某小型涡轮喷气发动机起动系统与独立供油系统匹配性研究

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摘 要：介绍了某小型航空发动机起动系统原理，对该发动机上机后起动点火失败问题进行分析，进而对发动机起动系统原理进行研究，最终确认压力匹配问题是失败的主要原因，综合提出解决措施，并进行试验验证。

关键词：航空发动机；起动；点火

1 引言

起动是航空发动机的一个重要的起始过程。航空发动机起动成功的基本要求是在压气机不喘振和涡轮前不超温的情况下，在一定的时间内按照给定的起动程序和供油规律点燃燃烧室内油气混合物，将发动机加速到慢车。

某小型航空发动机（以下简称WP发动机）体积小、结构简单。装机后出现了发动机地面起动点火失败问题，本文对WP发动机起动系统进行研究，分析了装机后影响发动机起动的主要因素并进行试验验证，根据验证结论提出解决措施。

2 起动失败原因分析

在航空发动机起动过程中，若发动机地面不能点火成功，通常是由于进入发动机燃烧室油气比超出正常点火要求范围。因此，着重从进入发动机的气流和进入发动机的燃油流量进行分析。

2.1 气源能力分析

根据动量矩定理，起动气源气流作用在转子上的力矩为转子转动惯量与角加速度的乘积，发动机吹转时空气流量与角加速度的关系由下式描述（简化为恒角加速度运动）：

（1）

式中m为通过发动吹转喷嘴的空气流量、v为喷流与转子的相对速度、L为吹转力臂、Mf・Lf为摩擦阻力矩、Ma・La为气动阻力矩、Ix为转子的转动惯量、α为转子的角加速度。

根据流量公式：

（2）

公式中k为常数，P*为总压，T*为总温，A为截面面积，q（？姿）为流量函数，P为静压。

摩擦阻力矩和气动阻力矩实际都为转子转速的函数，随转子吹转转速的增加而增大。喷流与转子的相对速度v为喷流绝对速度v0与转子距转轴L处线速度的差。由于发动机吹转喷嘴工作在超临界状态，喷嘴出口速度为当地音速，当地温度变化不大时基本不变。因此，转子的角加速度为空气流量m与转子线速度v'的函数，并且m越大，角加速度越大；v’越大，角加速度越小并可能反号使转子转速变小。在实际发动机起动过程中，气源带转发动机转速可满足发动机要求，所需时间也较短，因此说明进入发动机的空气流量满足发动机起动要求。

根据（2）式，空气流量与气体总压和管道面积成正比。在发动机气源进口管路一定的情况下，管道面积一定，因此，在空气流量满足发动机要求的前提下，气源总压应满足发动机要求。

2.2 供油流量分析

根据WP发动机起动工作原理，发动机供油流量与供油压力差函数和定量旋板泵转速函数有关，因此，建立发动机供油流量模型见式（3）。

（3）

其中q（？驻P）表示由供油压力差决定的一部分供油流量；

q（n）表示由定量旋板泵转速决定的一部分供油流量；

由WP发动机定量旋板泵的流量特性可知，定量旋板泵的流量与转速成正线性关系，供油流量随定量旋板泵的转速增加而增加，在1000r/min到10000r/min之间，流量和转速基本成正线性关系，但在1000r/min以下，流量随转速也在增加，若假设0r/min到1000r/min也为正线性关系，则其斜率明显比1000r/min以上小的多，通过线性延伸计算，流量泵转速500r/min，其供油流量仅为0.1L/min。因此，当定量旋板泵在低转速运转时，其供油流量较小，不能满足发动机正常点火要求。

由WP发动机起动工作原理，供油压力差可由数学表达式表示。

式中：PY为地面起动气源经气流分配器后进入机上供油系统的压力；

PZ为定量旋板泵启动后为供油管路增加的压力；

PS为PY进入机上供油系统后损失的压力；

Ph为地面起动气源经气流分配器进入封气腔后形成的背压力；

由工作原理图可知，PY和Ph是起动气源经气流分配器后再由三通分配而来，其压力值基本相当，因此？驻P主要由Pb和PS决定。

由典型增压特性曲线图可知，定量旋板泵在低转速运转时，其增压能力Pb十分有限，而对于特定的供油系统，其PS为定值，且在设计之初，会按最小损失进行设计，并进行试验验证。因此，由供油压力差决定的部分燃油流量可能存在供给不足的问题。

3 试验验证

3.1 问题复现

试验前，设地面起动气源经气流分配器后进入机上供油系统的压力测量点（PY）、机上供油系统进入发动机压力测量点（Pa）、燃油泵后压力测量点（Pb）、供油流量（wf）、发动机转速（n）。

由复现试验转速可知，转速在吹转气源稳定后，没有上升，此次起动发动机点火失败。对供油压力进行分析：PS=PY-Pa，因此，由压力数据计算：

？驻P=PY+PZ-PS-Ph

PS=PY-Pa

PZ=Pb-Pa

即

代入典型点后，计算？驻P约为-11KPa，考虑旋板泵低转速时增压能力较弱，因此供油压力很可能小于封气腔背压，说明燃油并未达到封气腔，不能点火成功，对燃油流量数据进行分析，燃油流量并未增加，因此，供油段压力不匹配，导致发动机起动段燃油不能正常供给是起动失败的主要原因。

3.2 优化后验证

针对供油段压力不匹配，可以采用提高发动机旋板泵增压能力、减低封气腔背压等方法，但这些方法均需对发动机进行比较大的优化改进，由供油系统原理可知，若单独增加发动机起动段油箱压力，则可提高旋板泵前压力，从而提高旋板泵后压力，达到增加泵后压力与封气腔压差的效果。因此，在起动之前，先给油箱预增压约27KPa，再进行发动机起动。

从转速及压力数据对应来分析，当油箱进行27KPa预增压时，油箱压力、泵前压力、泵后压力在发动机着火前均大于油箱引气压力，这说明，着火前油箱内压力已将燃油挤压至封气腔，当发动机着火后，由于发动机转速上升较快，引气压力也随之迅速上升，最终超过油箱压力，但此时旋板泵已处于较高工作转速，其增压能力已经体现，可以满足供给燃油需求。因此发动机正常起动。

4 结束语

根据对某小型航空发动机起动系统的研究及试验验证，该WP发动机在起动初始段，由于旋板泵低转速特性，不能单独完成发动机起动，需要提高供油压力以克服旋板泵低转速时增压能力较弱的问题，从而达到发动机正常起动要求。