU起动同一台发动机，且数控系统软件版本保持一致。冷态起动试验方法为：将直升机于室外环境静置一夜(10 h以上)，使气路、油路等充分接近环境温度；起动APU，采用APU气源进行发动机冷态起动试验。热态起动试验方法为：在上一架次飞行结束关车后，将直升机停放于停机坪正常散热，并观察发动机排气温度，待排气温度降至最高允许起动温度时即进行发动机起动。

4 起动试验结果及分析

4.1 起动时间试验结果

图1给出了不同环境温度下发动机冷/热态起动时间试验结果，图中T0为环境温度，tb为无量纲起动时间。

图1 发动机起动时间试验结果Fig.1 Test results of engine start time

由冷态起动试验结果可以看出，发动机在0～1.5a℃的常温范围内起动时间较短，1.5a℃以上的高温和0℃以下的低温环境下起动时间均较长。整个起动试验温度范围内，起动时间随环境温度升高先缩短后增长，近似呈抛物线型分布。其原因为，高温环境下，空气密度小，APU供气压比降低、流量降低，起动机输出功率较小，起动时间延长；低温环境下，虽然APU供气压比、流量较高，但由于发动机滑油粘性增加，转子润滑变差，阻力矩增大程度超过了起动机输出功率的增加，导致剩余功率降低，起动时间延长。低温时最长起动时间为0.885(图中A点)；高温时最长起动时间为0.728，最短起动时间为0.580。

对比冷态和热态起动时间可见，0℃以上的常温和高温环境下，冷、热态起动时间差异较小。而在0℃以下的低温环境下，冷态起动时转子阻力矩显著大于热态起动，导致冷态起动时间显著增长，试验点B的起动时间仅为试验点A的46.5%。真实装机条件下，由于滑油箱油量、局部滑油腔滑油性状、冷浸透环境温度变化等因素，使得即使在相同环境温度条件下由滑油产生的阻力矩仍有差异，导致低温环境下各次冷态起动时间差异较大。

为更清晰地说明冷态起动和热态起动过程中阻力矩的影响，图2给出了试验环境温度均在-2a℃附近的A、B试验点(分别对应图中的冷起动和热起动)起动过程中的ng变化曲线。起动均以发动机控制开关拨至慢车时刻为0时刻(发动机ng在低转速时显示为0)。由图可看出，热态起动时ng迅速增加，起动过程中3个阶段的起动时间均较短；而冷态起动时转子加速明显缓慢，较高的转子阻力矩在整个起动过程中影响了转子加速。

图2 低温冷/热态起动过程ng变化曲线Fig.2 Thengcurve of cold/hot start process in cold temperature

对起动过程中阻力矩的影响进行定量分析，将整个起动过程近似按匀加速处理，定义驱动扭矩Mf：

将式(3)代入式(2)，并在方程左侧增加转子阻力矩Md后可得：

对于低温热态起动和常温、高温天起动，可认为Md为0。则对于A、B试验点，式(4)可分别转化为式(5)和式(6)。

由于A、B试验点环境温度接近，可认为APU和起动机性能近似相同，发动机吸气温度近似相等。但试验点B处于热态条件，其转子工作温度高于环境温度，起动过程中的转子驱动力矩可能与A点有差异。为估算低温冷态的阻力矩占驱动扭矩的比重，在忽略冷热态对驱动力矩影响的条件下，假设MfA=MfB，由试验结果tbB=0.465tbA，分别代入式(5)、式(6)联立求解得：

这意味着在-2a℃的低温环境下，整个起动阶段的平均转子阻力矩可达驱动转子加速的驱动力矩的近一半。为此，设计建模计算过程中必须考虑这一较高的阻力矩。

为减小发动机在低温环境下的起动时间，应尽量改善滑油流动性以降低阻力矩。其措施为：起动前采用APU气源冷运转发动机，一方面利用转子旋转产生热量提高滑油系统温度，降低滑油粘性，另一方面通过搅拌抽吸作用，使滑油由胶冻状恢复至流动状态，降低摩擦阻力矩，从而加快起动。

