航空发动机起动性能改善措施试验研究

边家亮，王 军，隋岩峰，韩文俊

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）

航空发动机起动性能改善措施试验研究

边家亮，王 军，隋岩峰，韩文俊

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）

为优化某型涡扇发动机起动特性，解决发动机起动过程中存在的问题，提高起动成功率，在不改变发动机主体结构条件下，对采用大功率起动机与提高起动机脱开转速和压气机放气3项措施进行了分析、设计及试验验证，最终确定采用大功率起动机结合提高脱开转速的措施，在进气温度为-25～50℃范围内，使发动机起动时间缩短0.19～0.51，起动排气温度降低0.04～0.10。

起动性能；起动机；脱开转速；压气机放气；航空发动机

0 引言

成功快速地起动对航空发动机来说是非常重要的[1-4]，是飞机安全飞行的前提。影响起动性能的因素包括大气温度和压力、起动机扭矩、压气机、燃烧室和涡轮特性、燃料特性、燃油喷嘴特性、点火能量及点火时机、燃油和可调静叶控制规律及控制容差等[5]。

某型航空涡扇发动机在大量地面起动中主要暴露出起动失速和悬挂、冷热起动兼容性差、起动时间长等问题。在对发动机本身不做修改的前提下，通过提高起动机扭矩、优化供油规律、提高压气机稳定性等可提升起动性能。为优化某型涡扇发动机起动特性，解决发动机起动过程中存在的问题，提高起动成功率，经过多轮分析比对，最终确定3项改善地面起动的措施，即采用大功率起动机、提高脱开转速和压气机放气。

本文对采用的上述3项措施进行了试验验证和结果分析。

1 改善起动性能的措施

1.1 提高起动机功率

提高起动机功率是缩短起动时间的最佳方法，可同时降低起动时发动机排气温度，提高起动成功率[6]。在起动过程中起动机脱开之前，发动机转速较低，涡轮提供的剩余功率少，此时起动机提供扭矩占发动机剩余扭矩的比重较大，提高起动机功率，可直接增加发动机剩余扭矩，缩短起动时间；此外，提高起动功率后，起动供油量可以适当减少，有利于降低起动排气温度，对延长发动机寿命具有重要意义。

1.2 提高脱开转速

增大脱开转速可以缩短起动时间，同时可提高起动成功率。在起动过程中，当发动机点火成功后，涡轮开始产生功率和起动机一起带动发动机加速，直至起动机脱开转速为止[7]。当转子加速到大于最小平衡转速时，即涡轮产生的功率大于压气机所需要的功率，这时可以脱开起动机，一般发动机平衡转速为最大转速的30%～35%。但是为了缩短加速时间，并提高起动的可靠性，通常加速到1.5～2.0倍平衡转速时，才脱开起动机。

1.3 压气机放气

在起动过程中压气机放气可提高发动机稳定性，减少起动过程中失速现象[8-10]。将压气机流路的级间或级后空气放到大气或外涵道中，可减小压气机级间不匹配。在换算转速降低时，打开放气门，增加压气机前面级的空气流量，提高前面级轴向速度，减小前面级的攻角，使其接近设计工作状态，这样即可保证前面级工作稳定[11]。当压气机在燃气涡轮发动机系统中工作时，放气门打开，通过涡轮的燃气流量减小，为了保持发动机转速不变，涡轮前温度必然升高。放气虽然能改善低换算转速条件下压气机的特性，但从能量观点看是不利的，因为放气消耗了压缩能量，推力会减小，同时燃油消耗量增加。所以这种方法通常只在起动状态及加速等过渡过程中使用。

2 试验验证情况及分析

2.1 提高起动机功率

某型涡扇发动机原本采用功率为A kW的燃气涡轮起动机，现换装功率增大至B kW的大功率燃气涡轮起动机进行验证，2型起动机使用条件、安装尺寸及接口一致，便于换装进行对比试验。

