涡扇发动机高原起动供油调整规律研究及故障分析

高 磊

(中国飞行试验研究院发动机所,陕西 西安 710089)

0 引言

我国地理环境中高原多,随着国家对高原地区空防作战的重视,航空发动机高原使用问题已日益突出[1-2],航空发动机的高原起动性能是评价发动机整体性能的重要指标。国军标GJB243A—2004中明确规定:发动机地面起动性能的鉴定试验需要确定不同大气条件、不同标高、不同起动电源和起动形式的发动机地面起动性能,并对试验内容和方法有非常详细的规定[3]。

高原地区空气压力低、密度小,空气中氧气含量较少,相对于平原起动,航空发动机在该地区表现出不同的起动特点。刘磊对航空发动机起动过程的特点进行深入的研究,分析了高原起动的特点和起动过程中各种因素的影响[1]。汪涛以某型涡轴发动机高原起动试验出发,对比了高原机场和平原机场试验特点及对起动性能的影响,针对高原机场发动机起动过程的喘振故障进行了分析[4]。王兆铭等人以某型航空发动机作为研究平台,研究了平原地面起动供油和高原起动供油的关系,提出了通过改变自动起动器和起动放气嘴来进行发动机调整的方法[5]。尽管研究人员对航空发动机高原起动已做出了一些研究,但限于试验条件和样本差异等影响,对高原起动特别是起动供油规律调整等方面的研究还相对较少。

本文以某型涡扇发动机高原起动试验为研究对象,分析其高原起动供油规律的调整规律以及高原起动的特点。

1 高原起动时序和难点

1.1 高原起动的难点

相比于平原起动,高原起动具有以下难点:

(1)起动机功率降低

高原机场空气稀薄,相同转速下起动机空气流量减小,功率降低,导致发动机点火时转子转速较低;同时脱开转速较小会导致发动机自身的剩余功率小,起动时间延长。

(2)起动供油规律不匹配

由于高原地区发动机空气流量小,平原上的起动供油规律并不适合高原,为了保证发动机可靠地起动,需要进行起动供油量的调整。如果起动供油量没有同空气流量成比例地减小,例如发动机空气流量减小很多而起动供油量减小得很少,就会在燃烧室内形成富油状态的混合气,造成点火困难,涡轮后排气温度上升快、温度高。当供油量调整不当时,会对涡轮前燃气温度有较大的影响,易发生发动机“冷悬挂”和“热悬挂”现象[1,4]。

(3)部件效率低

在高原地区,发动机部件效率会出现一定程度降低。随着发动机空气流量减小,起动供油量也会相应地调小,导致喷嘴前油压降低,因而燃料的雾化质量较差,同时高原大气温度较低,会加剧这一现象;此外,燃烧室内的气体压力随大气压力的降低而降低,致使火焰传播速度减小,燃烧不完全,导致燃烧室效率低下[1,4]。

(4)散热困难

在高原地区,由于空气密度减小,发动机冷却的空气流量也相应减少,使得发动机的热量不易散发,从而对下一次起动造成较大的影响。

1.2 发动机起动时序

发动机地面起动是指在地面状态下发动机由起动机带转从零转速经点火加速到发动机慢车过程。为了更好地分析发动机起动过程,将发动机起动过程分为3个阶段[4],如图1所示,具体为:①起动第Ⅰ阶段:发动机未点火,仅靠起动机带转;②起动第Ⅱ阶段:发动机点火,涡轮开始做功,与起动机一同带转;③起动第Ⅲ阶段:起动机脱开,仅靠涡轮做功带转。

图1 涡轮发动机起动的三个阶段

某发动机起动逻辑由飞机自动起动装置以及相关电气系统完成,发动机综合电子调节器发出相关离散信号至自动起动装置,燃气涡轮起动机及相关传动设备带转发动机,发动机主泵燃油调节器及相关系统完成发动机点火及供油,最终完成发动机的起动。采用了“地面电源—燃气涡轮起动机—涡扇发动机”的起动机带转方式。

