李相政，高 磊
(中国飞行试验研究院 发动机所，陕西 西安 710089)
高原环境空气密度小，大气压力相对较低，昼夜温差大，发动机功率下降，发动机启动困难，容易出现失速、转速悬挂、超温等问题[1-9]。为了保证航空发动机在高原安全启动，研究人员对发动机高原启动进行了大量的研究。乔洪信等研究了高原启动过程中发动机供油调节规律，获取了高原启动供油调整方法[2]。李文峰等研究了高原航空发动机启动失败的原因[5]，苗禾状等分析了高原环境对航空发动机启动过程的影响[7]。郭昕等提出了3项调整措施，提高航空发动机高原启动成功率[4]。
目前的研究主要针对外界因素对发动机高原启动的影响，而对发动机自身因素对启动的影响研究较少。因此，本文研究在高原启动条件下，发动机自身启动机的初始压力、引气功能，发动机自身启动温度对高原启动的影响，这对发动机高原安全启动具有重要意义。
发动机高原启动与平原启动相同。涡扇发动机启动可分为3个阶段：第Ⅰ阶段是发动机由启动机带转阶段；
第Ⅱ阶段发动机点火供油后，启动机与发动机共同工作；
第Ⅲ阶段，启动机脱开，发动机独自工作，直到达到相应的慢车转速。航空发动机启动过程如图1所示。
图1 航空发动机启动过程
第Ⅰ阶段(冷运转阶段)：由发动机内部空气启动机带转至燃烧室喷油、点火(即涡轮开始发出功率)，启动机功率输出轴带动发动机高压转子旋转到接近点火转速n1。
第Ⅱ阶段(空气启动机与涡轮共同带转阶段)：从涡轮开始做功(即燃烧室开始供油点火)直至启动机脱开，发动机转速由n1上升至n2。当转子加速至大于最小平衡转速nmin(即NT=NK)后，涡轮发出功率已大于压气机所需功率，此时启动机可以脱开。但为了进一步保证启动的可靠性和缩短转子加速时间，启动机将继续工作，与涡轮共同带转转子至转速n2。
第Ⅲ阶段(涡轮单独带转到慢车状态)：从启动机脱开到转子加速到慢车状态，完全靠涡轮剩余功率ΔNT(ΔNT=NT-NK)将转子加速到慢车转速。此时功率达到平衡，即NT=NK，发动机便稳定在慢车状态。
涡扇发动机启动机类型为空气启动机，其供源方式有APU、气源车及交叉引气等。在高原条件下，APU供气能力下降，通过气源车与交叉引气方式调整供气量大小。
图2所示为无量纲启动时间随无量纲启动机压力的变化。图中展示了3种启动不同方式，其中APU启动压力在0.1～0.3，气源车启动压力在0.2～1.0，交叉引气启动压力在0.3～0.9之间。图中带有倒三角重合的点为冷态启动，其余为热态启动。
图2 发动机启动时间随启动机压力变化
从图2可以看出，热态启动条件下，随着启动机初始压力的变大，发动机启动所需时间变短。冷态启动条件下，启动机压力对启动整体时间的影响未知，这是由于整个启动时间不仅仅受启动机单一压力变化的影响，而是受多种因素的影响。
图3所示为不同启动压力下启动机脱开时间变化。从图中可以看出，启动机压力越大，启动机脱开时间越短。不同启动方式下，启动机的脱开时间差距较大。气源车启动机脱开的最短时间比APU方式短50%，这是由于APU引气启动压力小造成的。无论什么启动方式，启动机压力对启动过程第Ⅰ、第Ⅱ阶段的影响较大。
图3 启动机脱开时间随启动机压力变化
图4所示为发动机转速随启动时间的变化。从图中可以看出，在发动机启动的第Ⅰ阶段，随着启动机初始压力增大，高压转速上升。启动第Ⅱ阶段，启动由启动机和发动机自身共同体带转，启动机初始压力对第Ⅱ阶段启动的影响相对减弱。启动初始压力为0.7时，发动机出现热悬挂，此时启动机压力相对较高，出现热悬挂是发动机自身功率不足造成的。
图4 高压转速随启动时间变化
图5所示为发动机不同启动压力条件下，压气机出口压力随时间变化。从图中可以看出，启动机启动压力对压气机出口压力上升速率有一定的影响。总体而言，启动机初始压力越大，压气机出口压力上升越快。启动机初始压力的大小对压气机工作有重要影响，但不是唯一影响。从图中可以看出，当启动机初始压力为0.7时，压气机依旧出现了失速现象。图中除初始压力为0.7以外，发动机都打开了引气功能。高原条件下，由于压气机工作边界变窄，压力机向喘振边界工作靠近，此时打开引气功能，虽然降低了发动机一定的功率，但是能够改善发动机压气机工作条件，保证发动机启动成功。
图5 压气机出口压力随启动时间变化
发动机在连续启动过程中，启动不仅受外界条件的影响，还要受到发动机自身的影响。发动机的冷却程度对发动机启动有着重要影响。发动机冷却程度的最直接表现为发动机温度。将发动机末端温度定为发动机自身温度，图6展示了发动机在自身不同启动条件下启动的最高排气温度，图中方点为启动成功，圆点为启动超温失败。
图6 不同初始温度下发动机最高排气温度
从图6可以看出，随着发动机初始温度的增加，发动机最高温度随之增加，这是由于初始温度增大会有利于燃烧，使得发动机燃烧室燃烧效率提高。启动过程中出现过两次超温现象，两次启动失败都接近最大温度，这是由于温度的增高虽然有助于发动机燃烧，但是过高的启动温度会对发动机造成热悬挂，从而导致发动机启动失败。因此，为保证可靠地启动，启动无量纲温度不应超过0.5。
图7所示为不同初始温度下发动机启动时间。可以看出，启动时间随初始温度的提高先减小后增大，这是由于前期温度增大有助于发动机燃烧做功，当温度达到一定程度后，发动机热阻力开始增大，使得剩余功率减小，引起发动机启动时间变大。
图7 不同初始温度下发动机启动时间
综合图6与图7可以看出，如果发动机需要连续启动，可以使无量纲发动机温度在0.5左右，此时既能保证发动机启动成功，又能使启动时间最短。
本文介绍了发动机高原启动过程，研究了发动机启动机压力、引气功能、发动机自身温度对发动机启动的影响，结论如下：
(1)发动机启动机压力对整体启动时间影响有限，对发动机启动第Ⅰ、第Ⅱ阶段启动时间影响较大。启动机压力越大，启动机脱开所需时间越短，压气机出口压力上升也越快。
(2)发动机引气功能增大压气机裕度，防止压气出现失速，高原启动应打开引气功能。
(3)发动机自身温度越高，最大排气温度也越高，过高的自身温度会导致发动机启动失败；
启动时间随着发动机自身温度的增大先增大后减小。发动机连续启动时，在保证启动成功的前提下，应使发动机自身温度在0.5左右。
