某型航空發動機核心機起動點火性能優化方案研究

作者簡介：張怡超（1996-），男，工程師。研究方向為航空發動機。

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

摘? 要：在某型發動機核心機試驗中，出現起動噴火、點火時間波動、點火時間過長等現象。該文通過對該型核心機起動點火時的影響因素進行分析，找出影響該次試驗的關鍵因素是分配器后的燃油管路填充速度偏慢，點火時燃油噴嘴進口壓力偏低，噴嘴在低壓差情況下燃油霧化效果差，導致不能在第一時間點著火。結合試驗數據與發動機實際附件特性，提出該型核心機的起動點火優化方案，增大起動點火前初始供油流量，延后開始供油與點火時間后，達到優化點火電嘴的工作環境，加快點火速度，減少點火前的燃油泄漏的目的。試驗結果表明，優化方案可解決該型核心機在地面臺架試驗時的起動點火問題。

關鍵詞：航空發動機；核心機試驗；起動規律研究；點火性能優化；燃油規律；燃油管路填充

中圖分類號：V233? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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

自從1903年出現第一架飛機升空開始，航空發動機的研制便一直處在世界各國科技發展競爭的前線，可一款全新航空發動機的研制是一個昂貴、漫長的過程，其花費可能在數億乃至數十億美元，研制周期通常要十余年甚至二十余年，時間與金錢成本非常巨大，每一步都需要找準方向，盡量避免走入歧途，特別是在我國航空發動機研發起步較晚的情況下，更是如此。

目前世界各國已經廣泛采用核心機試驗對發動機進行前期研究驗證工作。航空發動機的核心機是指在多級轉子組成的發動機中，僅包括燃燒室、燃燒室前后兩端的高壓轉子，以及最小限度的成附件組成的可以正常工作的單元體。通過利用這樣的核心機進行試驗，可以在接近真實發動機環境下，對部件技術進行集成驗證，以降低發動機的工程研制中的風險，指導發動機后續設計。由于核心機包含的部件較少，設計工作較少，且可以提前開展，加工量也較小，所以，通過核心機試驗能有效節約研制經費、縮短研制周期。

在發動機核心機試驗中，起動性能調試試驗是相當重要的一環，通過核心機起動調試試驗，可以通過一個相對較低廉的時間周期、成本為后續發動機的起動設計提供可靠的指導和借鑒。

航空發動機的起動過程是一個非常復雜的氣動熱力學過程，涉及到氣體動力學、燃燒學、自動控制、傳熱學及材料學等多門學科[1-3]。起動過程包括：發動機在零轉速（冷態或熱態）下，通過從輔助動力裝置引出高壓高溫氣體，流經空氣管路和調壓裝置，吹動空氣渦輪起動機的渦輪做功，輸出軸帶動主發動機轉子加速。當主發動機的轉子達到點火轉速時，其燃燒室開始點火工作，然后空氣渦輪起動機與發動機的渦輪一起做功加速，進一步達到自持轉速以上時起動機逐漸脫開，此時發動機完成起動過程并進入慢車狀態。慢車狀態是一個平衡狀態，它是起動過程的終態[4-6]。

航空發動機起動過程受環境溫度、壓力、起動機功率和壓氣機、燃燒室、渦輪等部件匹配因素影響，具有較大的不確定性，在特殊大氣環境下容易出現發動機點火失敗、超溫、懸掛和失速等問題，導致起動失敗。

1? 試驗情況

某發動機核心機由軸向進氣道、雙級壓氣機、直流燃燒室、單級燃氣渦輪、尾噴管與最小限度的成附件組成。該發動機核心機地面臺架試驗的起動過程步驟如下：在起動命令給出的同時，地面試驗車臺為安裝在發動機上空氣渦輪起動機供氣，高壓氣體在帶動空氣渦輪起動機轉動的同時帶動核心機轉子加速，當核心機轉子的轉速升高至預設好的轉速時，位于燃燒室內的點火電嘴開始點火，作為發動機附件一部分的燃油分配器開始按起動供油規律供油。

作為發動機前期研究探索工作，起動供油的規律設置為開環供油規律，由研究人員在試驗前給出。本次試驗的初始開環供油規律①見表1。當燃油分配器接到供油指令后，燃油分配器的供油閥門便會打開，燃油通過閥門進入燃油總管，再從環狀的燃油總管進入到發動機上的十余個燃油噴嘴，通過燃油噴嘴噴射霧化在燃燒室內，燃燒室點火電嘴帶來的電火花會將燃油點燃，點火成功后，隨著發動機供油量的增加，發動機進入加速過程，起動機最終自動脫開，核心機進入地面慢車狀態。

