某涡轴发动机机载蓄电池台架起动试验研究

黄新生 向立军 贺东京 董德伟

摘 要：本文针对某涡轴发动机机载蓄电池起动燃气涡轮出口温度高的问题，开展了地面台架蓄电池起动试验研究，对不同蓄电池的起动差异，蓄电池起动和台架电源起動的差异，以及蓄电池对发动机起动性能的影响进行了分析，可为同类新研或改型涡轴发动机机载的蓄电池起动等提供参考。

关键词：涡轴发动机;电起动机;台架;蓄电池;起动试验

中图分类号：V235 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）09-0119-03

电起动机控制简单且工作稳定可靠，广泛用于起动中小型涡轴、涡桨发动机。电起动机的能源有机场电源车、地面电源和机载蓄电池等，当飞机在野外起飞但无电源车的条件下，就必须使用机载蓄电池起动发动机。一般来说，机载蓄电池的重量和尺寸随电起动机起动功率增加对蓄电池的用电需求的增加而增大，而机载蓄电池的重量和尺寸受限于飞机的重量和尺寸要求，故电起动机的起动功率会受到一定限制，进而会对发动机起动产生一定影响。涡轴、涡桨发动机台架试验电起动机的能源一般采用台架地面电源，装机试飞才会开展蓄电池起动验证，一旦暴露问题可能会对发动机和直升机的研制周期、费用等会造成一定影响[1]。

某涡轴发动机采用低压直流有刷电起动机进行起动，装直升机在地面进行机载蓄电池起动时，暴露了燃气涡轮出口温度高、起动时间长的问题，较采用地面电源起动，起动过程燃气涡轮出口温度峰值高200℃左右，起动时间长10s左右。为研究机载蓄电池对涡轴发动机起动性能的影响，本文以该涡轴发动机为平台，开展了台架蓄电池起动试验研究，对不同蓄电池的起动差异，蓄电池起动和台架电源起动的差异，以及蓄电池起动对发动机起动性能的影响进行了分析，可为同类新研或改型涡轴发动机的装机蓄电池起动试验等提供参考。

1 试验方法

试验时模拟直升机环境进行发动机、电起动机和蓄电池之间的电缆接线，电缆规格、长度、电起动机主回路、励磁回路电阻等均与装机条件保持一致。在地面和高空条件下，采用不同蓄电池给电起动机供电，进行冷运转和起动试验，同时在电起动机输出轴上安装测扭器，测量电起动机输出轴上的起动扭矩[2]。

2 不同蓄电池的带转能力对比

地面常温下，采用冷运转（电起动机带转15s自动脱开，发动机不供油和点火）的方法，对比采用不同蓄电池情况下电起动机的带转能力。采用的三种蓄电池（组）冷运转试验结果如表1所示，冷运转过程的起动电流和起动扭矩如图1和图2所示。其中，蓄电池A与第1章节该涡轴发动机装直升机起动暴露的Tt4.5燃气温度高和起动时间长采用的蓄电池一致。

由以上图表可知：

（1）蓄电池容量增加60%（C和B对比），重量增加20kg，冷运转带转高0.6%，同样燃气发生器转速条件下，在15%转速左右，起动电流增加约4.5%，电起动机扭矩增加5%;

（2）蓄电池容量不变（B和A对比），蓄电池由1组改为2组并联，重量增加11kg，冷运转带转高1.8%，同样燃气发生器转速条件下，在15%转速左右，起动电流增加约22%，电起动机起动扭矩增加30%。

冷运转过程中，用来加速发动机的加速扭矩为电起动机的起动扭矩与发动机本身阻力矩之差，起动扭矩越大，加速扭矩也越大，冷运转带转速就越高。根据直流电起动机特性，电起动机的输出扭矩QM可表示为：

QM=CtΦIM-Qf

式中Ct为扭矩常数，Qf为电起动机自身的转动阻力矩，对于给定的电起动机，扭矩常数和转动阻力矩可看作常数，Φ是励磁磁通量，主要跟励磁电流有关，IM为起动电流。因此，对于给定的电起动机，在励磁电流一致的条件下，在进入电起动机弱磁控制阶段前，电起动机发出的起动扭矩主要跟起动电流呈正相关，即起动电流越大，起动扭矩越大。而对于给定的电起动机，在蓄电池端电压一定的情况下，起动电流主要跟电源电阻、线路电阻和电起动机电阻等有关，电阻越小，电流越大。装不同蓄电池试验时，电起动机和线缆均不变，因此，起动电流主要跟蓄电池本身内阻有关。

从上述冷运转试验结果来看，增加蓄电池容量和蓄电池由1组改为2组并联均可提高起动电流、起动扭矩和带转转速。但是相比于单一蓄电池容量增加60%，单一蓄电池由1组改为2组并联，起动电流增加相对更为明显，即降低电源本身内阻，起动电流增加更为明显，起动扭矩增长相对较大，起动带转能力更强，且蓄电池由1组改为2组并联重量增加相对较小，即增加的扭矩/重量比更大。

3蓄电池和台架电源的差异

由第3章节分析可知，电起动机发出的起动扭矩大小主要跟起动电流和起动电源电压相关。蓄电池和台架电源的差异主要有如下几个方面，一是受直升机电气系统和蓄电池本身特性限制，蓄电池端电压一般较电源车、机场地面电源和台架电源可调的最高电压相对低，机载蓄电池端电压较机场地面电源最高电压低2V左右;二是台架电源特性相对较“硬”，即台架电源内阻远小于蓄电池内阻，带载运行时能基本保持端电压恒定;三是台架电缆长度、粗细等与直升机机上电缆有差异，线路电阻有差异。

