涡轴发动机不同起动阶段的影响因素研究

王旭 陆胜军 邹黎

摘 要：起动过程是一个典型的非线性变化过程，影响因素众多，大气环境是导致起动性能变化的最重要因素之一。起动可划分为不同阶段，在不同阶段下，大气温度和大气压力对起动性能影响的机理不一样。本文通过开展某型发动机在不同大气环境下的起动性能试验验证，得到了不同大气环境对起动影响的趋势，按不同阶段解析了大气环境影响起动性能的原因，为起动供油规律给定和修正提供了参考。

关键词：涡轴发动机;大气环境;起动特性

中图分类号：V233 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）09-0105-05

随着用户对直升机野外恶劣环境适应性的要求提高，其对起飞场地保障条件的要求也较低。在进行发动机起动时，难以依靠机场保障设备来提高起动成功率（如采用机场电源车起动，热风暖车等）。因此，为保证直升机全气候范围使用，涡轴发动机一般要求在大气温度-40℃～50℃范围内进行起动。

发动机起动过程属于瞬态过程，影响因素多，如何分析发动机的起动过程是非常困难的[1-2]大气温度对发动机性能、起动机带转能力，燃烧室点火和联焰均有较大影响，除了在设计上应考虑足够的裕度外，完善的起动供油规律也是保证起动成功的重要因素之一。

本文对起动进行阶段划分，开展了某型涡轴发动机温度影响试验验证，通过对不同阶段的分析，总结出了温度影响起动性能的原因，并提出了起动供油规律温度的修正方法。

1起动影响因素

1.1不可控因素

根据发动机原理和试验数据分析，影响发动机的起动因素有很多，根据是否可控制分为不可控因素和可控因素

不可控因素主要為外界环境，不受设计者控制：（1）大气温度;（2）大气压力;（3）大气湿度;（4）飞行马赫数。

此类影响因素需要对其影响机理和程度进行分析，并通过起动控制装置来进行调节以减弱外界环境对起动的影响，这也是起动规律的研究目标之一。

1.2可控因素

可控因素可由发动机设计者进行选择和控制，主要为发动机自身的参数：（1）各部件效率;（2）涡轮导向器面积;（3）可调压气机导叶;（4）压气机级间放气;（5）燃油供油规律以及起动故障模式;（6）起动机功率等级及脱开转速。

当发动机完成方案设计后，发动机本身大部分参数已固定，无法进行调节，因此涡轴发动机主要通过起动机和供油来控制和改善起动性能。

2 起动阶段划分

一般来说，涡轴发动机起动过程由以下三个阶段组成[3-4]，各阶段起动扭矩变化见图1。

2.1第1阶段

第1阶段为起动机开始带转至燃烧室点火成功。此阶段发动机转子完全由起动机带转，电机带转扭矩MCT随燃气涡轮转速ng的上升逐步下降，变化趋势接近于直线。

压气机阻力矩MC由机械阻力和气动阻力组成。大量试验数据证明：在整个起动过程中，压气机的气动扭矩与燃气涡轮转速ng的平方成正比。机械阻力在一般情况下均较小，在起动过程中可以忽略，但是在极低的温度下机械阻力将急剧增加，在设计起动规律时需予以考虑。

2.2第2阶段

第2阶段为燃烧室点火成功至电机脱开（自立转速）。

此阶段，发动机的涡轮和起动机共同工作，涡轮带转扭矩Mg快速上升，当ng转速超过自立转速后，Mg将超过MC，理论上可以脱开起动机。但是为了增加可靠性和缩短起动时间，一般保持起动机继续工作一段时间，待Mg大于MC较多后再脱开。

2.3第3阶段

第3阶段为电机脱开后独立加速至地面慢车。

此阶段，发动机涡轮将独立带动发动机至地面慢车。在前半部分，由于电机脱开，加速净扭矩有所减少，为维持较高的起动加速度，一般会继续保持较高的涡轮前总温。随着转速的继续增加，所需转速加速度减少，以及涡轮效率提升，涡轮前总温将逐渐降低。

由于第1阶段时间较短，且影响因素与第2阶段较为接近，因此为了方便分析，本文将第1阶段和第2阶段合并，统称为第Ⅰ阶段，第3阶段称为第Ⅱ阶段。

3大气温度对发动机起动性能的影响

3.1 温度影响试验验证分析

为验证大气温度对发动机起动的影响，利用某涡轴发动机在高空模拟台上进行了验证试验，试验温度由-20℃～50℃，试验情况见图2～图4。

由图分析可知：

（1）当大气温度低于10℃时，随着温度逐步下降，第Ⅰ阶段起动时间逐渐增加。当大气温度处于10℃～40℃时，起动时间较短且变化量不大。在接近环境使用极限50℃时，起动时间有所增加;

