涡扇发动机地面起动供油边界探索

钱兴良，苟学中，周人治

(中国航发四川燃气涡轮研究院，成都610500)

涡扇发动机地面起动供油边界探索

钱兴良，苟学中，周人治

(中国航发四川燃气涡轮研究院，成都610500)

涡扇发动机在起动性能调试试验中屡屡出现失速导致起动失败，反复调试仍难以实现起动成功至慢车状态。为此，开展了发动机起动供油边界探索方法的研究，探索出发动机起动供油边界，作为起动供油规律调整的参考范围。随后进行了起动供油边界探索试验，获得了发动机起动供油边界，并依据该边界进行起动调试，成功实现了发动机起动至慢车状态。该方法为起动性能调试提供了依据，降低了起动调试的盲目性和风险，减少了起动调试次数，使发动机能够较快实现慢车运转。

航空发动机；地面起动；起动调试；起动供油边界；供油规律；失速

1 引言

航空燃气涡轮发动机起动是一个复杂的非线性过程，影响因素众多，包括起动动力装置、发动机流道参数、发动机转子惯性、部件特性、燃调系统、控制系统、发动机冷热态等[1]。虽然近年来国内外在起动性能数值仿真方面开展了大量的工作，也取得了较好的研究成果[2-5]，但还是很难通过数值仿真获取起动供油边界。这是由于起动供油边界不仅受到压缩部件喘振边界、涡轮温度边界、起动机功率等限制，同时还受到环境条件等多因素的影响。因此，发动机在进行起动试验时，往往会由于起动供油边界未知，造成起动性能调试盲目性大，出现点火失败、超温、悬挂、失速[6]等问题，需要多次调整才能获得较理想的起动性能，从而导致调试次数多、试验周期长、成本高等问题。若发动机真实的起动供油边界较宽，对起动供油量变化范围具有较高的容忍能力，发动机能较快地起动成功；但若起动供油边界窄，通过常规的调试手段如起动供油规律调整、导叶角度调整等，很难将发动机成功起动至慢车状态。因此，起动供油边界摸索对于发动机起动性能调试具有重要的指导作用。

某型涡扇发动机首次在地面台上完成点火性能调试后，准备进行起动性能调试，以实现发动机达到慢车状态。但在起动过程中屡屡出现失速、悬挂等问题，且通过一系列调整措施后仍未解决。为此，本文分析了该发动机起动问题的原因，为了探寻可行有效的措施进行了起动供油边界探索试验，获得了发动机实际起动供油边界，可为起动性能调试和避免出现起动失速、悬挂等问题提供指导。

2 发动机简介

该型发动机为双转子混合排气带加力涡扇发动机，压气机导叶0、1、2无级联动可调，可调收扩尾喷管，无放气机构。起动系统采用空气涡轮起动机作为台架试验的起动动力，起动机安装在发动机附件机匣上，台架气源常温进气。起动供油规律采用WFB=f(N2r,T2)p3(WFB为给定起动供油流量，N2r为换算转速，T2为进口总温，p3为压气机出口总压)，供油规律及可调起动特征参数、起动逻辑等在全权限数控系统中实现。

3 起动失败情况

图1、图2示出了发动机台架起动性能前三次调试试验中起动失速时典型的转速和压气机出口压力曲线。由图可知，p3急剧下降，对应转速也下降，发生了明显的起动失速现象，此时发生的失速处于低转速阶段。第1次起动发生失速后，进行了起动供油规律调整，但后续两次起动情况仍然类似，且起动供油规律越高，起动失速越早。其原因是压气机进入了不稳定工作状态，而这是由于起动供油规律偏高所致。

图1 起动失速的前三次起动的N2r曲线Fig.1 N2rcurves of the former three starts

将起动机进气压力调整到上限值(起动机最大输出功率)后，继续采取降低起动供油规律的措施多次调整，其部分试验结果见图3。由图可知，降低起动供油规律时虽然避免了失速，但又出现了冷悬挂现象导致起动失败。其原因是发动机剩余功率不足，而这是由于起动供油规律偏低所致。

