涡轴发动机空中交叉起动方案设计及试验验证

2019-03-27黄陈生

工程与试验 2019年4期

杨柳，刘雨，黄陈生

（中国飞行试验研究院发动机所，陕西西安 710089）

由于各种原因造成空中停车后，可靠的空中起动性能是安全飞行和保持战斗力的基础[1]。发动机起动是将燃气发生器转子从静止状态加速到慢车状态，这是一个复杂的动态过程。对发动机起动过程的基本要求是：起动迅速、不熄火、不超温、不出现喘振等[2]。

空中交叉引气起动是对双发或多发飞机在一台发动机工作的情况下，交叉引气到起动机供气阀，由工作发动机起动待起动发动机的过程，在多型民机及直升机上应用广泛。动力系统的交叉起动可以降低空中单发停车及APU故障时发动机空启的风险。此外，若在地面使用交叉起动，可提高直升机平台的机动出动能力。

1 发动机起动系统介绍

某型涡轴发动机是我国自主研制的全数控控制且不带机械液压备份的涡轴发动机，采用双通道全权限数字电子控制系统对发动机的起动、加减速、稳态运行、停车过程实施全面自动控制并对重要参数实施限制和保护。该型发动机的起动过程完全由数控系统控制，将发动机控制开关拨至“飞行”位，通过数控系统内部设定的自动起动程序实现起动。发动机采用空气涡轮起动机起动，由起动机、陪试发动机提供气源，接通点火装置电源。当燃气发生器转速达到设定值时开始按照数控系统所设定的起动供油规律进行供油，当转速达到一定值时断开起动机，将发动机自动带到慢车状态。安全起动过程中转速的上升分为3个阶段：第一阶段：转速较低时开环供油；第二阶段：按照转速变化率供油；第三阶段：数控系统进入动力涡轮转速闭环控制。

2 发动机交叉起动原理

某型发动机由空气起动机起动，气源可以来自辅助动力装置或另一台发动机，如图1所示。从图1可以看出，APU气源起动时，APU引气先通过E处起动控制阀，再通过C1/C2处的起动控制阀带转空气涡轮起动机，完成起动过程；双发引气由不同的引气控制阀控制，需要交叉起动时，主起动的引气控制阀打开，先通过D1/D2处的起动控制阀，再通过C2/C1处的起动控制阀，进而带转空气涡轮起动机，最终带转待起动发动机，完成整个交叉起动过程。

图1 交叉启动引气管路图

3 风险分析

进行交叉起动时，要了解被引气发动机（工作发动机）的转速限制，在试验过程中除了密切注意待起动发动机的参数变化外，还要注意观察被引气发动机的参数是否稳定，是否受到引气的影响。具体分析如下：

（1）空中在关闭待起动发动机的条件下，陪试发动机单发为直升机提供动力，若被引气发动机出现超温、超转等故障，影响起动成功率，有可能导致双发停车。

（2）在打开APU的情况下，由于某型直升机环控系统设计原因，90%转速下的发动机被引气压力小于APU引气压力，此时必须增大发动机状态。因此，若引气发动机状态偏低，则引气压力低，影响起动成功率；若引气发动机状态偏高，则被引气发动机在引气过程中性能衰减严重，有超温、超转风险。

4 风险处置预案及验证

空中交叉起动时风险大、操纵程序的掌握难度大。通过分析空中交叉起动潜在的风险，制定了风险处置方案。

（1）执行空中交叉起动之前，先进行地面起动验证试验，使飞行员熟悉交叉起动操纵程序、被引气发动机性能参数变化规律及验证交叉起动时发动机控制逻辑。同时，可以初步验证整个试验过程中发动机各系统工作情况，图2为地面交叉起动（右启左）试验曲线。

图2 地面交叉启动试验曲线

（2）在空中起动科目实施之前，进行模拟单发停车科目、模拟自转下滑和模拟单发滑跑着陆的训练，确保空启不成功时能安全返航和着陆。

（3）在空中交叉起动前，采用APU气源进行待起动发动机空中起动试验验证，确保被起动发动机在交叉引气起动高度100%的起动成功率，以化解交叉起动的风险。

（4）在交叉引气起动高度，打开被引气发动机防冰（发动机防冰引气量稍大于起动发动机时的引气量）开关，发动机引气对发动机功率的影响如表1所示。

表1 发动机引气对发动机功率影响

检查并分析被引气发动机在防冰引气条件下的性能高度特性，确保在交叉引气起动时不因为引气使得发动机超温、超转，同时也使飞行员熟悉引气状态下的发动机参数变化规律。

从图3可以看出，直升机在平飞阶段时总距杆角度（Wf）、发动机扭矩值（M）基本保持不变，开启防冰引气后（Saeh），发动机排气温度（T45）、燃气涡轮转速（Ng）均有所升高，但均未超过门限值。被引气发动机在防冰引气条件下的参数变化正常，理论上说明在交叉引气起动时不会因为引气使得发动机超温、超转带来风险。