表1? 起動開環供油壓力

但是該發動機核心機在首次地面臺架試驗中，出現起動點火性能不佳的問題，主要表現為出現起動噴火、點火時間波動、點火時間過長等現象。起動噴火，即在起動時，觀察到尾部有明顯柱狀火焰，火焰持續時間不長，通常在數秒內，起動噴火會導致發動機渦輪部件局部短時超溫，給發動機可靠性與壽命帶來負面影響。點火時間波動，即核心機點火的時間不一致，存在數秒乃至近十秒的偏差，這是發動機性能不穩定的明顯現象，亟需優化。點火時間過長，即在核心機地面臺架試驗中，點火時間超過設計值，達不到預期的目標，試驗操作人員會直接切斷燃油供應，判斷為試驗點火失敗，可以推測認為發動機存在未發現的故障，需要中止試驗進行排除。這些問題都為核心機試驗帶來了非常不利的影響，也對前期設計產生了沖擊，如果不能在現有條件下盡快解決這些問題，發動機的研制過程會被嚴重滯后，甚至會產生推倒重來的風險。

2? 影響因素分析

航空發動機起動一般分為2種情況，一種是空中起動，另一種是地面起動?？罩衅饎拥狞c火性能在地面核心機臺架試驗中暫時不做考慮，通常是在地面起動的性能優化完成之后，再在專門的可以模擬高空起動環境的設備下開展。

本文本次研究的某型發動機核心機起動試驗，便是在地面標準天條件下進行的，在地面標準天條件下起動時，點火性能與油氣比、燃燒室進口空氣流速、燃油霧化情況等因素有關。

油氣比是指在點火過程中，同一時刻通過燃油噴嘴進入燃燒室的航空煤油與通過壓氣機進入燃燒室的空氣的比值，當燃油過多或過少時，燃燒都不能穩定進行。在進行核心機試驗前，燃燒室部件專門錄取了該型發動機的點熄火邊界，可以根據該邊界，判明核心機試驗的油氣比情況。

由于是地面臺架試驗，試驗中可以對核心機進口的空氣流量進行測量，也能對進入燃燒室的燃油流量進行測量。根據車臺所測得的空氣流量與燃油流量對點火成功前的油氣比等參數進行計算，取試驗時人工中止點火前的時刻進行分析，分析結果如圖1所示，可以看到此時油氣比高出點火邊界較多，理論上應能順利點燃，然而實際試驗時的點火情況則是點燃滯后甚至是未能順利點燃，故油氣比不當導致發動機起動點火性能不佳的可能性較小。

圖1? 試驗點火不成功時的油氣比與點火邊界

影響航空發動機核心機起動點火性能的另一個因素是燃燒室進口空氣流速，當燃燒室進口空氣流速較大時，燃燒室內不能建立穩定的油霧環境，達不到點火的標準。由于本次試驗是地面臺架試驗，發動機進口速度為0，此時燃燒室進口空氣流速非常小，基本可以忽略其對點火帶來的不利影響。

影響航空發動機核心機起動點火性能的因素還有點火時燃油噴嘴的霧化效果。在發動機燃油噴嘴類型及結構尺寸確定的情況下，燃油燃燒與燃油霧化質量密切相關，霧狀油珠越細、表面積越大，越有利于充分燃燒[7]。

一般情況下，燃油噴嘴能將航空煤油高速旋轉噴出，形成錐狀的油霧，以供點火電嘴引燃。但要想形成穩定的錐狀油霧，燃油噴嘴兩端需要具備足夠的壓差。當燃油噴嘴的進出口壓差較低時，燃油的霧化效果較差，點火難度上升。且在核心機的起動點火過程中，由于此時核心機轉子僅由空氣渦輪起動機帶轉，進入燃燒室的空氣流量低，流速慢，一旦霧化效果不佳，油氣摻混就更困難、分布就更不均勻，對點火造成的不利影響就會加劇[8-9]。