（2）大气温度越高，第Ⅱ阶段起动时间越长，但是其总体变化趋势较小;

（3）在标准大气温度15℃左右，发动机总起动时间最短，而随着温度偏离标准状态，总起动时间均较快的增加。

3.2 温度对第Ⅰ阶段影响分析

大气温度对第一阶段起动过程的影响原因分析如下：

（1）压气机气动载荷增加。

由上式可知，在第一阶段，随着大气气温降低，θ减小，同样物理转速下，通过压气机的空气流量增加，因此压气机的气动负荷也随之增加，在同样的电机功率下，ng转速加速度较小，起动时间变长。

（2）低温下润滑油的粘度增大导致发动机传动装置的阻力增大。

以目前国内发动机使用的飞马二号滑油为例，当温度下降时，滑油粘度急剧增加，其中以30℃和-30℃为例子，两者的运动粘度相差66倍，因此低温下发动机起动阻力将急剧增加。

为研制温度对发动机起动阻力矩的影响，分别用同一台发动机在30℃和-30℃（在该温度下存放超过12h）条件下进行了起动阻力矩测量，测量结果见图5，在30℃条件相比，-30℃条件下的发动机起动阻力矩增加29.5%。

温度越低，起动阻力越大矩越大，如果起动供油量不增加，电机功率不变，起动第Ⅰ阶段的燃气涡轮转子加速度将减少，起动时间增加。

为减少发动机起动阻力矩，保证发动机在低温下的起动，一般采用70℃～90℃的热空气对燃烧室、滑油箱、泵调节器、附件传动机匣等的外表面加温10min～20min后，再次进行起动。通过发动机在-21℃条件下加温和不加温时的起动验证情况（见图6），加温15min后，起动时间缩短了33%。

如外场没有加温装备，也可通过重复热起动的方法进行紧急起动。外场低温的起动验证情况，在-28℃条件下冷起动失败后，再次进行热起动成功，起动情况见图7。

（3）在温度较低的时候，燃油雾化效果较差，燃烧室联焰缓慢。

在发动机燃油喷嘴类型及结构尺寸确定的情况下，燃油燃烧与燃油雾化质量密切相关，雾状油珠愈细、表面积愈大，愈有利于充分燃烧。低温下，燃油雾化效果变差，燃烧室联焰缓慢，导致起动变慢。不同温度下发动机点火后温度上升情况见图8，燃气涡轮温度的上升速度随大气温度下降而变小。

可见，在点火成功后的4s内，发动机燃气涡轮温度上升斜率逐步减小，具体数值见图9。

在大气温度较高时，发动机燃气涡轮温度上升斜率较小，每下降1℃，发动机燃气涡轮温度上升速率下降0.9℃/s。而在大气温度在0℃以下时，每下降1℃，发动机燃气涡轮温度上升速率下降为2℃/s。

因此，当温度下降到-20℃时，发动机燃烧室点火和联焰十分缓慢，再进一步降低温度有可能导致起动悬挂。特别是当发动机存在其他影响燃烧室性能的情况，如燃油喷嘴积碳[8]，在综合因素的影响下，会导致涡轴发动机在起动过程中出现燃气涡轮温度起动初始缓慢的现象，在包线范围内导致发动机起动不成功。

3.3 温度对第Ⅱ阶段影响分析

发动机起动过程第Ⅱ阶段为燃气涡轮转速平衡转速至地面慢车状态的阶段，由前文分析可知：大气温度越高，此阶段起动时间越长，但是其总体变化趋势较小。

大气温度对第Ⅱ阶段的影响分析如下：

（1）发动机阻力扭矩减少。根据前面分析，随着温度的增加，压气机气动载荷减少，发动机传动装置的阻力也减小，因此起动的起动阻力矩减少。

（2）燃气涡轮做功能力减少，用以加速扭矩减小。在ng平衡转速至地面慢车状态阶段，燃气涡轮为发动机起动的主要加速扭矩来源，随着大气温度的增加，在同样的ng转速下，通过发动机的空气流量急剧下降，燃气涡轮做功能力也减弱。