在高原上由于空气中氧含量较低,从按下起动按钮地面起动程序开始,直到整个地面起动结束全过程(从按下起动按钮开始到起动灯熄灭)都具有补氧功能。

2 发动机起动调整规律

对高原地面起动各过程的影响因子进行分解,可以看出在起动装置及相关系统工作可靠的情况下,与起动相关的可变影响因子为:起动机功率、主燃烧室点火电嘴以及主燃烧室供油量。

为给各变量调整提供依据,通过关键事件方式建立起动调整策略分析方法,具体过程为:将起动过程按图2进行分解,确定关键事件,如表1所示。在关键事件基础上定义特征参数,特征参数是基于同一型发动机平原和高原起动参数统计结果及限制参数。根据特征参数形成判据,对具体的起动数据进行分析,就可确定明确的调整方向及初步的调整量。由于点火电嘴和起动机功率受自身限制,不易调整,因此本文研究了起动供油规律的调整。ntrans为某型发动机主燃油泵调整起动供油的转换点,低于该转速为前段供油,高于该转速为后段供油,可通过相应的调整螺钉进行调整。

表1 高原起动调整策略

图2 高原起动过程影响因子分析

首先对未做供油规律调整的发动机高原起动典型参数分析研究,如图3所示。从图中可以看出,高压转速上升缓慢,排气温度也不高,在起动机脱开之后出现了“冷悬挂”现象,表现为转速悬挂而排气温度逐渐降低。

图3 供油规律未调整时的高原起动过程

依据上述建立的高原起动调整策略,通过对比高原与平原起动点火成功时间ts、起动机脱开时发动机转速、ntrans时排气温度T6trans、过程最高排气温度T6max等参数,获得各阶段的影响。如图4和图5所示。

图4 点火成功所需时间对比

可以看出,高原起动点火成功所需时间长,相比于平原起动增长4～6 s。原因在于高原起动中空气稀薄,相同转速下主燃烧室内油气比增大,富油程度加剧,建立稳定的燃烧较为困难。

高原起动中,发动机ntrans时排气温度T6trans较平原上升明显。表明高原条件下由于空气量减小,发动机起动调节器供油在前段偏富油状态。

高原起动时起动机脱开转速低,相比于平原转速降低6%～10%,起动机脱开都是以时间达到脱开条件为止,而平原起动是以转速达到脱开转速条件为止。导致发动机在起动机脱开之后,无法建立足够的涡轮剩余功率,无法依靠自身功率起动到慢车状态。

考虑到发动机起动过程中最高排气温度距离限制值仍有一定空间,可考虑在后半段供油中往增油方向移动,以增加发动机剩余功率,缩短起动时间。

通过对某型涡扇发动机起动供油规律进行调整,实现了在高原上的正常起动。根据统计,三台发动机均减小起动的前段供油量,表明在高原条件由于空气密度减小,减小起动前段供油量可以保证合适的油气比,有利于发动机点火及稳定燃烧。低转速下发动机喘振裕度低,降低前段供油量有利于避免压气机进入失速工况中。起动机脱开转速较小,排气温度也较低,因此需增加起动后段油量而使得发动机能较快达到慢车转速,缩短起动时间。需要注意的是,在减小前段供油量时,可能会使起动机脱开时发动机转速降低,但应保证高于平衡转速,发动机有足够剩余功率进行加速。

因此,高原起动供油调整策略为起动前段减小供油量,起动后段增加供油量。

3 高原起动典型失败案例分析

为获得某型涡扇发动机高原起动特点,本文对调整后的涡扇发动机高原起动失败案例原因分析。其典型问题主要有:冷态起动时转子转速掉转,热态起动时转子抱转,热态起动时转速悬挂等现象。

(1)冷态起动起动机脱开后发动机掉转

图6给出发动机冷态起动失败的参数曲线。从图中可以看出,在起动机脱开前出现发动机“热悬挂”现象,即转速不上升但排气温度较快增大,到起动机脱开时高低压转子出现掉转现象。

图6 冷态起动异常掉转的参数曲线

从图7可以看出,冷态起动失败时,点火成功时间和供油转换点的排气温度均稍高于起动成功的,相差不大;起动机脱开时发动机转速明显低于起动成功次的。原因在于:高原冷态起动时,发动机转子部件摩擦阻力大,各部件效率低,导致剩余功率减小。发动机点火成功后,转速上升缓慢;发动机脱开转速过低,涡轮无法产生足够的剩余功率,出现发动机转速悬挂甚至下降现象,这会进一步导致压气机中气流流动情况恶化,排气温度快速上升。