图2 起动失速的前三次起动p3曲线Fig.2 p3curves of the former three starts

图3 冷悬挂Fig.3 Cold hang-up

随后，又采用调整压气机导叶角度的措施，试验结果见图4。图中，α2为预先设计的导叶角度，α1(机械极限最小位置)为导叶角度在α2基础上关闭后的角度，α3为导叶角度在α2基础上打开后的角度。从图中可知，导叶角度关闭起动失速转速提高，导叶角度打开起动失速提前，更不利于起动。由此看出，在压气机低转速特性下改变导叶角度，对解决起动失速的作用有限。

图4 压气机导叶角度调整对失速转速的影响对比Fig.4 The effects of guide vane angle adjustment on the stall speed

通过多次调整起动供油规律及其他可调措施，发动机仍未成功起动。为此，需从系统方法入手进行原因分析，寻找解决办法。

4 原因分析及解决措施

该发动机为新研发动机，在台架进行起动性能调试时，第1次起动采用的地面起动供油规律为设计阶段的计算结果。但因计算时采用的部件低转速特性为计算的部件特性(与发动机整机状态真实的部件特性有差异)，加之起动动态模型偏差，造成起动计算结果存在较大偏差，导致给定的起动供油规律与发动机实际特性不匹配。且发动机能否实现较为理想的起动性能影响因素众多，需要系统性优化或完善部件低转速特性才能实现。

由于该发动机本体硬件已确定、部件性能不能改变，导叶调整效果有限且导叶角度也达到极限，起动机进气压力也达到允许上限，因此起动性能调整只能局限于起动供油规律调整。试验中，采用与过去相同的起动性能调试经验和方法，发动机均表现出异常。且将供油规律调整量减小到5%～10%时，无论调高或调低，都难以起动成功，总是出现失速或加速不足两种情况。若发动机起动冷热边界宽，即使供油调整量大发动机也可容忍，至多出现起动性能参数变化，但能起动成功。因此，发动机起动失败的根本原因是发动机自身起动冷热边界窄，且不清楚发动机起动冷热边界范围量值，调试盲目性大，很难准确掌握发动机匹配的起动供油调整量。如果调整量大，则提高起动供油规律时可能超出起动供油上边界(相应于发动机热边界)，而降低起动供油规律时则可能低于起动供油下边界(相应于发动机冷边界)。但供油调整量又不能太小，因为多个因素如控制精度、燃调特性偏差、低转速测试误差大等，都会影响实际燃油流量。当供油规律调整量很小时，实际燃油流量变化量可能被上述因素掩盖，与给定供油规律调整量不一致，起动性能的变化不能准确反映供油变化。而且供油调整量过小，也会带来调试次数的增加和试验成本的提高。

为调整出与发动机匹配的起动供油规律，需准确掌握发动机起动供油上下边界，再在该边界范围内匹配可调参数和优化起动供油规律，以便快速准确地获得满意的起动性能。

5 起动供油边界探索

5.1 探索方法

发动机起动性能受两方面因素制约：一是要获得满足要求的起动时间，即加速性好。这就需要尽可能提高起动供油量，提高涡轮前温度，但不得超过限制值，以获取较高的剩余功率。二是要保证发动机不超温、不失速、不喘振。这就需要尽可能降低起动供油规律，避免涡轮后温度太高或压气机工作不稳定。针对上述两个制约因素，要求起动供油规律不能太高或太低，应限制供油规律的上下边界。对于该发动机，限制发动机起动热边界的因素主要为压气机喘振边界，热边界在起动发生失速附近；限制冷边界的因素主要是转速上升率极低，不考虑起动时间指标要求，以实现起动成功作为判断基准。

为获得该发动机起动供油边界，在保证可靠点火的供油前提下，采用较低的起动供油规律进行起动冷边界探索。因为供油量从保守开始，所以会出现冷悬挂，在探索试验中不作问题处理。起动供油下边界应保证点火性能不能太差，同时起动成功并且加速性较低。采用较高起动供油规律进行起动热边界探索：若发动机在某一规律下能够起动成功且不超温，再进一步增加较小供油量会发生失速或超温，则这条供油规律就可作为起动供油下边界。