相对于压气机气动载荷和燃气涡轮做功来，传动装置的阻力对发动机起动第二阶段的影响较小，因此起动第二阶段的时间主要由压气机气动载荷和燃气涡轮做功的变化决定。当大气温度升高时，在同样的燃气涡轮转速下，需要更高的燃气温度才能保持燃气涡轮功率和压气机功率平衡。因此如保持起动过程中燃气温度不变，用于加速的剩余功率将减小，起动加速度减少，起动时间增加。

4 高度对发动机起动性能的影响

随着高度的上升，大气压力降低，空气密度逐步减小，大气温度也随之降低，因此会对发动机起动性能产生很大影响。其中温度的变化在前文中已做论述，不再累述，下面只针对压力和空气密度的影响进行分析。

为了验证高度对发动机起动的影响，在同样的大气温度条件下（10℃），分别进行了地面、1.5km和4.5km高度的起动试验，具体见图10。

由图10分析可知，在起动第Ⅰ阶段，高度越高，ng上升速率越快。在起动的第Ⅱ阶段，高度越高，ng上升速率越慢。

这种现象是大气压力和空气密度减小导致的，大气压力和空气密度的减小对起动性能的影响分析如下：

（1）發动机发出功率减小，起动过程中剩余功率减小。对发动机空中起动过程进行模拟计算，在3km高度条件下，电机脱开后，涡轮有较大的剩余功率（相当于126%电机额定功率）用于带转压气机及附件。在4km高度条件下，电机脱开后，涡轮剩余功率较小（相当于12%电机额定功率）。由于可用于加速燃气涡轮转子的剩余功率减少，因此在高空起动过程的第2阶段和第3阶段，上升速率随着高度的上升而减小。

（2）大气压力和空气密度减小，压气机气动载荷减小。以4.5km高空为例，此高度下的大气压力降低至57.7kPa，同样物理转速下流过压气机的空气流量减小，因此起动过程中压气机气动载荷减小。

为验证高度对压气机起动气动载荷的影响，在同一温度下对4.5km高空和地面的起动扭矩进行了验证试验，见图11。

由图11可知，在同样的20%ng转速，地面和4.5km起动阻力矩差值为38.4%，而10%转速时地面和4.5km起动阻力矩差值只有16.8%，转速越低，大气压力对起动阻力矩影响越小。这是由于起动阻力矩主要由机械阻力和气动阻力组成，低转速下的空气流量低，气动阻力也小，因此大气压力变化对起动阻力矩的影响也小。同理，大气温度主要影响机械阻力，因此对起动阻力矩的影响随转速变化的趋势较小。

在同一台发动机上进行空中停车，以测量不同高度下发动机停车时阻力矩（此三次测量虽然在不同大气温度下进行，但是经过一段时间的运转后，大气温度对发动机阻力矩影响可忽略不计），见图12，可见高度越高停车阻力矩越小，其中在20%的ng转速，4.5km高度（插值计算）的扭矩比地面慢车减少了37%，此计算值和冷运转的扭矩计算值一致，相互验证了高度对压气机阻力矩的影响。

综上所述，在起动第Ⅰ阶段，高度越高，ng上升速率越快的原因是压气机气动载荷减小。在起动第2阶段，高度越高，ng上升速率越慢的原因是发动机用于加速的剩余功率减小。高度对起动第Ⅰ阶段的影响较小，对第Ⅱ阶段的影响较大，因此对于整个起动过程，高度越高，起动时间越长，起动越困难。

5结论

（1）大气温度对发动机起动影响因素主要为压气机气动载荷，转子阻力，燃烧室联焰，燃气涡轮做功能力。在第Ⅰ阶段，压气机气动载荷，转子阻力，燃烧室联焰为主要影响因素，随着温度降低，起动时间增加;在第Ⅱ阶段，燃气涡轮做功能力为主要影响因素，随着温度的上升，起动时间逐步增加。因此只要大气温度偏离标准温度，起动时间均会增加。

（2）大气压力对发动机起动影响因素主要为压气机气动载荷和燃气涡轮做功能力。在第Ⅰ阶段，压气机气动载荷为主要影响因素，随着高度的上升，起动时间减少;在第Ⅱ阶段，燃气涡轮做功能力为主要影响因素，随着高度的上升，起动时间逐步增加。由于第Ⅱ阶段的燃气涡轮做功能力影响，因此只要大气温度偏离标准温度，起动时间均会增加。

（3）由于大气温度和大气压力对起动影响较大，因此需根据这些因素对起动供油量来进行修正：

式中Kp为压力系数，用来对大气压力影响进行修正;Kt为温度系数，用来对大气压力影响进行修正。

参考文献

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