涡扇发动机放气起动分析与试验研究

韩文俊，王 军，隋岩峰，边家亮

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

0 引言

航空发动机稳定、快速地起动至关重要[1-4]。发动机起动是个加速的过渡过程，由于热力节流的作用而造成涡轮前总温T4升高，从而引起压气机后压力P3升高，引起压气机稳定裕度减小[5]。如果发动机起动供油规律的给定油量过高，会导致起动过程压气机共同工作线提高，可能引起发动机在起动过程中失速或喘振。同时对于涡扇发动机来说，其起动性能还受到大气条件的影响，比如：在炎热的天气下起动时，若仍然保持与标准大气状态下相同的供油量，则会引起发动机“冷悬挂”；相反，在寒冷的天气下起动时，则必须减少其供油量，以避免发生“起动失速”。发动机起动过程的稳定性主要是由压气机工作稳定性决定的。研究表明，对压气机中间级或压气机后进行放气能够提高压气机的稳定工作裕度[6～10]。发动机起动模型为研究发动机的起动过程提供了方便的平台。20世纪90年代，Chappell等建立了双转子起动模型ATEST-V3[12]，2007年Morini等针对大型单轴燃气轮机建立了起动模型[13]；国内学者建立了发动机单转子起动模型[14]，以及基于部件级的双轴涡扇发动机起动模型[3，11]等。

本文首先建立了带放气的发动机起动模型，定性分析放气对发动机整机起动过程的影响；然后对某型涡扇发动机进行放气起动试验研究，最终得到放气起动对发动机起动过程的影响规律。

1 放气起动的建模与仿真分析

1.1 放气起动过程的建模

本文基于文献[3]介绍的发动机起动模型建立简单的发动机放气起动模型，如图1所示。

该放气起动模型基于积分法，根据发动机起动初始条件和各部件特性，采用气动热力学关系式计算风扇、压气机及高、低压涡轮的进、出口截面参数，其中压气机出口可认为分成了2股气流，1股进入主燃烧室，另1股放入大气。

1.1.1 模型初始化

计算前，需要对发动机模型各截面参数和高、低压转子相对转速进行初始化。其中各截面的总压和总温初始量与大气条件相同，发动机高、低压相对转速可给定1个较小的量（1%～5%）。

1.1.2 4大部件计算

4大部件指风扇、压气机和高、低压涡轮。根据部件的进、出口参数和转速，在事先给定的部件特性上插值得到压比、流量、效率、出口总温和功。

1.1.3 容腔计算

外涵、主燃烧室、加力燃烧室和喷管为容腔，可根据能量方程、连续方程和理想气体状态方程计算[4]得到各容腔出口总压、总温对时间的导数。能量方程为

连续方程为

状态方程为

1.1.4 新一周期的计算

通过容腔计算得到各容腔出口总压、总温对时间的导数，然后再根据积分步长，也就是微小的时间步长Δt，计算得到各容腔出口新一周期的总压和总温[4]，即

式中；ρ、Cv、Tt、C、ht、Pt分别为气体的密度、定容比热容、总温、速度、总焓和总压。

根据计算得到的风扇、压气机及高、低压涡轮的功，可以得到4大部件的扭矩。通过转子运动方程便可得到高、低压转子对时间的倒数，见式（6）、（7）。然后根据积分步长得到新一周期的高、低压转速。

式中：n1、n2分别为高、低压转子转速；MCL、MCH、MTH、MTL分别为风扇、压气机和高、低压涡轮的扭矩；J1、J2分别为高、低压转子的转动惯量；Mst为给定的起动机扭矩，当起动机脱开带转后，该扭矩为0。

根据上述步骤，不断更新发动机在每个计算周期下的截面气动参数和转速，便可逐步计算到慢车，计算流程如图2所示。

图2 起动计算流程

1.2 仿真结果分析

发动机起动过程分为3个阶段，如图3所示，用高压压气机共同工作线体现。从图中可见，在发动机起动的第1阶段，发动机只靠起动机带转，放气与否对压气机共同工作线影响不大；发动机点火后，放气起动共同工作线要低于不放气起动，在起动过程中，放气量为3%时，压气机稳定裕度比不放气起动时的高2%～4%。

图3 发动机起动过程

在不同放气量下，发动机排气温度T6随发动机高压换算转速n2r的变化和压气机增压比πc随发动机高压换算转速n2r的变化如图4、5所示。从图4、5中可见，在发动机起动过程中，随着放气量的增加，发动机最大排气温度升高，增压比减小。因此，对于起动性能差的发动机可适量提高起动放气量，但为保证发动机起动不超温，不能一味的增加放气量。