该涡轴发动机台架电源与蓄电池冷运转的起动电流和起动扭矩对比如图3和图4，蓄电池端电压较台架电源电压约低1V，在燃气发生器转速15%左右，蓄电池B较台架电源起动电流和起动扭矩低20%左右。

另外，直升机要求蓄电池有连续5次的放电能力，包含1次冷运转和4次起动。随着放电次数的增加，蓄电池容量、端电压也会随着降低，从而导致起动电流和起动扭矩下降，电起动机带转能力逐步减弱。而相比于台架电源，只要保证台架电源电压一致，电起动机带转能力可基本维持不变。该涡轴发动机采用蓄电池B连续5次放电后，蓄电池电压约下降0.5V，蓄电池容量约放掉50%，第5次放电较第1次放电，电起动机输出的起动扭矩下降约10%，对比曲线如图5所示。

4蓄电池对起动性能的影响分析

根据第3章节和第4章节的分析可知，相对于台架电源起动，采用蓄电池起动，电起动机的起动扭矩会明显降低。根據匀加速理论，燃气发生器加速扭矩与燃气发生器加速率的关系如下：

式中，?M为加速扭矩，i为电起动机转子与燃气发生器转子的转速比，J由电起动机带转的所有转动件相对于电起动机轴的有效转动惯量，ng为燃气发生器转速，t为起动时间。对上式积分则可得到：

因此，采用蓄电池起动后，加速扭矩相对降低，则燃气发生器转子加速率降低，起动时间延长;同时，根据该发动机的起动控制规律，在发动机点火且燃气涡轮出口温升大于60℃后，数控系统进入燃气发生器转子加速率闭环控制，即根据燃气发生器转子加速率实际值和给定值的差值进行供油。采用蓄电池起动后，转子加速率明显降低，按照控制逻辑，数控系统将增加燃油量，从而引起燃气涡轮出口温度峰值升高。

综上所述，采用蓄电池起动对发动机起动性能的影响主要为起动时间延长，燃气涡轮出口温度峰值升高。考虑到电起动机脱开前，发动机加速力矩主要由电起动机提供，可降低燃气发生器转速的加速度给定，适当优化起动控制规律。以蓄电池C为例完成了验证，起动过程Tt4.5温度峰值降低40℃左右，而起动时间变化不明显[3]。

优化起动控制规律后，蓄电池A、B、C常温条件下的起动时间和燃气涡轮出口温度峰值如表2所示。与台架电源起动相比，蓄电池起动时间明显增加，燃气涡轮出口温度峰值高;分别采用三种蓄电池起动，电起动机起动扭矩越大，发动机起动时间越短，起动过程燃气涡轮出口温度峰值越低。

高空起动时采用蓄电池起动对发动机起动性能的影响将更加明显，这是因为与地面起动相比，高空起动时因空气密度小，发动机空气流量减少，电起动机脱开前发动机本身提供的加速扭矩占的比例相对偏低，而采用蓄电池起动后将降低电起动机提供的加速扭矩，从而发动机起动更加困难，甚至起动失败。某涡轴发动机地面起动电起动机脱开前时刻起动电起动机输出功率占发动机转子加速功率的比例约27%，而到高空3000m时这一比例升至50%[1]。

为降低采用蓄电池起动对发动机高空起动性能的影响，在电起动机允许的情况下，延长高空带转时间，从而提高电起动机脱开时的燃气发生器转速，即提高电起动机脱开时发动机本身的做功能力。电起动机带转时间延长10s后（电起动机脱开时燃气发生器转速提高约12%），该涡轴发动机采用蓄电池B完成了高空起动试验，台架电源和蓄电池高空4500m起动情况对比如表3所示，燃气涡轮出口温度峰值基本在该涡轴发动机可接受的范围内，起动时间刚好满足该涡轴发动机的高空起动时间要求，可以预见若不延长电起动机带转时间，发动机高空起动时间将难以满足要求，甚至起动失败。

5结论

（1）在同样的蓄电池端电压条件下，蓄电池本身内阻对电起动机起动电流和起动扭矩影响较大，提高蓄电池容量和蓄电池1组改为两组并联均可提高起动电流和起动扭矩，但蓄电池由1组改为2组并联增加的扭矩/重量比大;

（2）台架电源与蓄电池相比，台架电源端电压、起动电流和起动扭矩明显较高，且随着蓄电池放电次数的增加，电起动机的输出扭矩明显下降;

（3）蓄电池对发动机起动性能的影响主要为起动时间延长，燃气涡轮出口温度峰值升高，高空起动尤为明显，可通过采取延长电起动机带转时间和优化起动控制规律等措施降低蓄电池对起动性能的影响;

（4）建议直升机电气系统综合考虑，降低电起动机起动控制回路电阻，如采用较粗的线缆等，提高采用蓄电池起动时电起动机的起动能力。

参考文献

[1] 唐平一.起动电起动机输出功率对某涡轴发动机空中起动性能的影响分析[J].南华动力，2010（4）：7-10.

[2] 廉筱纯，吴虎.航空发动机原理[M].西安：西北工业大学出版社，2005.

[3] 顾永根.航空发动机设计手册 第6册 涡桨及涡轴发动机总体[M].北京：航空工业出版社，2001.