某型航空发动机核心机起动点火性能优化方案研究

作者简介：张怡超（1996-），男，工程师。研究方向为航空发动机。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.033

摘  要：在某型发动机核心机试验中，出现起动喷火、点火时间波动、点火时间过长等现象。该文通过对该型核心机起动点火时的影响因素进行分析，找出影响该次试验的关键因素是分配器后的燃油管路填充速度偏慢，点火时燃油喷嘴进口压力偏低，喷嘴在低压差情况下燃油雾化效果差，导致不能在第一时间点着火。结合试验数据与发动机实际附件特性，提出该型核心机的起动点火优化方案，增大起动点火前初始供油流量，延后开始供油与点火时间后，达到优化点火电嘴的工作环境，加快点火速度，减少点火前的燃油泄漏的目的。试验结果表明，优化方案可解决该型核心机在地面台架试验时的起动点火问题。

关键词：航空发动机；核心机试验；起动规律研究；点火性能优化；燃油规律；燃油管路填充

中图分类号：V233        文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）12-0144-04

Abstract： It is find that， in an aircraft core-engine experiment， the starting ignition time was too long and the flaming can be seen out the engine's nozzle. By the analysis on the influence of this core-engine， the reason of the phenomenon has been found. While the pressure ahead of the fuel nozzle is low， the pulverization of fuel is unacceptable， and the ignition time will be delayed. Combining the engine's fuel accessory capacity with the experimental data， the optimization scheme of starting-up fuel-supplying law was proposed in this paper. This optimization scheme enlarged the quantity of fuel at the beginning of the stating， and delayed the timing of fuel-supply and ignition to optimize the work environment of the ignition nozzle and accelerate the speed of ignition. The final experiment shows that the optimization scheme has handled the problem on starting  performance of this aircraft core-engine.

Keywords： aircraft engine; core engine; study on starting control law; starting performance optimizing; fuel supply law; fuel pipe filling

自从1903年出现第一架飞机升空开始，航空发动机的研制便一直处在世界各国科技发展竞争的前线，可一款全新航空发动机的研制是一个昂贵、漫长的过程，其花费可能在数亿乃至数十亿美元，研制周期通常要十余年甚至二十余年，时间与金钱成本非常巨大，每一步都需要找准方向，尽量避免走入歧途，特别是在我国航空发动机研发起步较晚的情况下，更是如此。

目前世界各国已经广泛采用核心机试验对发动机进行前期研究验证工作。航空发动机的核心机是指在多级转子组成的发动机中，仅包括燃烧室、燃烧室前后两端的高压转子，以及最小限度的成附件组成的可以正常工作的单元体。通过利用这样的核心机进行试验，可以在接近真实发动机环境下，对部件技术进行集成验证，以降低发动机的工程研制中的风险，指导发动机后续设计。由于核心机包含的部件较少，设计工作较少，且可以提前开展，加工量也较小，所以，通过核心机试验能有效节约研制經费、缩短研制周期。

在发动机核心机试验中，起动性能调试试验是相当重要的一环，通过核心机起动调试试验，可以通过一个相对较低廉的时间周期、成本为后续发动机的起动设计提供可靠的指导和借鉴。

航空发动机的起动过程是一个非常复杂的气动热力学过程，涉及到气体动力学、燃烧学、自动控制、传热学及材料学等多门学科[1-3]。起动过程包括：发动机在零转速（冷态或热态）下，通过从辅助动力装置引出高压高温气体，流经空气管路和调压装置，吹动空气涡轮起动机的涡轮做功，输出轴带动主发动机转子加速。当主发动机的转子达到点火转速时，其燃烧室开始点火工作，然后空气涡轮起动机与发动机的涡轮一起做功加速，进一步达到自持转速以上时起动机逐渐脱开，此时发动机完成起动过程并进入慢车状态。慢车状态是一个平衡状态，它是起动过程的终态[4-6]。

航空发动机起动过程受环境温度、压力、起动机功率和压气机、燃烧室、涡轮等部件匹配因素影响，具有较大的不确定性，在特殊大气环境下容易出现发动机点火失败、超温、悬挂和失速等问题，导致起动失败。

1  试验情况

某发动机核心机由轴向进气道、双级压气机、直流燃烧室、单级燃气涡轮、尾喷管与最小限度的成附件组成。该发动机核心机地面台架试验的起动过程步骤如下：在起动命令给出的同时，地面试验车台为安装在发动机上空气涡轮起动机供气，高压气体在带动空气涡轮起动机转动的同时带动核心机转子加速，当核心机转子的转速升高至预设好的转速时，位于燃烧室内的点火电嘴开始点火，作为发动机附件一部分的燃油分配器开始按起动供油规律供油。

