航空发动机空中起动供油特性分析

刘彦楠 LIU Yan-nan；常诚 CHANG Cheng；石丹 SHI Dan

（中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，沈阳110043）

0 引言

成功、快速地起动是航空发动机的最重要的特性之一，保证飞行安全的前提，本文从分析研究发动机起动供油规律入手，考虑飞行高度对供油流量的影响，改进现有的主泵调节器内的机械液压式自动起动器结构，增加高空修正部件，解决空中起动过程中的富油问题，改善发动机的空中起动供油特性。

1 某型发动机起动工作原理分析

1.1 发动机起动通用技术要求 发动机的起动是将燃气发生器转子由静止加速到慢车状态，这是一个复杂的动态过程[1-2]。为提高起动效率，供油量应沿着一定的边界上升，若超过或低于此边界，发动机就可能发生热悬挂、冷悬挂等故障。航空发动机的起动有地、空两种形式。燃烧室的供油量调配是地、空起动的关键环节。合理调配供油量，不仅要注意涡轮有足够的剩余功率转化为起动的驱动力，同时要控制好涡轮前的温度。

1.2 某型发动机起动技术分析 图1为自动起动器的示意图。该发动机起动的工作原理是喷嘴挡板活门根据发动机状态将流量控制器的部分输出流量放回低压腔，对进入发动机的燃油流量进行间接调配。具体来讲，就是通过分压器将来自压气机出口的P2压强减压后（）引入薄膜右腔，薄膜左腔与大气相通。挡板活门的开度大小主要取决于薄膜两侧的压差。刚刚起动时发动机转速低，减压后压强变小，挡板活门右面的作用力比左面大，挡板活门开启，将供往发动机的部分燃油放入低压腔。随着发动机转速加快，作用于薄膜的压强的上升速率大于挡板活门的燃油压强，使得活门缓慢闭合，给油量减少，从而使发动机供油增多。直至活门完全关闭。

图1 自动起动器示意图

与地面起动相比，空中起动所需给油量少。为了确保地面起动的同时空中起动不富油、超温，可通过补油措施辅助起动。补油就是为确保地面成功起动的同时兼顾空中起动，而自动调低自动起动器的供油规律，地面起动的同时根据时序规律导通补油电磁阀，通过补油活门实现燃油补给。

2 自动起动器分析及方案设计

由上述介绍可知，航空发动机的起动系统采用机械液压式控制系统，自动起动器功能单一，仅按照压气机出口压强对发动机起动供油量进行调节，然后通过补油对地、空中起动供油规律的差异进行调整。在高空进行的空中起动，其供油量因高度变化而异。高空影响不可能通过自动起动器自主补偿，而且空中起动供油规律基本固定，相比之下地面起动效果良好，空中起动则存在一定问题。为成功完成地面起动，发动机自动起动器供油量较大，加之自动起动器无法对高空影响进行自主补偿，因此空中起动时常出现富油现象。

鉴于此，我们在自动起动器的原型上又增设了一个能够补偿高空影响的高空修正膜盒。当高度上升，环境压强减小时，高空修正膜盒膨胀，通过杠杆和弹簧对薄膜——喷嘴挡板组件施加拉力，则活门开度加大、回油增加、供油减少，消除了发动机的富油状态。

3 发动机联机试验验证

为了验证优化后的改进方案的可行性，我们设计试验件进行了自动起动器原型和改型结构在发动机上的联机对比试验，目的是进一步确认优化改进是否有效，选取XXX01号自动起动器作为试验对象，在发动机地面起动试验中针对起动标记、起动补油、慢车标记这3个调整部位在不同的高空膜和修正条件下的实际供油量进行试验，对比自动起动器原始状态和增加高空供油量修正后的供油量（即发动机模拟高空起动供油）试验。本试验共进行7次高空供油修正试验，每次试验进行7组，在不同真空度（0.1-0.7）条件下自动起动器原始状态和加装修正膜盒后供油量调整情况的增量见图2、3。

图2 原状态高空供量与调整量的对应关系图

由图2、图3可以看出，在发动机自动起动器上增加高空膜盒后，对原结构的功能几乎没有影响，原发动机自动起动器的调节规律没有改变，调整部位对发动机主机供油量影响灵敏，原调整规律仍然使用，具有较好的产品延续性。自动起动器原始状态和加装修正膜盒后供油量随真空度变化的对比关系见图4。

膜盒腔未投入工作时（即地面状态），改型的自动起动器能够实现与原型基本一致的供油规律。而对膜盒腔抽低压模拟高空条件后，改型自动起动器的供油流量明显减少，并且随着真空度的增加对供油量的影响逐渐减少，证明在原结构上增加高空供油修正膜盒，确实发挥了降低流量的修正作用。

图3 修正后高空供量与调整量的对应关系图

图4 试验曲线

4 总结

本文通过对航空发动机起动过程的理论分析，以及考虑到该型发动机在地面起动和空中起动工作条件下自动起动器的供油规律的变化，增加飞行高度修正控制计划，进行部件试验，初步确定在原有基础上增加了一个高空修正膜盒，补偿飞行高度对自动起动器供油规律的影响，结果表明该方案方向正确。

为进一步明确所增加结构对该发动机实际工作的影响，采用地面发动机联机试车，对增加的高空修正膜盒采用抽真空的方法，对上述分析方案进行验证，通过发动机模拟高空起动供油特性试验表明：

①本设计改进方案正确，切实可行，可以达到根据不同抽真口压力(大气环境得到的压力)指令，能够起到改变自动起动器供油流量的作用。②本设计改进对发动机原结构影响较小，通过不同真空度（0.1-0.7）对该型发动机调整规律的影响可以看出，原调整部位对发动机主机供油特性影响灵敏，调整规律不变，具有较好的产品延续性。

[1]樊思齐,徐芸华等.航空推进系统控制[M].西北工业大学出版社，1995.

[2]胡寿松等.自动控制原理[M].科学出版社，2002.

[3]陶永华等.新型PID控制及其应用（第2版）[M].机械工业出版社，2005.

[4]贺尔铭.民用航空发动机控制原理及典型系统[M].国防工业出版社，2002.

[5]JD马丁利，WH海泽，DH戴利.航空发动机设计[M].北京科学出版社，1993.