发动机起动过程曲线如图1所示。发动机在2次试车分别装配额定功率NCT为A kW和B kW的起动机，并保持试车时发动机状态一致，起动机脱开转速相同为n2tk=A%，发动机进气温度T1也接近，进行起动验证试验。图中，ΔPf=Pf-P31，Pf为主燃烧室进口燃油压力，P31为高压压气机出口压力。图表中试验数据已作归一处理，仅给出相对变化关系，下同。不同功率起动机起动过程主要数据见表1。表中，tdh为从起动开始到点火时间，ttk为从起动开始到起动机脱开时间，tmc为从起动开始到慢车状态的时间，T6max为起动过程中排气温度T6的最高值。

图1 不同功率起动机起动过程曲线

表1 不同功率起动机起动过程数据

从表1和图1中可见，在起动过程中，起动供油规律基本一致；起动机功率提高后，高压转速的增大速率明显提高，排气温度的最大值有所降低，且出现温度极值的转速和时间点有所提前；更换大功率起动机后从按下起动按钮至与大发脱开时间间隔减少近0.09，最高排气温度下降0.03。

2.2 增大脱开转速

发动机原本设计起动过程中起动机脱开转速为n2tk=A%，现将脱开转速增大到n2tk=B%进行验证试验。因2型起动机在额定功率时起动机转速一致，为满足试验需求，通过修改齿轮齿数将附件机匣传动比（传动比=附件转速/发动机转子轴转速）由0.5854调整为0.4928，以增大脱开转速。

2.2.1 原状态起动机

取装配原状态起动机的发动机2次试车的起动数据进行对比，2次试车分别在n2tk=A%，B%断开起动机且均起动成功，发动机状态一致，进气条件也基本相同。发动机起动过程曲线如图2所示，起动过程数据见表2。

图2 不同脱开转速起动过程曲线

表2 不同脱开转速起动过程数据

从图2和表2中可见，2次起动的供油规律基本一致，装配原起动机的发动机在n2tk=B%脱开比n2tk=A%脱开起动机的起动时间约缩短0.25，起动排气温度降低0.04。2次起动在发动机贫油边界，可见在此情况下脱开转速增大使起动时间缩短较多，起动排气温度也降低较多。

2.2.2 大功率起动机

装配大功率起动机时，对该发动机在2次试车的起动数据进行对比，2次试车分别在n2tk=A%和 n2tk=B%断开起动机且均起动成功，发动机状态一致，进气条件也基本相同。发动机起动过程曲线如图3所示，起动过程数据见表3。

图3 大功率不同脱开转速起动过程曲线

表3 不同脱开转速起动过程数据

从图3和表3中可见，2次起动的供油规律基本一致，装配大功率起动机在n2tk=B%脱开比n2tk=A%脱开的起动时间约缩短0.06，起动排气温度降低约0.02。

2.3 压气机放气

为验证压气机放气对起动的影响，并考虑结构改动尽量小，充分利用现有结构来满足试验需求。发动机的主燃烧室机匣上有高压压气机出口放气口。为验证起动过程中压气机放气的有效性，引气从放气口经过改装的工艺放气管至防冰控制附件，当给出“放气接通”信号时，该信号指令打开气动电磁阀，接通台架氮气至控制附件的气路，在氮气压力作用下，控制附件内的节气门开启，将高压压气机出口空气送出，经防冰管路排至大气。

2.3.1 放气对发动机起动的影响

装配大功率起动机的该发动机在2次试车中，发动机状态一致，进气条件也基本相同，起动机脱开转速均为n2tk=B%，第1次试车起动时压气机未放气，第2次试车起动时仅采取在起动过程中压气机放气，未作其他调整。2次起动放气与不放气的起动过程参数变化见表4。

表4 是否放气试车起动过程数据

从表中可见，采用放气起动时间比不采用放气的长0.03，说明起动放气使起动时间延长；从起动过程最高排气温度T6max来看，采用放气起动的最高排气温度T6max比不采用放气起动的升高0.02。

2.3.2 放气对发动机起动的有效性

装配大功率起动机的该发动机在2次试车中，发动机状态一致，进气条件也基本相同，起动机脱开转速均为n2tk=B%，第1次试车在不放气条件下起动n2R=1.09时发动机失速，第2次试车起动供油量不变化，采用在起动过程中压气机放气发动机成功起动，未做其他任何调整，2次试车的起动供油规律如图4所示。