4.2 起动排气温度峰值试验结果

图3给出了不同环境温度下冷/热态起动排气温度峰值试验结果，图中Tm为无量纲排气温度峰值。可见，不论是冷态起动还是热态起动，排气温度峰值整体呈现出随环境温度升高单调上升的关系。0℃以上的常温和高温环境下，热态起动和冷态起动的排气温度峰值无明显差异，几乎重合；0℃以下，热态起动的排气温度峰值稍高于冷态起动。这是因为在低温热态起动条件下，流道内部、滑油系统均处于热状态，导致排气温度峰值稍高。

图3 发动机起动排气温度峰值试验结果Fig.3 Test results of engine start maximum exhaust gas temperature

4.3 起动性能建模及应用

由4.1和4.2节试验结果可知，冷/热态起动的起动时间和排气温度均与环境温度明显相关，因此采用回归分析拟合函数关系即可。对于起动时间，根据冷/热态起动试验点分布，选取二次多项式对冷热态起动结果进行回归分析。回归拟合结果分别见式(8)、式(9)，式中下标c、h分别代表冷态和热态起动。图4为回归曲线与试验结果比较，可看出回归曲线能较好地描绘起动时间的变化趋势。

图4 冷/热态起动时间回归Fig.4 Regression of cold/hot start time

对于排气温度峰值，根据冷/热态起动试验点分布，选取线性函数进行回归，回归拟合结果分别见式(10)、式(11)。图5给出了线性回归结果曲线，可见各次试验得到的排气温度峰值均与线性回归结果接近。图中冷、热态起动排气温度曲线交叉，联立求解式(10)和式(11)可知交叉点环境温度约为1.76a℃，这可能是由于高温段试验点过少造成的拟合误差。从试验点分布可以看出，当环境温度大于1.76a℃时，冷态起动与热态起动排气温度峰值接近，因此可用热态起动排气温度峰值模型统一作为冷/热态起动排气温度峰值的估计。

图5 冷/热态起动排气温度峰值回归Fig.5 Regression of cold/hot start maximum exhaust gas temperature

为定量评价回归拟合精度，对回归结果进行了检验，见表1。表中，α为显著性水平。可见，回归结果的相关系数均高于临界值，说明回归线性相关性好；显著性统计量均小于0.01，说明回归结果非常显著。对于我国大多数平原地区机场，式(8)～式(11)具有参考价值。

表1 回归结果检验Table 1 Test results of regression

后续试验过程中，采用上述方式进行检验。按照拉依达检验法，当试验结果超出统计值±2σ时应认为数据异常。选取该发动机日常地面试验过程中的11次冷态起动和8次热态起动数据进行检验，结果见图6和图7。图中实线为所建模型的模拟结果，虚线为模型±2σ的区间。图6中，C点的起动时间明显超出了基准时间+2σ，判断为起动异常。图7中，C点的起动排气温度峰值尚未超出模型限制，但也接近模型边界。经排查，发现APU引气活门连杆存在卡滞现象，造成引气活门未完全打开，导致供气流量不足，引起起动时间偏长。验证结果表明，该模型能够在一定程度上识别起动异常。

图6 冷/热起动时间检验Fig.6 Verification of cold/hot start time

图7 冷/热起动排气温度峰值检验Fig.7 Verification of cold/hot start maximum exhaust gas temperature

5 结论

为研究温度对发动机起动性能的影响，进行了发动机装直升机后不同环境温度、冷/热态条件下的地面起动试验，研究了地面起动时间和排气温度峰值的变化规律，得出以下结论：

(1)随着环境温度的增加，发动机冷态起动时间呈先降后增的抛物线型分布，而热态起动时间、冷/热态起动排气温度峰值均呈线性增加。

(2) 在0℃以上的常温和高温环境下，冷/热态起动性能差异较小；0℃以下时，随着环境温度的降低，冷态起动时间显著变长，排气温度峰值稍低。

(3)滑油粘稠导致的转子阻力矩升高是低温冷态起动时间长的主要原因，-2a℃时起动阶段的平均阻力矩可达驱动转子加速的驱动力矩的50%。

(4)通过试验建立的冷/热态起动时间、排气温度峰值随环境温度变化的模型，可应用于实际飞行时的起动监控。