作为发动机前期研究探索工作，起动供油的规律设置为开环供油规律，由研究人员在试验前给出。本次试验的初始开环供油规律①见表1。当燃油分配器接到供油指令后，燃油分配器的供油阀门便会打开，燃油通过阀门进入燃油总管，再从环状的燃油总管进入到发动机上的十余个燃油喷嘴，通过燃油喷嘴喷射雾化在燃烧室内，燃烧室点火电嘴带来的电火花会将燃油点燃，点火成功后，随着发动机供油量的增加，发动机进入加速过程，起动机最终自动脱开，核心机进入地面慢车状态。

表1  起动开环供油压力

但是该发动机核心机在首次地面台架试验中，出现起动点火性能不佳的问题，主要表现为出现起动喷火、点火时间波动、点火时间过长等现象。起动喷火，即在起动时，观察到尾部有明显柱状火焰，火焰持续时间不长，通常在数秒内，起动喷火会导致发动机涡轮部件局部短时超温，给发动机可靠性与寿命带来负面影响。点火时间波动，即核心机点火的时间不一致，存在数秒乃至近十秒的偏差，这是发动机性能不稳定的明显现象，亟需优化。点火时间过长，即在核心机地面台架试验中，点火时间超过设计值，达不到预期的目标，试验操作人员会直接切断燃油供应，判断为试验点火失败，可以推测认为发动机存在未发现的故障，需要中止试验进行排除。这些问题都为核心机试验带来了非常不利的影响，也对前期设计产生了冲击，如果不能在现有条件下尽快解决这些问题，发动机的研制过程会被严重滞后，甚至会产生推倒重来的风险。

2  影响因素分析

航空发动机起动一般分为2种情况，一种是空中起动，另一种是地面起动。空中起动的点火性能在地面核心机台架试验中暂时不做考虑，通常是在地面起动的性能优化完成之后，再在专门的可以模拟高空起动环境的设备下开展。

本文本次研究的某型发动机核心机起动试验，便是在地面标准天条件下进行的，在地面标准天条件下起动时，点火性能与油气比、燃烧室进口空气流速、燃油雾化情况等因素有关。

油氣比是指在点火过程中，同一时刻通过燃油喷嘴进入燃烧室的航空煤油与通过压气机进入燃烧室的空气的比值，当燃油过多或过少时，燃烧都不能稳定进行。在进行核心机试验前，燃烧室部件专门录取了该型发动机的点熄火边界，可以根据该边界，判明核心机试验的油气比情况。

由于是地面台架试验，试验中可以对核心机进口的空气流量进行测量，也能对进入燃烧室的燃油流量进行测量。根据车台所测得的空气流量与燃油流量对点火成功前的油气比等参数进行计算，取试验时人工中止点火前的时刻进行分析，分析结果如图1所示，可以看到此时油气比高出点火边界较多，理论上应能顺利点燃，然而实际试验时的点火情况则是点燃滞后甚至是未能顺利点燃，故油气比不当导致发动机起动点火性能不佳的可能性较小。

图1  试验点火不成功时的油气比与点火边界

影响航空发动机核心机起动点火性能的另一个因素是燃烧室进口空气流速，当燃烧室进口空气流速较大时，燃烧室内不能建立稳定的油雾环境，达不到点火的标准。由于本次试验是地面台架试验，发动机进口速度为0，此时燃烧室进口空气流速非常小，基本可以忽略其对点火带来的不利影响。

影响航空发动机核心机起动点火性能的因素还有点火时燃油喷嘴的雾化效果。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，雾状油珠越细、表面积越大，越有利于充分燃烧[7]。

一般情况下，燃油喷嘴能将航空煤油高速旋转喷出，形成锥状的油雾，以供点火电嘴引燃。但要想形成稳定的锥状油雾，燃油喷嘴两端需要具备足够的压差。当燃油喷嘴的进出口压差较低时，燃油的雾化效果较差，点火难度上升。且在核心机的起动点火过程中，由于此时核心机转子仅由空气涡轮起动机带转，进入燃烧室的空气流量低，流速慢，一旦雾化效果不佳，油气掺混就更困难、分布就更不均匀，对点火造成的不利影响就会加剧[8-9]。