图4 模拟计算所得T6与n2r的关系

图5 模拟计算所得T6与n2r的关系

2 发动机放气起动设备及方法

2.1 发动机放气起动试验装置

发动机放气起动地面试验装置和起动系统如图6、7所示，从图6、7中可见，发动机放气口在压气机出口，且将气体放入大气中；压气机后气体通过管路输送至放气控制附件进口，放气控制附件出口通往大气。采用高压氮气为控制气，连接至放气气动电磁阀，当打开放气开关时，气动电磁阀打开，高压氮气流入，并冲开放气控制附件的放气活门，此时高压压气机后气体流入大气，实现起动放气功能。本次试验放气口为固定管径（Ф=38mm）。

图6 发动机放气起动试验装置

图7 发动机放气起动系统

2.2 发动机放气起动试验方法

发动机放气起动试验方法主要分为验证放气对发动机起动的影响和摸索发动机放气起动的稳定供油边界2部分。

（1）放气对发动机起动的影响主要从3方面来研究，即对发动机起动时间的影响，对起动过程中发动机最大排气温度的影响，以及对发动机起动稳定性的影响。当发动机在不放气情况下起动时，记录起动过程中各段时间（发动机点火时间、起动机脱开时间和发动机起动到慢车的时间）及发动机排气温度T6的最大值；然后不对发动机作任何调整，进行放气起动，记录起动各段时间及T6最大值，对比2次记录的数据。

通过调整发动机起动供油规律，使发动机在不放气条件下起动失速；不对发动机作任何调整，进行放气起动，检查发动机能否成功起动。

（2）摸索发动机放气起动的稳定供油边界试验是通过调整起动供油规律，使发动机在不同高压换算转速下失速，记录失速点的供油量，从而确定发动机起动供油的供油边界。

3 发动机放气起动试验结果及分析

3.1 放气起动对发动机起动的影响

发动机在同样起动供油规律条件下不放气起动和放气起动的参数对比见表1。从表中可见，放气起动时间比不放气起动时间长2s，最大排气温度相对值提高1.7%。试验结果与模拟计算结果数据对比见表2。试验结果和模拟计算结果均表明，发动机在放气起动时压气机增压比减小，起动时间延长，其中放气量为1.5%时的模拟计算结果与试验结果接近。

表1 放气对发动机起动的影响

表2 试验结果与模拟计算结果比较

在2次试车过程中，发动机的起动供油规律是一致的，如图8所示。在同一起动供油条件下，发动机在放气起动过程中，排气温度时刻高于不放气起动过程的，如图9所示。

图8 Wf与n2r的关系

由此可知，在相同起动供油条件下，发动机放气起动比不放气起动的时间长、排气温度高，从而定性地验证了仿真计算的结果。

发动机2次起动的供油规律一致，如图10、11所示，但发动机在不放气起动时，当n2r加速到57%时，发动机主燃油量突然减少，压气机增压比也突然减小，这是因为发动机在起动过程中发生失速、消喘系统投入工作、发动机切油所致；而发动机在放气起动时，压气机共同工作线下移，发动机稳定工作裕度增加，发动机起动成功。因此，在发动机起动过程中放气，可提高发动机的起动稳定性，这与仿真计算结果（图3）一致。

图9 T6与n2r的关系

3.2 确定发动机起动供油边界的试验研究

发动机起动供油规律如图12所示。图中横坐标为高压相对换算转速，纵坐标为燃油相似参数。发动机控制器供油规律为Wf/P3＝f(n2r)，其中Wf/P3为油量相似参数。从图中可见，发动机起动供油规律需设定在失速喘振边界和冷悬挂边界之间才能保证发动机成功起动。

图12 发动机起动供油规律

本次试验通过调整不同n2r对应的Wf/P3，实现发动机在不同转速下失速。

将发动机在不同转速下失速时的供油相似参数点通过最小二乘法拟合，便组成发动机的供油边界，如图13所示。从图中可见，与不放气起动供油边界相比，发动机放气起动供油边界的油量相似参数平均提高9%。这是因为发动机在放气条件下起动，压气机共同工作线下移，为了使压气机共同工作线达到不放气起动时的水平，需提高起动供油量，如果发动机在起动过程中发生喘振，需进一步提高起动供油量，因此，发动机放气起动供油边界提高。从图12中可见，失速喘振边界越高，起动供油的调整范围越大，发动机起动稳定裕度也随之增大，这不仅降低了起动供油调整难度，也提高了发动机在不同大气条件下起动的成功率。

图13 发动机供油边界

4 结论

（1）通过发动机放气起动仿真计算，得到在放气量为3%时，压气机稳定裕度比不放气起动时的提高2%～4%

（2）发动机放气起动模拟计算结果表明，放气起动排气温度高于不放气起动的。

（3）通过发动机起动放气试验初步得到，发动机放气起动的时间比不放气起动的长2s，发动机起动过程最大排气温度提高1.7%，但是放气起动可以提高发动机起动的稳定性。

（4）发动机放气起动边界比不放气起动边界平均高9%。

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