為了確定燃油噴嘴的進口壓力情況，對本次試驗中核心機的噴嘴供油壓力增加了液體壓力測點進行監控，隨后進行了冷機起動，冷機起動的結果顯示發動機起動時間過長。在該次起動時間過長的試驗中，燃油噴嘴前的副油路的燃油壓力在13 s左右的時間內才到達燃油噴嘴需要的推薦壓力下限，這使得點火時間大大推遲，燃油壓力變化過程具體如圖2所示。

圖2? 燃油噴嘴進口壓力隨起動時間的變化趨勢

燃油噴嘴的進口壓力由位于燃油噴嘴上游的燃油分配器與開環供油規律共同決定。發動機起動指令發出后，燃油分配器根據開環供油規律規定的流量對燃燒室進行供油。在燃油分配器與燃油噴嘴之間，存在一段不長的供油管路，即燃油總管，在起動前，該供油管路是空置的，燃油需要完成對該管路的填充后，才能在燃油噴嘴進口構建起足夠的滿足燃油霧化的壓力，當燃油噴嘴進口的壓力不足時，所噴出的燃油將無法被點燃，這樣不但會引起點火時間延長，當點火成功后，火焰的連焰會使得這些順著氣流來到發動機出口附近的燃油同樣被點燃，造成發動機噴火。

造成燃油噴嘴進口壓力隨起動時間的增長較慢的因素不多，通過一一排除，發現本次試驗中影響燃油噴嘴進口壓力增長的主要因素是燃油分配器閥門打開的速度。當燃油分配器閥門打開的速度較慢，打開的幅度較小時，實際供油流量較開環供油規律規定的流量更低，供油管路填充需要花費更長的時間，燃油噴嘴的進口壓力自然建立更為緩慢，燃油噴嘴在開始供油時所噴出的難以點燃的燃油量更大，試驗點火時間大大延長，與試驗現象相符[10]。

在實際的發動機前期工程研制過程中，像燃油分配器這樣的成附件是與核心機同步設計生產出來的，所有的備件均為同一狀態，想要通過更換或優化燃油分配器這種硬件從而加快燃油噴嘴進口壓力建立速度是比較困難的，不但耗時久且成本較高，可以通過對開環供油規律進行調整完成燃油噴嘴進口壓力建立速度的簡單優化。

3? 優化方案

大部分航空發動機在起動點火時間過長的情況下，會選擇直接增加起動時開環供油規律內的燃油油量，但本次試驗中，發動機還存在噴火的現象，在一開始點火時的燃油流量不宜過高，故本次起動點火優化選擇了推遲供油時間、增加起動供油瞬間的流量，減少點火成功后續的燃油流量的方案。因為燃油分配器的閥門一開始的打開程度是由供油量決定的，當推遲供油時間并增加起動供油瞬間的流量后，燃油分配器收到打開閥門命令時的打開程度會增大，同樣的打開速度下，開始供油的瞬間進入總管的燃油流量會有一個較大的增加幅度，這樣的方案可以加快燃油管路的填充時間，優化點火性能。另外，推遲供油轉速也能增大此時的發動機進口空氣流量，對燃油的霧化與摻混提供助力[11]。

試驗中的開環供油規律具體調整為：開始供油轉速延后5%，開始點火轉速同樣延后5%，同時將起動供油規律①調整至供油規律②，以做到同時增大點火時的空氣流量與燃油流量。

當按表1中的供油規律②開展試驗后，起動過程中未見尾噴管火光，點火安靜迅速，加速過程平穩順滑，優化前后的核心機起動試驗中的轉子轉速與時間的變化關系如圖3所示，可以看到，試驗點火時間提前了近十秒，整個起動過程中的轉速上升過程不再出現優化前的卡滯與突增現象，核心機最終到達慢車狀態的時間也提前了十余秒，整個起動過程表現良好，達到了設計目標與預期。

為了確保試驗不是特例，隨后利用該核心機開展了不同條件下的多次起動試驗，結果顯示優化方案對該型發動機核心機起動性能的優化效果具有重復性，多次起動下的穩定性較好，可以認為本文所形成的考慮管路填充時間的優化方案可靠有效。

圖3? 考慮填充優化前后試驗物理轉速隨時間的變化情況

4? 結論

本文針對航空發動機核心機試驗的起動點火性能進行了優化，指出了在工程應用中，燃油系統管路填充與燃油分配器打開特性對于發動機起動的影響不可忽視。本文同時為該特性影響下的發動機點火性能調試提供了一種優化方案，以供參考與借鑒。

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