5.2 探索试验

冷边界探索试验结果见图5～图8，图中T5为低压涡轮出口燃气温度。如图5所示，探索发动机起动冷边界时按4组起动供油规律进行了4次试验。因试验目的是寻找冷边界，起动供油规律开始给定时按照较高的余气系数考虑，因此起动加速性较差，较早就出现了冷悬挂，如图6所示。图中曲线④对应的起动，发动机在起动机脱开前转速一直缓慢增加，起动机脱开后到达慢车，但起动时间很长，表明非常接近冷悬挂边界。

图5 冷边界试验的起动供油规律Fig.5 Start fuel control laws for cold boundary test

图6 冷边界试验的起动N2r曲线Fig.6 N2rcurves of start in cold boundary test

图7 冷边界试验的起动 p3曲线Fig.7 p3curves of start in cold boundary tes

图8 冷边界试验的起动T5曲线Fig.8 T5curves of start in cold boundary test

热边界探索试验结果见图9～图12。如图9所示，考虑到发动机受失速的限制且热边界试验风险高，在摸索发动机起动热边界时供油调整步长控制得较小，拟定了4组起动供油规律进行了4次试验，试验仍然由较低供油规律向高依次进行。曲线①对应的起动成功但起动时间较长，曲线②和曲线③对应的起动时间满足要求，曲线④对应起动出现失速后发生热悬挂停车。前3次起动发动机都达到慢车状态。

图9 热边界试验的起动供油规律Fig.9 Star fuel control laws for hot boundary test

图10 热边界试验的起动N2r曲线Fig.10 N2rcurves of start in hot boundary test

图11 热边界试验的起动 p3曲线Fig.11 p3curves of start in hot boundary test

5.3 起动供油边界的确定

图12 热边界试验的起动T5曲线Fig.12T5curves of start in hot boundary test

冷边界探索试验中，图6曲线①起动悬挂转速很低，是深度冷悬挂现象，虽然降低起动供油规律后脉动有明显改善。但从温度曲线可知，该次起动和曲线②起动的点火性能很差，点燃时间延迟约5 s，且点燃后温度上升缓慢。因此，在确定冷悬挂边界时应同时考虑点火性能。曲线③最终虽然达到了较高的转速，但也发生了冷悬挂现象。曲线④起动达到慢车，在脱开前一直具有一定的加速度，但起动时间长。综上分析，曲线④对应起动的供油规律下发动机既不发生冷悬挂，加速度也较低，能够起动成功，又能保证较好的点火性能，因此将此条起动供油规律确定为发动机的起动供油下边界。

热边界探索试验中，4次试验起动成功3次。第3次起动成功后，升高起动供油规律后的第4次起动发生了失速，表明该次起动出现了热悬挂，则第3次起动供油规律可作为该发动机起动供油上边界。此外，从图9～图12还可看出，正常起动与发生失速的几次起动之间的供油量、温度、压力差异不大，表明该发动机起动供油上边界范围较小，且失速前的特征表现不明显。

综上分析，该发动机起动供油边界如图13所示：65%附近最宽的带宽约为22%(上下边界之间的带宽)，50%附近边界较窄约为13%，点火阶段供油带宽更窄约为10%。

图13 评估的给定起动供油边界Fig.13 Estimated start boundary of fuel control

5.4 起动供油规律优化及验证

从试验结果确定的起动供油边界可看出，该发动机起动供油带宽相对更窄。发动机燃油供给还会受燃调特性(控制系统的不确定度)、测量系统的测量误差等的综合影响，实际适于起动供油规律调整的边界将变得更窄，实测燃油流量Wf可能在某些起动中局部看不出差异，曲线甚至重合，如图14、图15所示，但燃油流量和副油路燃油压力 pf总体趋势可反映带宽特性。实际调试中，起动供油带宽窄的发动机，更容易发生冷悬挂或热悬挂现象。

