涡扇发动机换装大功率起动机起动性能分析

邢 洋，郭海红，王 军，阎 巍，白永秋

(中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015)

1 引言

涡扇发动机可靠、快速起动对保证军用飞机的作战效能至关重要，发动机起动性能的好坏也是衡量发动机综合性能的一项关键指标[1-4]。

某涡扇发动机交付外场后出现了起动问题，主要表现为两个方面：一是发动机高原起动相比平原起动调整频繁、起动成功率下降，造成外场飞机出动准备时间长，不能满足部队作战和实战化训练需要。二是存在冷、热态起动和冷、热天起动性能差异大的问题，冷起动时间偏长，减少冷起动时间则易造成热起动失速。而采用更大功率的起动机，并结合转速上升率闭环控制的起动供油规律,可解决该型发动机起动供油调整范围小和高原起动功率不足的问题，提高发动机起动能力；同时还可缩短发动机起动时间，降低起动时发动机排气温度，提高起动成功率，对延长发动机寿命具有重要意义[5]。

本文采用基于转速上升率闭环控制的起动供油规律，利用常规地面试车台架，设计并开展了某涡扇发动机采用原状态起动机(A型起动机)和大功率起动机(B型起动机)的起动性能对比试验。根据试验结果，探讨了发动机采用大功率起动机的可行性，以及采用大功率起动机后发动机起动性能的变化。

2 大功率起动机

大功率起动机是在某涡轴发动机核心机基础上，利用先进的仿真设计平台对核心机进行等比例缩小研制的一型燃气涡轮起动机，具有起动功率大、体积小、质量轻、寿命长、自身起动时间短等特点，主要用于航空发动机的地面起动、冷运转、假开车、启封、油封，也可以在动力组件状态下工作，提供地面维护时所需能源。其自由涡轮的功率通过减速器传递到输出轴上，再通过弹性传动轴传递到飞机外置附件机匣传动机构，以带动发动机高压转子旋转。该起动机最大输出功率相对原状态起动机的提升25%，同时可以原位换装原状态起动机。

3 起动控制规律设计

3.1 地面起动供油规律设计

航空发动机地面起动过程通常分为3个阶段：第1阶段，转速由0到涡轮开始产生功率；第2阶段，涡轮开始产生功率到起动机脱开；第3阶段，起动机脱开至发动机达到慢车转速。3个阶段分别以点火转速ndh、起动机脱开转速ntk作为分界条件[6]。

该型发动机原采用较为通用的Wf/p3=f(n)起动供油规律，但这种供油方式比较依赖油量的控制和计量精度。当发动机控制系统油量的控制和计量精度不能满足要求时，可能会导致发动机起动失败，适用性相对较差。为此，采用基于转速上升率闭环控制的地面起动供油规律[7]，以提升发动机起动可靠性。起动供油阶段，高压物理转速(nH)低于设定转速时，起动闭环不工作，为此主要针对地面起动第2、第3阶段进行供油规律设计。根据文献[7]公式整理可得：

式中：Ndot为转速上升率，MCT为辅助起动动力装置输出扭矩，MT为涡轮输出扭矩，MC为压气机扭矩，Mm为阻力矩，J为转子转动惯量，ηm为转子机械效率。

转速上升率控制规律应综合起动时间要求、起动机输出扭矩、涡轮输出扭矩、发动机阻力矩等条件进行设计，且设计结果应利用地面和空中起动试验结果进行修正。在考虑涡轮前温度上升量和压气机稳定裕度限制的基础上确定燃烧室供油量Wf，由此可得到相应转速条件下的转速上升率设计规律。在给定转速上升率要求的条件下，适当调整燃烧室供油量，使发动机实际转速上升率与给定转速上升率一致，实现起动供油的闭环控制。

3.2 设计规律的修正方法

发动机实际使用过程中，转速上升率设计应考虑大气压力、温度等因素，因此需要对标准大气条件下的转速上升率进行修正。根据文献[7]，起动过程实际时间和换算时间的对应关系为：

式中：ths为海平面、标准大气条件下的起动时间，t为实际起动时间，p1为进气总压，T1为进气总温。

对于起动过程任一小转速上升量Δn，存在以下关系：

联立式(2)和式(3)得到修正公式：

4 试验过程

首先采用A型起动机进行起动性能试验。调整发动机起动性能至满足各项要求，按照表1所列的试验项目开展起动试验。之后换装B型起动机，按照上述过程，重新开展试验。所有试验项目均在加载、不引气条件下进行。

