航空发动机快速起动方式研究

航空发动机快速起动方式研究

郑铁良 1 陆林 2

1. 中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，黑龙江哈尔滨 150000

2. 2.空装驻哈尔滨地区第二军事代表室 黑龙江哈尔滨 150000

摘要：快速起动是航空发动机的一项重要战技指标要求，本文主要对快速起动原理、起动过程和几种常用的快速起动方案进行介绍，并对影响快速起动的因素进行分析。

关键字：航空发动机 快速起动 影响因素

1.绪论

在高科技迅猛发展的大背景下，现代战场作战模式有了深刻的变化，越来越注重防区外发射、远距离精确打击的武器系统。世界各国为了适应这种变化，非常重视突防快、射程远、威力大、精度高的武器发展。发展远程精确制导导弹，巡航动力技术是关键技术之一，具有不可替代的作用，必须得到完善可靠地解决。当今的远程精确制导导弹的巡航动力方案优选涡轮喷气（或涡轮风扇）发动机。

在我国的制导兵器领域，传统的反坦克导弹为小型精确制导导弹，射程不大于10km，动力装置采用小型固体火箭发动机。以传统小型反坦克导弹的精确制导技术为基础，发展远射程的小型精确制导导弹是我国制导兵器远程化发展的重要方向，其中研发射程在30~100km的远程反坦克导弹、多功能导弹及巡航导弹等小型精确制导导弹，已经是我国军事装备发展的共识。长时间巡航动力技术成为远程小型精确制导导弹的关键技术之一，固体火箭发动机已经很难满足该类型远程导弹的巡航动力需要。由于涡喷发动机具有重量轻、比冲高、适合长时间巡航工作的诸多优点，使得其在导弹远程化的发展中具有非常重要的地位。

航空发动机必须满足导弹快速反应的这一要求。在导弹发射前，发动机不需要任何维护，在导弹的发射过程中，发动机要能够承受较大的过载，不需开启油封，不经过慢车暖机阶段就能够加速到大推力状态。发动机起动加速过程是一个非稳态过程，发动机进气条件、振动力学环境和导弹的电磁环境都在剧烈的变化之中。

因此，需要对发动机快速起动技术进行研究，解决制约快速起动的技术问题。

2.发动机起动方式简介

对于涡轮喷气发动机而言，要求外界提供能量使发动机转子预先起动，并达到一定转速，燃油燃烧，然后发动机才能自循环正常工作。因此，起动装置对发动机来说至关重要。目前在研和在役发动机常用的起动形式大致有三类：

一是电动机起动：由弹上电源或地面电源供电，电机带动发动机转子旋转。优点是使用简单，起动过程可以完全自动化；缺点是需要强大的电源支持，且起动过程较长。对于起动功率要求低的微小型涡喷发动机和起动时间要求不高的大型发动机常采用该形式。对于快速起动的中小型涡喷发动机若采用该起动方式，则需要增加体积及重量携带电源，且起动时间较长。

二是高压冷气起动：采用高压气瓶中的高压气体经过流道产生高速气流，冲击压气机或涡轮叶片，带动发动机转子旋转。优点是结构简单、零部件少；缺点是气瓶体积较大，起动效率不高，时间较长，比较适应于微型涡喷发动机。

三是火药燃气起动：采用固体火药燃气冲击涡轮叶片或起动飞轮，从而带动发动机转子旋转。优点是起动时间短，功率大，结构简单，重量轻，存贮时间长；缺点是起动次数有限，燃气温度相对较高。

这些起动形式，前两种很难作为快速起动方案，只有第三种才可以称为真正意义的快速起动。

火药燃气起动形式按结构可分为三种方案：第一种是高温燃气冲击涡轮转子叶片，见图1；第二种是高温燃气冲击专用起动飞轮，见图2；第三种是前两种的混和方式，即涡轮盘端面含有起动飞轮，高温燃气冲击涡轮盘端面，见图3。国外现有型号常采用第一种方案，因为该方案对发动机转子结构影响最小，但需要设计良好的高温燃气导管及合理的燃气喷嘴。第二种方案起动加速性能良好，但引入起动飞轮对发动机转子影响很大，且发动机起动完毕后，需继续带动额外负载，影响发动机工作效率。第三种方案继承了前两种方案的优点，其关键技术之一是涡轮结构设计。

