2018, Vol. 39
表1(Table 1)
我国舰载机将主要在南海、东海及台湾以东太平洋海域活动，处于亚热带、热带，由于这些地理位置的气候特点，舰载机发动机将主要在高温环境下工作。大气温度升高后，有些类型的起动机，如燃气涡轮起动机，输出功率明显下降，发动机起动过程中的剩余功率将减小，从而增加发动机的起动时间，甚至出现起动失败的现象。另外，高温条件下，空气密度低，发动机空气质量流量小，起动过程中容易形成混合气富油，涡轮前温度高，可能引起压气机进入气动不稳定状态，结果出现涡轮前温度升高而转速停止增加的“热悬挂”现象[1~6]。
高温大气条件下，发动机起动时间长、排气温度高甚至起动失败是普遍现象。发动机用户和通用规范对起动过程基本要求是起动时间短、不超温、不喘振、不悬挂[7]。发动机可靠、快速的起动过程对保证军用飞机的作战效能至关重要，起动性能的好坏是衡量涡轮发动机综合性能的一项重要指标[8~11]。
目前，国内外许多学者致力于发动机起动性能改善的研究工作，并取得了一定成果。20世纪80年代初，英国罗·罗公司[12]在高空模拟试车台上，对斯贝发动机不同温度条件下的起动规律进行研究，摸索起动边界，提高发动机在不同温度条件下的起动成功率。马明明[13]等基于某型涡扇发动机地面试验情况，分析讨论了地面起动这一动态过程中主要参数变化情况及原因。边家亮[14]等对改善涡扇发动机起动性能措施进行试验研究，结果表明采用大功率起动机结合提高脱开转速的措施，可明显提升发动机起动性能。
目前，国内针对高温条件下发动机地面起动问题研究尚少，而高温天发动机起动困难是一个亟需解决的问题。本文通过模拟高温进气条件，设计并开展高温地面起动试验，根据试验结果，分析影响起动性能的影响因素，研究改善高温条件下舰载机发动机起动性能的有效途径，并获得外场使用时起动调试方法。
2 试验系统介绍试车台全称为高低温起动规律验证试车台，用于模拟各种大气条件进行航空发动机地面无冲量高低温起动、高原无冲量高低温起动试验，试车间进气截面5.5m×5.5m，试车间长11m，排气筒直径1.6m；试车台台架为卧式台架，采用吊车安装方式。
试车台由台架试车系统、制冷系统、干燥系统、排气引射系统组成。台架设有高低温燃油系统，用于将燃油冷却或加温后供给发动机，台架系统见图 1。
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Fig. 1 Test stand system |
试验前，先将发动机安装在试验舱内发动机试车台架并连接好各种必要的管、线，然后关闭舱门，通过管路向舱内不断地供高温气体，使舱内温度升高，高温气经过发动机后可由排气筒排出舱外，同时通过预先准备的测温装置测量发动机选定点处的温度，当选定点的温度升至所要求的温度时，开始计时，达到保温时间后，调整来气流量满足起动过程的要求，打开起动电源，起动发动机。保温阶段：在来气温度达到较试验温度稍高2℃~3℃时正式向舱内供气，通过监测舱前流量计示数，调整来气流量为5kg/s，当发动机各系统温度(发动机进口、滑油各腔温度、排气温度)达到试验温度开始计时，保温时间共2h。同时，在舱内建有高位燃油箱，随着发动机一起进行保温，通过监测燃油温度确认试验用燃油是否满足要求。
试验阶段：保温时间过后，降低试验进气温度至当前试验温度，调整来气流量满足发动机慢车状态的要求，保证来气温度与燃油温度满足试验要求，起动系统供电并检查是否正常，然后执行起动。
3.2 高温极值的确定参考文献[15]，我国海面环境高温的最高记录为51℃，设备工作高温极值1%风险率的高温极值为48℃。综合考虑上述数据与实际情况，本次高温起动试验温度为48℃~50℃。同时，考虑实际使用时的停机环境，发动机舱温度可能有一定升高，参考文献[16]，设定保温温度为60℃。
3.3 脱开转速对起动性能影响某型舰载机发动机采用燃气涡轮起动机，燃气涡轮起动机本质上是一台小型涡轴发动机，具有体积小、重量轻、功率大、应用范围广的特点；缺点是功率随大气条件变化而有较大变化[15]。某型舰载机发动机原本设计过程脱开转速为ntk=A，大气温度较高时，由于起动机输出功率下降，规定时间内发动机无法达到脱开转速，起动机一般按时间脱开，且温度愈高则脱开转速愈低。现将起动机脱开转速提高到ntk=B，B-A=10%，脱开时间也相应延长，进行试验验证。整个起动过程主要参数变化情况见图 2，图中nHcor为高压压气机换算转速，nH为高压压气机物理转速，Wf为主燃烧室供油流量，T6为涡轮后排气温度，t为起动时间。不同脱开转速时发动机起动性能数据见表 1，表中，tdh为从起动开始到点火时间，ttk为从起动开始到起动机脱开时间，tmc为从起动开始到慢车状态的时间，T6max为起动过程中涡轮后排气温度的最高值[17~19]。图和表中试验数据均已作归一处理，仅给出相对变化关系，下同。
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Fig. 2 Starting process parameter variation of different disengaging speed |