图4 是否放气起动供油规律

从图中可见，在不放气起动失败的情况下，在发动机起动过程中仅采取压气机放气，而不做其他任何调整，起动成功，证明了起动放气的有效性，可见起动放气能够提高发动机在起动过程中稳定性。

2.3.3 起动稳定边界试验

为进一步验证起动过程中压气机放气对起动失速影响，并摸索发动机放气与不放气的起动稳定边界，在14次试车中，保持其他状态不变，仅通过调整起动供油规律进行放气与不放气的发动机失速验证，通过给出不同的起动供油规律得到放气与不放气状态在不同转速下的 ΔPf/P31规律如图5所示。在发动机起动过程中失速点的Pf、P31和n2R等参数见表5。

从图5和表5中可见，起动放气稳定边界比起动不放气稳定边界升高。

图5 起动机带转发动机失速点

表5 在起动过程中的失速点参数

2.4 大功率起动机结合提高脱开转速

经上述试验验证后可知，3项起动改善措施中均有利于提升起动性能，但由于压气机放气执行机构的体积较大，在军用小涵道比航空发动机中很难找到合适的安装位置，若采用该措施，需对发动机结构上进行较大改动，还可能带来其他不确定影响因素。并且考虑工程上的使用和维护等要求，最终决定暂不采用起动过程中压气机放气措施，而采用大功率起动机结合提高脱开转速的措施来改善起动。

在高低温起动规律试车台上进行发动机起动对比验证试验，试验状态分别为大功率起动机结合提高脱开转速状态（状态B）与未采取任何措施的原状态（状态A）。

在不同进气温度下，进行了大量起动验证试车，状态B与状态A在冷热态起动过程中，最高排气温度T6max和起动时间tmc见表6，二者随进气温度变化如图6所示。

进气温度为30℃时，在状态B与状态A冷热态起动过程中，高压转速随起动时间变化历程如图7所示，高压转速上升率对比见表7。

表6 在起动过程中的失速点参数

图6 状态B和A起动T6max与tmc对比

图7 高压转速随起动时间变化

由图7和表7中可见，大功率起动机结合提高脱开转速比未采取任何措施的原状态起动过程中排气温度降低，冷起动时最高排气温度降低0.09～0.10，热起动时最高排气温度降低0.04～0.09；起动时间缩短，冷起动时的起动时间缩短0.19～0.51，热起动时的起动时间缩短0.21～0.43；在进气温度为30℃时，n2转速上升率提高，在冷热起动时转速上升率平均升高约0.2。

表7 高压转速上升率对比

3 结论

通过对提高发动机起动性能的几项措施的试验验证，初步得到以下结论：

（1）起动放气使起动时间延长，起动过程中排气温度升高，其稳定边界比起动不放气时的稳定边界高。

（2）采用大功率起动机结合提高脱开转速的措施可有效提高发动机起动性能，在进气温度为-25～50℃范围内，使发动机起动时间缩短0.19～0.51，起动排气温度降低0.04～0.10。

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（编辑：张宝玲）

Experimental Research on Improving Aeroengine Startability

BIAN Jia-liang，WANG Jun，SUI Yan-feng，HAN Wen-jun
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute，Shengyang 110015，China）

In order to optimizie startability of a turbofan engine，slove problem of aeroengine starting and improve ground startup characteristics,three methods of adopting high power starter,enhancing starter disconnected rotor speed and compressor bleed were developed without changing the main structure under the condition of the aeroengine.The measures of high power starter with enhancing starter disconnected rotor speed were confirmed finally.When the inlet temperature is within the range of 25℃to 50℃,the engine starting time decreases from 0.19 to 0.51,the start exhaust temperature decreases from 0.04 to 0.10.

startability;starter power;disconnected rotor speed;compressor bleed;aeroengine

V 233.6+14

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2015.05.013

2014-01-21 基金项目：国家重大基础研究项目资助

边家亮（1981），男，硕士，高级工程师，从事航空发动机总体性能设计工作；E-mail：guoguodie1981@163.com。

边家亮，王军，隋岩峰，等.改善航空发动机起动性能措施试验研究［J］.航空发动机，2015，41（4）：62-66.BIAN Jialiang，WANG Jun，SUI Yanfeng，et al. Experimental research on improving aeroengine startability[J].Aeroengine，2015，41（4）：62- 66.