某涡轴发动机高闪点喷气燃料低温起动问题分析

朱明勇 皮星 卢聪明 王旭 邹黎

（中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002）

燃气涡轮轴发动机起动过程是一个非常复杂的物理过程，涉及到气体热力学、燃烧学、自动控制、传热学及材料学等多门学科[1]。起动过程是涡轴发动机必经的工作过程，不同的大气条件、控制规律、燃油类型等均会影响发动机起动性能。为验证发动机在起动包线内，特别是低温条件下的地面起动性能，需进行低温起动试验[2]。

某型发动机是径向进气、单转子燃气发生器、预蒸发管燃烧室、自由涡轮式涡轴发动机，采用全权限数字式电子控制系统（简称数控系统）。在高空模拟试验台，分别使用3号喷气燃料和高闪点喷气燃料进行了地面低温起动试验。图1为某次使用高闪点喷气燃料低温起动历程曲线，图中ng、T45表示燃气发生器转速、燃气涡轮出口温度，发动机点火、起动发电机带转正常，由于滑油温度较低，发动机转子阻力大，发动机剩余功率不足，ng悬挂，起动失败。

图1 使用高闪点喷气燃料-40℃低温起动历程曲线

表1为3号喷气燃料与高闪点喷气燃料低温起动情况对比表。

表1 3号喷气燃料与高闪点喷气燃料低温起动情况对比

1.某涡轴发动机起动工作过程

燃气发生器转子从静止状态加速到慢车状态的过程，称为涡轴发动机的起动过程。某型涡轴发动机采用起动发电机带转，起动过程分为以下4个阶段：

第一阶段：PMS开关从“停车”位置拨到“慢车”位置，立即接通点火控制信号、起动电机控制信号、起动电磁阀信号，发动机燃气发生器转子由起动发电机带动。点火系统打火一定时间后停止工作。

第二阶段：ng转速达到一定转速时，燃油系统开始按给定的燃油流量向燃烧室供油。

第三阶段：燃烧室点火成功后，燃气开始驱动涡轮做功，与起动发电机共同驱动燃气发生器转子加速。

第四阶段：起动发电机脱开后，发动机自行加速至慢车状态。

2.问题原因分析

发动机起动悬挂可能有四方面原因：电机带转能力不足、点火系统能力不足、发动机供油不足、燃油雾化质量不足。具体分析如下：

（1）电机带转能力不足。车台电源电压满足电机使用要求，起动发电机冷运转带转转速符合设计要求，因此电机带转能力不足可排除。

（2）点火系统能力不足。发动机地面低温起动悬挂前均能正常打火，点火时间2s～4s，与正常起动时的点火时间基本相当，点火系统能力不足可排除。

（3）起动供油不足。点火成功后发动机ng转速上升缓慢，燃气温度T45较低，所以可能为数控系统给定起动燃油流量偏低导致，需通过试验进行验证。

（4）燃油雾化质量不足。某型涡轴发动机燃烧室采用直射式喷嘴与蒸发管匹配实现燃油供给及雾化，雾化能力与离心喷嘴存在一定差距，在低温条件雾化能力差。某型成熟涡轴发动机采用相同结构燃烧室，规定使用高闪点喷气燃料时不允许在-30℃以下起动。说明该发动机由于结构受限，低温起动能力较差。

3号喷气燃料和高闪点喷气燃料在成分、粘度、比热容、密度等方面存在诸多差异。燃油运动黏性系数与低温起动、喷嘴雾化有着密切的联系，黏度越大，燃油雾化越差，越不利于低温起动。表2为2种燃油不同温度运动黏性系数对比。

表2 3号喷气燃料与高闪点喷气燃料运动黏性系数对比

由表2可知：高闪点喷气燃油的运动黏性系数约为3号喷气燃料的2倍，低温条件下雾化效果更差，发动机点火、联焰困难，因此使用高闪点喷气燃油低温起动的最低大气温度比使用3号喷气燃料的最低大气温度要高。