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Table 1 Starting performance data of different disengaging speed |
由表 1和图 2可以看出，起动过程中，起动供油量基本一致，起动机脱开转速提高后，脱开时间延长了0.08，起动时间缩短了0.01，最高排气温度低0.05，幅度较大，起动性能明显提升。
3.4 高压压气机进口可调静子叶片角度αH对起动性能影响某型舰载机发动机在进气温度40℃左右能够成功起动，但在进气温度45℃以上时由于“热悬挂”，无法起动成功。将慢车以下转速的αH打开2°，重新进行起动试验。发动机αH不同时的起动性能数据见表 2，整个起动过程主要参数变化情况见图 3。
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Table 2 Starting performance data of different αH angles |
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Fig. 3 Starting process parameter variation at different αH angles |
由表 2和图 3可以看出，大气温度基本相同，αH打开2°后，进气量增加，混合气富油情况缓解，涡轮前温度降低，转速上升率虽有下降，但发动机可以成功起动，起动过程最高排气温度较之前降低0.03。αH打开，对降低排气温度效果比较明显。
3.5 点火转速对起动性能影响涡轮风扇发动机在起动过程中当发动机高压转速到达某一转速ndh或起动程序到某一时间点tdh时，发动机主燃油系统开始工作，开始向主燃烧室供油，发动机主机点火(排气温度突升)。前面的试验发现，高温条件下，当起动程序时间到tdh时，某型舰载机发动机高压转速未达到ndh。为了充分验证点火转速对某型发动机起动性能影响量值，进行点火转速对起动性能影响试验。发动机不同点火转速时的起动过程主要数据见表 3，整个起动过程主要参数变化情况见图 4。
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Table 3 Starting performance data at different ignition speeds |
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Fig. 4 Starting process parameter variation at different ignition speeds |
由表 3和图 4可以看出，在进气温度大致相同情况下，点火转速提高2%，高压转速上升速率下降，点火时间和起动时间均有所延长，分别延长0.07和0.03，排气温度降低0.02，说明提高发动机点火转速会延长发动机起动时间，但可以降低发动机排气温度。
3.6 起动机输出功率对起动性能影响前面的试验结果表明，进气温度48℃~50℃时，某型舰载机发动机可以成功起动，起动时间和排气温度均满足指标。为验证起动机功率变化对舰载机发动机起动性能影响，对燃气涡轮起动机供油量和最高转速进行调整，调整后，理论上起动机最高输出功率提高3kW。起动机不同输出功率时的起动过程主要数据见表 4，整个起动过程主要参数变化情况见图 5，图中nst为起动机转速。
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Table 4 Starting performance data of different starter power |
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Fig. 5 Starting process parameter variation at different starter power |
由表 4和图 5可以看出，在进气温度基本相同情况下，起动机最高输出功率提高3kW，高压转速上升率明显提高，点火时间缩短0.01，起动时间缩短0.06，最高排气温度降低0.02，说明起动机输出功率提高，会缩短发动机起动时间，降低发动机排气温度，其中缩短发动机起动时间幅度更大一些。
4 结论通过舰载机发动机起动试验，真实地模拟了发动机高温条件的工作环境，分析并验证了改善起动性能的影响因素，得出如下试验结论：
(1) 起动机脱开转速提高10%，发动机起动时间缩短0.01，最高排气温度降低0.05。
(2) αH打开2°，起动过程中的最高排气温度降低0.03。
(3) 点火时间延长2%，起动过程中的最高排气温度降低0.02。
(4) 起动机输出功率提高3kW，发动机起动时间缩短0.06，最高排气温度降低0.02。
四项措施均可以改善高温条件下发动机起动性能，提高发动机起动成功率，可在发动机高温起动失败时提供调试依据。
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