涡轴发动机高原启动热悬挂分析研究

候博群，汪 涛

(中国航空工业集团中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089)

1 引 言

发动机高原启动试验是航空发动机设计定型的重要考核内容，其启动性能反映了发动机对高原环境的适应能力[1]。航空发动机应能够可靠、快速地启动，并且可以在各种复杂恶劣的环境下正常启动[2]。在GJB 243A-2004《航空燃气涡轮动力装置飞行试验要求》中，明确规定航空燃气涡轮发动机在启动包线内能够可靠启动，在启动过程中不能出现超温、超转、喘振等异常现象[3]。

高原条件下，空气密度低，进入发动机的空气质量流量减少，导致燃烧室余气系数降低，出现富油。富油会导致启动时点火困难，进而提高了涡轮发动机出口温度，容易超温触发超温保护系统，导致启动失败[4-6]。启动过程的影响因素实际上是影响剩余功率，进入发动机的空气质量流量减少，涡轮剩余功率降低，使得发动机加速性变差。为使转子迅速加速至慢车，需要增加启动供油。若启动供油量调整不当，容易导致发动机超温[7-10]。发动机在高原条件下热启动时，极易发生喘振以及热悬挂现象，导致启动失败[11]。

国内对发动机高原地面启动进行了大量的研究工作。敖良忠等通过在高空台模拟不同高度的地面启动试验，初步探索了发动机启动阶段的供油规律[12]。李小彪等采取增大启动机功率、卸载液压、优化调整供油量等三项措施，将某型发动机高原启动成功率提高了30%[13]。李文峰等通过小型可移动式地面试车台，研究了启动机和发动机的参数调整规律[14]。吴利荣等建立了发动机高原启动模型，为发动机高原启动试验提供了理论参考[15]。李凡玉等采用补氧的方法增加发动机剩余功率，缩短了启动时间[16]。苗禾壮等认为，减少启动过程中来自飞机等设备的电负载和液压负载，可以有效地提高发动机的启动成功率[17]。李俊钢分析了CFM56-7B型发动机在冬季高原多次发生冷启动不成功的原因，并给出了排故措施及具体建议[18]。中国飞行试验研究院多次进行了涡轴发动机配装直升机的高原地面启动试验，积累了丰富的经验。

本文介绍了某型涡轴发动机高原地面启动的特点，对地面启动过程中出现的热悬挂现象进行了详细分析，针对该问题提出了具体改进建议并进行了试验验证，为发动机高原启动试验提供参考。

2 某涡轴发动机启动特点

某型涡轴发动机地面启动包含3个阶段：

第一阶段：启动机初始带转阶段，启动电机带转燃气涡轮开始转动，该阶段点火不喷油。

第二阶段：启动电机与燃气涡轮共同带转阶段，该阶段开始喷油点火，燃气涡轮转速上升至脱开转速后并网，当Ng=50%或带转时间达到35s时脱开。

第三阶段：燃气涡轮单独带转发动机至慢车状态，启动电机脱开之后，完全靠燃气涡轮剩余功率将发动机带转至慢车状态。

3 高原启动热悬挂现象分析

某型涡轴发动机在西大滩进行海拔4630m的高原地面试验，采用蓄电池供电，进行发动机冷启动。启动前蓄电池电压为23.2V，启动过程中，35s时启动电机脱开(此时Ng为33.3%，T45达到728.7℃)，随后Ng最大达到37.3%，T45最大达到829℃，47.8s时飞行员手动关停，终止启动过程。此次高原启动热悬挂和一次高原成功启动的时间历程曲线如图1所示，图中，Ng为燃气涡轮转速，T45为燃气涡轮出口温度，GSDHJ为点火继电器状态信号。出现启动热悬挂的点火时间为8.94s，而正常启动时间仅为3.94s，启动失败时出现点火成功时间延长的现象。

(a)正常启动过程的时间历程曲线

(b)热悬挂启动过程的时间历程曲线图1 两次高原启动的时间历程曲线

高原环境复杂，导致点火困难的原因有：

(1)高原空气较为稀薄，对点火不利；

(2)高原环境温度低，燃油黏度较大，对燃油的雾化不利；

(3)低转速固定供油量较大，容易出现富油现象，对点火不利[19]。

点火成功时间延长会对启动过程产生不利的影响。点火成功时间延长导致Ng上升较慢，从而使得35s时Ng仍低于50%，而35s时启动电机脱开转入发电状态，此时电负载突然增加，Ng上升更加缓慢，为后续热悬挂留下隐患。

图2是启动热悬挂过程中的发动机关键参数时间历程曲线，图中，T45trans为T45预测值，P3为压气机出口压力，Wf为燃油流量，GSQDDJ为启动电机状态信号，GSQDF为启动电磁阀状态信号(开关量)，IXU为蓄电池电流，UH2为启动电机电压。

图2 启动过程中典型参数的时间历程曲线

t0时刻：飞行员将发动机控制开关拨至“地慢”位，进入发动机正常启动的控制逻辑，启动电磁阀打开，蓄电池开始供电，启动电机打开，点火继电器打开。

t1时刻：燃气涡轮转速达到8%，此刻发动机开始按某固定值供油。

t2时刻：燃气涡轮转速超过15%，燃油流量不再固定，而是根据燃气涡轮转速的变化率更改燃油流量。

t3时刻：启动时间超过25s，点火系统关闭。

t4时刻：启动时间超过35s，启动电机进入发电状态，启动电机并网，蓄电池开始充电。此时相当于提供了一个电负载，导致Ng上升速度变缓，Ng为33.27%，供油规律为Ng加速度闭环控制。由于Ng实际变化率小于给定变化率，因此增加供油量。