图7 冷态起动失败与成功次的特征参数对比

因此,为了提高起动成功率,可以适当增加冷运转次数:一方面减小发动机部件间摩擦阻力;另一方面调整涡轮起动机状态到较好的工作状态。

(2)热态起动时低压转子抱转

图8给出了热态起动时低压转子抱转时的参数曲线。从图中可以看出,点火前排气温度较高,点火成功后转子转速缓慢上升,然后低压转子转速开始出现失速直至有明显的抱转现象,转速降为0,导致高压转子随后也开始出现失速现象,而排气温度快速上升。

图8 热态起动时低压转子抱转时参数曲线

发动机未做任何调整,经过两次冷运转后起动成功,图9为对比了起动失败与成功的参数曲线。从图中可以看出,失败次和成功次的在排气温度上升趋势基本一致;失败次的高压转子转速表现出前段的上升趋势与成功次的一致,但后段明显上升较慢;并且失败次的低压转子转速一开始便表现出了滞后现象,上升缓慢并随后失速直至出现抱转现象。

图9 热态起动时低压转子抱转与成功次的对比

低压转子出现明显的抱转现象,并且在高压转速较高时低压转子转速为零(成功次的相同高压转速时低压转速为11.7%),这说明低压转子阻力矩大,出现一定程度卡滞现象。导致这一现象的原因在于高原上空气温度低,发动机机匣由于是薄壁件,冷却较快,发动机转子由于是实体件并且由于高原空气稀薄热传导慢,因而冷却缓慢。热态起动时,如初始排气温度较高时,转子部件与机匣的间隙减小,转子转动时阻力矩大,这在低压部件中表现得更加明显。

高原上在热起动之前一般需进行冷运转,但低压转子只是在气动作用下运转,因此卡滞现象并没有完全消除。这会导致压气机负荷增大,转速上升需要的功增大,因而转子转速上升缓慢;反过来转子转速较低会导致气流压比较小,这又导致发动机自身涡轮功减小,形成恶性循环。当起动机脱开时,出现一定程度的失速掉转、排气温度快速上升等现象。

(3)热态起动时转速热悬挂现象

图10给出了热态起动转速悬挂(表现为转子转速上升缓慢,温度快速上升)的参数曲线。从图中可以看出,发动机点火成功后转速上升缓慢,脱开转速低,排气温度高,起动机脱开之后,转子转速难以上升甚至出现转速掉转或压气机失速等现象。

图10 热态起动时转速热悬挂参数曲线

发动机未做任何调整,经过两次冷运转后起动成功,对比了起动失败次与成功次的参数曲线见图11。与之前类似,失败次的高压转子转速在前段表现出上升趋势与成功次的一致,但后段明显上升较慢;失败次的低压转子转速则一开始便表现出了滞后现象,上升缓慢,但并未出现抱转现象。

图11 热态起动时转速热悬挂与成功次的对比

在热态起动时低压转子在一定程度上存在卡滞现象,导致其转速上升过程有明显的滞后现象,同时由于低压转子转速上升缓慢,导致低、高压转子出现流量不匹配等问题,使得高压转子转速同样偏离正常的上升轨迹,最终导致起动失败。

为了提高起动成功率,发动机热态起动时同样可以适当增加冷运转次数:一方面减小发动机部件间摩擦阻力;另一方面降低涡轮前温度,减弱因发动机放热导致的富油程度。

4 结论

通过对某型涡扇发动机高原起动试验进行分析研究,得到以下结论:

1)建立了高原起动调整策略分析方法,确定高原起动供油规律调整策略为:前段减小供油量,后段增加供油量;

2)高原冷态起动失败的主要原因是起动机脱开时发动机转子易出现转速悬挂或掉转甚至失速现象,可适当增加冷运转次数来缓解该问题;

3)热态起动时失败的主要原因是低压转子易出现不同程度的阻力矩增大,导致发动机转子转速上升缓慢,甚至低压转子抱转,导致出现“热悬挂”等现象,可以增加冷运转次数来缓解该问题。