表1 试验项目Table 1 Starting test items

5 试验结果分析

5.1 冷运转对比分析

该型发动机的冷运转时间为70 s。图2示出了按下发动机冷运转按钮后，起动机起动过程中排气温度的变化。图中试验数据已作归一化处理，仅给出相对变化关系，下同。可以看出，B型起动机起动过程中的排气温度上升率和最高排气温度均高于A型起动机的。其主要原因是B型起动机起动加速过程供油偏多。另外，B型起动机自身起动成功所需时间长于A型起动机的。

图2 起动机起动过程中的排气温度Fig.2 Exhaust temperature of two starters

采用两型起动机，发动机和起动机的冷/热态相同时，冷运转过程中不同时间点发动机的高压转速见表2。表中，状态代表起动机和发动机的冷、热态，如热态/冷态表示起动机为热态、发动机为冷态，下同。冷运转22 s时，采用A型起动机的发动机高压转速较B型起动机的高0.063～0.069；冷运转70 s时，采用B型起动机的发动机高压转速较A型起动机的高0.091～0.115，约提升14%。

表2 冷运转时不同时间点发动机的高压转速Table 2 High pressure speed of engine at different times during cold operation

图3 冷运转时发动机的高压转速Fig.3 High pressure speed of engine during cold operation

图3给出了冷运转时发动机高压转速的变化情况。在冷运转前25 s，同一时刻，采用A型起动机发动机的高压转速较采用B型起动机发动机的高；在冷运转25 s后，同一时刻，采用B型起动机发动机高压转速比采用A型起动机发动机的高。

根据以上分析可知，采用B型起动机，冷运转过程中发动机高压转速提高了约14%[8-11]。

5.2 起动对比分析

5.2.1 起动点火

起动过程中，当发动机高压转速到达点火转速ndh=0.220或起动程序到一时间点tdh=0.311时，发动机主燃油系统开始向燃烧室供油，发动机点火(排气温度突升)[12-13]。采用两型起动机起动时，发动机点火成功时的点火时间和点火转速见表3。可看出，发动机均在高压转速达到点火转速时点火成功。采用B型起动机发动机点火成功时间较采用A型起动机发动机的长0.026～0.032，主要原因是B型起动机起动时间较长。

表3 发动机点火时间和点火转速Table 3 Ignition time and speed of engine

5.2.2 起动供油压差

该型发动机地面起动过程中采用基于转速上升率闭环控制的地面起动供油规律，可按转速上升率闭环对设计起动供油量进行修正[14-17]。图4给出了发动机采用两型起动机起动过程中的供油压差(燃油总管压力pf与高压压气机出口压力p31之差)的对比，图中nHcor为高压换算转速。由图可看出，发动机冷/热态相同时，相比采用A型起动机，采用B型起动机的发动机起动过程实际供油压差降低(转速0.6～0.8范围内降低约20%)，这表明发动机实际起动供油量也有所降低。

图4 发动机起动过程中的供油压差Fig.4 Fuel supply pressure difference during engine starting

5.2.3 起动时间和排气温度

发动机起动过程中，当高压转速到达起动机脱开转速ntk=0.787或起动程序到一时间点ttk=0.700时，起动机脱开。表4给出了发动机起动过程的最高排气温度(T6max)和发动机起动时间tmc(从起动开始到慢车状态的时间)。由表可知，在大气温度相同、发动机转速上升率一致条件下，起动机热态、发动机冷态时，采用B型起动机比采用A型起动机起动，起动最高排气温度下降9.8%，起动时间缩短5.0%；起动机热态、发动机也为热态时，采用B型动机比采用A型起动机起动，起动最高排气温度下降10.7%，起动时间缩短2.7%。

表4 发动机起动时间和最高排气温度Table 4 Starting performance data of engine

图5和图6分别示出了采用两型起动机起动过程中高压转速和排气温度的变化。由图可知，整个起动过程中，相比采用A型起动机，采用B型起动机的发动机实际转速上升率有所提高，供油量降低约20%，排气温度下降10%。

综上所述，起动机功率提升25%，冷态起动时间缩短5.0%，热态起动时间缩短2.7%。另外，发动机起动供油量降低约20%，起动过程中排气温度大幅度下降10%。

图5 起动过程中的高压转速Fig.5 High pressure speed of engine during engine starting

图6 起动过程中的排气温度Fig.6 Exhaust temperature during engine starting

6 结论

(1) 发动机采用转速上升率闭环控制的地面起动供油规律后，两型起动机的起动性能良好，各项起动性能指标均满足设计要求。

(2) 采用大功率起动机比采用原状态起动机，起动机功率提升25%，发动机冷运转时高压转速提高约14%。

(3) 采用大功率起动机比采用原状态起动机，冷态起动时间缩短5.0%，热态起动时间缩短2.7%。高压转速较高时，发动机起动供油量降低约20%，起动过程中排气温度下降10%。