因此，燃油雾化质量不足，发动机联焰缓慢问题不能排除。

（5）问题原因分析小结。根据以上分析，电机带转能力不足、点火系统能力不足可以排除，发动机供油不足、燃油雾化质量不足不能排除，需开展专项验证试验。

3.改进措施及试验验证

3.1 改进措施

为提高发动机低温起动性能，针对燃油雾化不足、发动机联焰偏慢、起动供油偏低问题，主要从3个方面优化起动控制逻辑：

（1）提高固定供油段填充供油量，从而提高燃油喷嘴雾化压力，提升雾化质量。

（2）延长起动电磁阀和点火系统接通时间，改善发动机联焰性能。

（3）提高发动机开环供油量和闭环燃油流量限制值，增加起动供油量。

3.2 试验验证

通过多轮起动控制规律优化验证试验，改善了低温起动性能，具体优化参数如下：

（1）地面低温条件下，固定供油段供油量增加25%。

（2）地面低温条件下，开环供油量增加8%。

（3）根据燃油泵调节器能力，将35% ng、40% ng的燃油高限值分别提高2.3%、11.5%。

（4）起动电磁阀和点火系统接通时间延长5s。

主要验证结果如下：

（1）3号喷气燃料低温起动验证。图2为优化起动控制规律、按-30℃保温后，使用3号喷气燃料在-40℃进气温度和-30℃滑油温度条件下起动历程曲线，发动机起动成功。重复包括保温时间在内的试验程序共3次，均起动成功。使用3号燃油在地面低温起动包线内成功起动，表明改进措施有效。

图2 3号喷气燃油-40℃低温起动历程曲线

（2）高闪点喷气燃料低温起动验证。

1）试验条件：-20℃保温，进气、滑油温度均为-20℃。

图3为优化起动控制规律，使用高闪点喷气燃料在-20℃进气温度和滑油温度条件下起动历程曲线，发动机起动成功。重复包括保温时间在内的试验程序共3次，均起动成功。

图3 高闪点喷气燃油-20℃低温起动历程曲线

2）试验条件：-20℃保温，滑油温度-20℃，进气温度-40℃。

图4为优化起动控制规律后，使用高闪点喷气燃料在-40℃进气温度、-20℃滑油温度条件下起动历程曲线。发动机点火和电机带转正常，ng转速上升缓慢，T45温度较低。A时刻，起动电磁阀和点火系统断开，ng掉转，随后T45下降，表明燃烧室未联焰成功，最终起动失败。

图4 高闪点喷气燃料-40℃低温起动历程曲线

在图4起动失败后，再次进行起动试验，起动历程曲线见图5。发动机起动成功。

图5 高闪点喷气燃油-40℃低温热起动历程曲线

3）试验条件：大气温度-40℃，滑油温度0℃。在外场高寒试验条件下，对滑油系统进行加温，当滑油温度达到0℃后停止加温，在-40℃大气条件下进行起动试验。发动机起动成功。

（3）低温起动验证小结。

根据以上验证结果，起动控制规律优化后：

1）使用3号喷气燃料地面低温起动最低温度扩展至低温边界；

2）使用高闪点喷气燃料地面低温起动最低温度扩展至-20℃，外场使用时可通过热起动或对发动机进行加温的方式实现-40℃大气条件下起动。

验证结果表明，起动控制规律优化措施有效。

4.结论

（1）该型发动机由于燃烧室结构受限，直射式喷嘴与蒸发管低温雾化效果差，低温起动能力较离心喷嘴型燃烧室偏差。

（2）通过提高固定供油段填充供油量、延长起动电磁阀和点火系统接通时间、提高发动机开环供油量和闭环燃油流量限制值等优化措施，改善了发动机低温起动性能，经验证措施有效。

（3）起动控制规律优化后，使用3号喷气燃料在低温起动包线内成功起动；使用高闪点喷气燃料在-20℃保温条件下成功起动，在-20℃保温后按-40℃供空气条件下冷起失败、热起动成功。原因是高闪点喷气燃油的运动黏性系数约为3号喷气燃料的2倍，低温条件下雾化效果更差，因此使用高闪点喷气燃油低温起动的最低大气温度比使用3号喷气燃料的最低大气温度要高。

（4）使用高闪点喷气燃料在-40℃条件下，可通过加温的方式实现外场起动。