图14 实测燃油流量对比曲线Fig.14 Fuel flux curves in test

图15 副油路压力对比曲线Fig.15 Fuel pressure curves for auxiliary fuel pipe

根据探索出的边界，对发动机起动性能进行了调试优化验证，结果如图16～图19所示。在起动供油边界基础上，对发动机起动供油规律进行初步优化。点火阶段供油规律考虑充填和点火特性进行优化调整，起动加速阶段以达到起动指标为目标进行起动加速供油规律优化调整。从优化结果看，起动成功的供油规律在获得的起动供油边界内，两次起动皆未出现失速。试验结果验证了起动供油边界正确且边界窄，需在该边界范围内精确控制燃油流量才能起动成功。该发动机起动供油边界主要由压气机不稳定工作边界决定，窄的起动供油边界也表明压气机低转速喘振边界相应较窄。

图16 成功起动的供油规律与起动边界对比Fig.16 Fuel control laws of successful starting vs.start boundary

图17 成功起动的N2r曲线Fig.17 N2rcurves of successful start

图18 成功起动的p3曲线Fig.18 p3curves of successful start

6 结论

图19 成功起动的T5曲线Fig.19T5curves of successful start

针对某发动机在起动性能调试试验中屡屡起动失败，采取多方面可调措施仍出现失速或冷悬挂的问题，以及为了该发动机后续高转速调试，提出了开展发动机起动性能调试方法的研究，再进行发动机起动供油边界探索试验，获得了该发动机起动供油边界。依据该边界再完成了起动调试，得到了该发动机匹配的起动供油规律，解决了发动机起动失败的问题，最终实现了发动机慢车运转。结论如下：

(1)通过边界探索试验成功获取发动机地面起动供油边界，根据评估出的边界进行起动性能初步优化调试，快速有效地解决了发动机起动失败的问题，大大降低了起动性能调试试验的风险和成本；

(2)提出的发动机地面起动供油边界评判方法及获得的起动供油边界具有工程参考价值，也验证了发动机起动失败的主因是起动供油带宽窄；

(3)发动机起动性能还可进一步优化调整，为起动性能定量分析和起动模型修正提供依据。

[1]朴 英.航空燃气涡轮发动机起动性能分析[J].航空动力学报，2003，18(6)：777—782.

[2]周文祥，黄金泉，窦建平.涡扇发动机部件级起动模型[J].航空动力学报，2006，21(2)：248—253.

[3]苏伟声，孙健国，程 蓝，等.基于扭矩特性的航空发动机起动系统数学模型[J].航空动力学报，2005，20(3)：499—502.

[4]陈 超，王剑影.支持向量机在航空发动机起动模型辨识中的应用研究[J].燃气涡轮试验与研究，2005，18(3)：27—32.

[5]Chappell M，Mclaughlin P.An approach to modeling con⁃tinuous turbine engine openration from startup to shutdown[R].AIAA 91-2373，1991.

[6]赵志华，周人治，黄金泉.核心机地面起动供油规律快速确定方法[J].燃气涡轮试验与研究，2014，27(6)：18—21.

Preliminary exploration on ground start fuel control boundary for a turbofan engine

QIAN Xing-liang，GOU Xue-zhong，ZHOU Ren-zhi
(AECC Sichuan Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

A turbofan engine failed to start in performance tests because of stall,and it hardly got started to idle after repeated debugging.Thus the investigation on start fuel control boundary exploration methods was carried out to find out the boundary as the reference range for the start fuel control law regulation.Then tests to explore the start fuel control boundary were accomplished to obtain the boundary.Based on it,the engine successfully started and reached idle state.This method provided reference for starting performance debugging,decreasing the blindness and risk，and reducing debugging times to start successful quickly.

aero-engine；ground start；start debugging；start fuel control boundary；fuel control law；stall

V235.1

A

1672-2620(2017)04-0001-06

2016-12-01；

2017-07-28

钱兴良(1985-)，男，成都人，工程师，硕士，从事航空发动机起动系统技术研究。