图1 燃气冲击涡轮叶片起动方案

图2 燃气冲击起动飞轮起动方案

图3 燃气冲击涡轮盘面起动方案

3.发动机快速起动过程理论分析

3.1涡喷发动机起动过程

涡喷发动机起动过程如下：首先火箭助推器将导弹从发射车上在规定的时间内助推到一定的高度和速度或由飞机带到一定的高度和速度，此时涡喷发动机转子处于风车状态，火药起动器（简称起动器）开始工作；当转子加速到一定转速时，涡喷发动机开始点火，涡轮功率开始提高，涡轮与起动器一起带动涡喷发动机继续加速，直至起动器工作结束；随着供油量的增加，涡轮功率继续增加，涡喷发动机一直加速到巡航转速，产生所需巡航推力，起动过程结束。

根据起动器和涡轮功率变化情况，涡喷发动机起动过程可划分为三个阶段，如图4所示。

图4 起动过程示意图

第一阶段：起动器开始工作，带动发动机转子加速，燃烧室尚未供油燃烧，此时转子加速由起动器功率大于压气机所需功率而产生。

式中，N_st为起动器产生功率。当转速达到图4中n1值时，燃烧室中喷入燃油并点燃，涡轮开始发出功率。

第二阶段：发动机转子由起动器和涡轮同时带动，涡轮前燃气温度为最大允许值，涡轮功率迅速增大。此时转子加速由起动器和涡轮产生的功率之和大于压气机消耗功率所产生。

当转子加速到大于最小平衡转速n^，时，涡轮产生功率大于压气机所需功率，这时为了达到快速起动的目的，不经过慢车暖机时间，起动器继续工作，转子转速继续增大，制导转速到达图4中的n2值时，起动器工作结束。

第三阶段：起动器工作结束，发动机转子加速仅靠涡轮产生的功率提供，直至达到额定转速或最大转速。

发动机起动加速过程由控制程序自动执行，根据转速变化，调节油泵供油量并同时监控尾喷管温度是否在正常值范围。

以上起动过程中，三个阶段发动机转速不断增加的核心思想是剩余功率大于零。

也可以用作用在转子上的剩余扭矩和转子转速之间的关系表示为

式中Mr为作用在转子上的剩余力矩。

所以，整个过程起动时间可以写成

从上式可见，转子转动惯量I越大，转速n越高，剩余力矩Mr越小，则起动的时间越长。为了缩短起动时间，必须尽量保证发动机转子转动惯量最小，起动器施加转子的力矩最大。

从起动装置分类来看，电动机和高压空气起动很难提供较高旋转力矩，而只有火药起动器才能短时间提供大力矩，实现快速起动功能。

3.2火药燃气冲击式起动模型

火药燃气冲击式起动示意图如图5所示，其工作原理是利用火药起动器产生的高温高速燃气流冲击起动叶片，从而带动涡喷发动机转子高速旋转。

图5 冲击式火药起动示意图 图6 转子运动受力示意图

火药起动器产生高速气流冲击起动叶片，对涡轮做功，其转子受力示意图如图6。利用动量方程和能量方程，得到转子运动方程如下：

式中， -为转子的转动惯量；

-为角加速度；

F-为燃气对飞轮作用点施加的力；

R-为气流冲击点半径；

K-为损失系数；

-为高温高速燃气流流量；

v-为高温高速燃气速度；

M-为转子阻力距；

ω-为转子的转动速度。

整理方程组，得

根据分析以上方程组，用改进的欧拉法求解，可得到转速—时间曲线，从而设计出合理的火药燃气发生器的装药、喷管等结构性能参数。

在设计初期还可以对方程进行简化。在方程中，转子阻力距比燃气冲击力小很多，约占5%，不会对结果有很大的影响，为了分析简单，将其略去。

在时间t=0，ω=0的初始条件下，得上式的解析解为

若转子受常流量起动器的吹动时，其最大转速为：

式中m为起动器的装药量。

从以上方程可以分析出，发动机最大转速不会超过起动器燃气速度，且随着起动器装药量的增加逐渐趋于这个值；起动过程中，起动器燃气流量越大，发动机转子加速度越大，起动时间越短。也就是说，起动器燃气与涡轮转子配合所产生的冲击力越大，起动时间越短。