为了确定燃油喷嘴的进口压力情况，对本次试验中核心机的喷嘴供油压力增加了液体压力测点进行监控，随后进行了冷机起动，冷机起动的结果显示发动机起动时间过长。在该次起动时间过长的试验中，燃油喷嘴前的副油路的燃油压力在13 s左右的时间内才到达燃油喷嘴需要的推荐压力下限，这使得点火时间大大推迟，燃油压力变化过程具体如图2所示。

图2  燃油喷嘴进口压力随起动时间的变化趋势

燃油喷嘴的进口压力由位于燃油喷嘴上游的燃油分配器与开环供油规律共同决定。发动机起动指令发出后，燃油分配器根据开环供油规律规定的流量对燃烧室进行供油。在燃油分配器与燃油喷嘴之间，存在一段不长的供油管路，即燃油总管，在起动前，该供油管路是空置的，燃油需要完成对该管路的填充后，才能在燃油喷嘴进口构建起足够的满足燃油雾化的压力，当燃油喷嘴进口的压力不足时，所喷出的燃油将无法被点燃，这样不但会引起点火时间延长，当点火成功后，火焰的连焰会使得这些顺着气流来到发动机出口附近的燃油同样被点燃，造成发动机喷火。

造成燃油喷嘴进口压力随起动时间的增长较慢的因素不多，通过一一排除，发现本次试验中影响燃油喷嘴进口压力增长的主要因素是燃油分配器阀门打开的速度。当燃油分配器阀门打开的速度较慢，打开的幅度较小时，实际供油流量较开环供油规律规定的流量更低，供油管路填充需要花费更长的时间，燃油喷嘴的进口压力自然建立更为缓慢，燃油喷嘴在开始供油时所喷出的难以点燃的燃油量更大，试验点火时间大大延长，与试验现象相符[10]。

在实际的发动机前期工程研制过程中，像燃油分配器这样的成附件是与核心机同步设计生产出来的，所有的备件均为同一状态，想要通过更换或优化燃油分配器这种硬件从而加快燃油喷嘴进口压力建立速度是比较困难的，不但耗时久且成本较高，可以通过对开环供油规律进行调整完成燃油喷嘴进口压力建立速度的简单优化。

3  优化方案

大部分航空发动机在起动点火时间过长的情况下，会选择直接增加起动时开环供油规律内的燃油油量，但本次试验中，发动机还存在喷火的现象，在一开始点火时的燃油流量不宜过高，故本次起动点火优化选择了推迟供油时间、增加起动供油瞬间的流量，减少点火成功后续的燃油流量的方案。因为燃油分配器的阀门一开始的打开程度是由供油量决定的，当推迟供油时间并增加起动供油瞬间的流量后，燃油分配器收到打开阀门命令时的打开程度会增大，同样的打开速度下，开始供油的瞬间进入总管的燃油流量会有一个较大的增加幅度，这样的方案可以加快燃油管路的填充时间，优化点火性能。另外，推迟供油转速也能增大此时的发动机进口空气流量，对燃油的雾化与掺混提供助力[11]。

试验中的开环供油规律具体调整为：开始供油转速延后5%，开始点火转速同样延后5%，同时将起动供油规律①调整至供油规律②，以做到同时增大点火时的空气流量与燃油流量。

当按表1中的供油规律②开展试验后，起动过程中未见尾喷管火光，点火安静迅速，加速过程平稳顺滑，优化前后的核心机起动试验中的转子转速与时间的变化关系如图3所示，可以看到，试验点火时间提前了近十秒，整个起动过程中的转速上升过程不再出现优化前的卡滞与突增现象，核心机最终到达慢车状态的时间也提前了十余秒，整个起动过程表现良好，达到了设计目标与预期。

为了确保试验不是特例，随后利用该核心机开展了不同条件下的多次起动试验，结果显示优化方案对该型发动机核心机起动性能的优化效果具有重复性，多次起动下的稳定性较好，可以认为本文所形成的考虑管路填充时间的优化方案可靠有效。

图3  考虑填充优化前后试验物理转速随时间的变化情况

4  结论

本文针对航空发动机核心机试验的起动点火性能进行了优化，指出了在工程应用中，燃油系统管路填充与燃油分配器打开特性对于发动机起动的影响不可忽视。本文同时为该特性影响下的发动机点火性能调试提供了一种优化方案，以供参考与借鉴。

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