t5时刻：T45预测值超过800℃，触发T45超温限制逻辑，开始降低供油量。

t6时刻：燃油流量受最小燃油流量限制，燃油流量固定，随后T45开始下降。当T45低于800℃后，按照Ng加速度闭环控制的供油规律开始增加供油量，随后再次达到T45超温限制，从而降低供油量，重复以上控制过程。

t7时刻：飞行员手动关停，终止启动过程。

为分析热悬挂启动失败的原因，进行了本次热悬挂和某次发动机正常启动的关键参数对比(如图3所示)。两次启动均为蓄电池冷启动，并且环境温度接近(启动热悬挂时环境温度为8.2℃，成功启动时环境温度为9.7℃)。由图可以看出，热悬挂时Ng转速上升较慢，这是热悬挂启动过程的点火时间长达9s导致。在35s时，启动电机脱开，由启动状态转为发电状态(正常启动Ng为48.95%，热悬挂Ng为33.27%)，蓄电池开始充电，Ng增长速度明显变慢。由于Ng的增长率小于给定的变化率，根据供油规律，增大供油量。随后，二者均进行了一次增大供油量→T45预测值超限→降低供油量的过程，区别在于热悬挂会重复这一过程，而正常启动仅触发一次超温，其原因在于启动热悬挂时，启动机脱开后燃气涡轮转速Ng较小，蓄电池负载从发动机燃气涡轮提取了较大的相对功率(电负载/燃气涡轮功率)，导致Ng转速上升缓慢，陷入增大供油量→T45预测值超限→降低供油量的死循环，从而导致发动机启动失败。

图3 热悬挂和成功启动关键参数对比

综上所述，初步分析启动热悬挂原因如下：一方面，点火成功时间延长导致Ng上升较慢，燃气涡轮投入工作时间变短，启动机脱开时Ng转速较低，燃气涡轮输出功率较低；另一方面，在35s启动机脱开时，Ng仅为33.27%，而此时蓄电池负载从发动机燃气发生器转子提取了较大的相对功率，导致Ng转速上升缓慢，陷入增大供油量→T45预测值超限→降低供油量的死循环，从而导致发动机启动失败，即燃气涡轮转速过低，燃气涡轮功率与所需负载功率不匹配，进而出现热悬挂。

4 启动热悬挂改进措施及试验验证

4.1 启动热悬挂改进措施

造成发动机启动热悬挂的原因主要有Ng上升速度慢导致启动电机脱开时Ng过低、点火成功时间较长。针对该原因，提出以下改进措施：

(1)延长启动机带转时间。理论上，延长带转时间可以延长启动电机脱开前燃气涡轮投入工作的时间，改善启动电机脱开时Ng过低的问题。一方面可以通过延长启动电机脱开并网的时间，另一方面，将启动电机脱开后立刻并网改为发动机达到地慢状态后再进行并网。即在启动成功后启动电机再由启动状态转为发电状态，启动过程中启动/发电机不再提取功率，这样可以有效降低启动过程中的负载，提高发动机转速。

(2)通过增大蓄电池容量来提高启动机功率。启动机功率是影响发动机高原条件下启动的重要因素[20]，蓄电池容量低、性能差会导致启动电机功率低，带转转速低，发动机加速性差，Ng上升速度较慢。

(3)改进供油规律。点火成功时间较长是本次高原启动失败的重要因素，该现象出现的原因有高原空气稀薄、温度低、燃油黏度大导致燃油较难雾化等客观因素。此外，由于在低转速阶段空气质量流量低，而固定供油量较大导致出现“富油”现象，从而造成点火困难。因此，改进供油规律可以改善启动过程点火成功时间长的问题。

4.2 启动热悬挂改进措施试验验证

由上文分析可知，针对启动热悬挂的改进措施主要有：延长启动机带转时间、提高启动机功率、改进供油规律。考虑到试验成本及试验可行性，采用延长启动机脱开时间和提高启动机功率两项措施进行了验证，结果如下：

(1)将启动电机脱开并网转入发电状态的时间延长至40s，随后进行蓄电池冷启动，启动失败。

(2)采用两块蓄电池并联。本机采用的蓄电池容量为15A·h，若将两块蓄电池并联，可将蓄电池容量增大至30A·h，并且并联形式可以降低电池内阻。机上使用并联蓄电池进行冷启动，启动成功。

图4为发动机采用并联蓄电池进行冷启动成功的关键参数时间历程曲线，启动过程中未出现超温，未出现增大供油量→T45预测值超限→降低供油的死循环。

图4 启动成功过程中典型参数的时间历程曲线

表1给出了本次启动成功和启动热悬挂数据对比。采用蓄电池并联后，启动过程中启动机端电压峰值提高了31.13%，端电流提高了25.76%。蓄电池性能的增强提高了启动电机的输出功率，从而提升了带转能力，启动电机带转发动机到开始供油(燃气涡轮转速Ng=8%)的用时相比于单块蓄电池启动降低了1.1s，点火成功时间缩短了6.37s，T45max由841.6℃降至631.3℃，距离800℃的温度限制留有很大裕度。通过增大蓄电池容量提高了启动机功率和Ng上升速度，从而有效提高了启动能力，成功解决了启动热悬挂问题。

表1 启动成功和启动热悬挂关键参数对比

5 结 论

本文介绍了某型涡轴发动机高原地面启动的特点，并对地面启动过程中出现的热悬挂现象进行了详细分析。启动热悬挂的原因是点火成功时间长以及启动电机脱开转入发电状态时，机载设备和蓄电池从发动机燃气发生器转子提取了较大的相对功率，从而导致发动机启动失败。

增大蓄电池容量可以有效提升电机带转能力，提高发动机启动成功率。本文的研究对涡轴发动机高原地面启动具有较大的参考价值。