4.发动机快速起动的影响因素

发动机的起动是非常复杂的气动热力学过程，涉及到起动器、供油系统、点火系统、润滑系统、控制系统以及发动机的不稳定热力物理过程，因而影响起动过程的因素有很多，其中影响发动机正常快速起动的主要因素有：

1、起动过程中剩余功率的大小对起动的影响。

由第三章对起动过程的理论分析可知，起动过程所需的时间长短，取决于剩余功率的大小。剩余功率越大，起动所需的时间越短；反之，剩余功率越小，起动所需的时间越长。对于涡喷发动机起动时间要求越来越短，因此剩余功率的大小是影响发动机快速起动的主要因素之一。一方面起动器的功率越大，第一、二阶段的剩余功率越大。但是，起动器功率受到多个因素的限制：起动器采取方式不同，功率大小不同；起动器受单体布局、结构尺寸、安装位置、重量要求的限制；同时，起动器功率受其他部件响应速度的影响，也不能设计过高。另一方面涡轮功率越大，第二阶段的剩余功率越大，但其涡轮功率的大小与涡轮前燃气温度的高低和涡轮落压比的大小有关。提高涡轮前燃气温度可以增加涡轮功率。但是，涡轮前燃气温度的提高要受到涡轮叶片材料强度和不致引起压气机喘振的限制。

2、起动过程中燃烧室能否产生有效火源对起动的影响。

起动过程中产生有效火源的目的是：充分点燃燃烧室内的混合气，以便在燃烧室内形成稳定的火焰，从而使涡轮稳定工作。如果起动过程中不能产生火源，则不能点燃混合气，涡轮也无从产生功率，发动机也就不可能完成起动。在起动时，燃烧室内能否产生有效火源，主要取决于点火装置是否正常工作。涡喷发动机是要求一次性使用，因此要求点火过程一次可靠完成，不需要再次使用。所以涡喷发动机常采用烟火点火器来作为点火源点燃混合气。虽然烟火点火器能量较高，但受到安装尺寸、燃烧室结构、燃烧室火焰燃烧稳定区域、点火器火舌形状及温度的限制。此外，是否产生稳定有效火源还与喷油嘴雾化能力，燃烧室内空气压力、温度有关。

3、涡轮参加工作时间早晚对快速起动的影响。

供油系统向燃烧室供油后，涡轮才能发出功率。所以，涡轮参加工作的早晚由燃料供给时间决定。但是，如果在转速较小时，过早的向燃烧室供油，由于发动机空气流量很小，燃料流量调节较难控制，容易造成混合气富油，引起压气机喘振；如果推迟向燃烧室供油，起动器必然加长工作时间，涡轮未产生功率，剩余功率相应减小，则发动机起动时间必然加长。

4、控制规律对快速起动的影响。

涡喷发动机通常采用全数字式控制器，要求对供油系统、点火系统、滑油系统进行快速响应及控制。同时，对发动机采集的温度、压力、转速、流量等参数能及时进行分析反馈。在起动过程中合理分配各部件起动时序，采用恰当控制规律满足快速起动要求。

5、外界大气条件对起动过程的影响。

大气温度的变化，直接影响燃料的物理性能：温度太低，燃料粘度增大，挥发性不好，雾化和气化质量差，燃烧效率差。同时，大气温度降低，大气密度增大，发动机空气流量增大，压气机消耗功率随之增大，在起动器功率不变的条件下，剩余功率将减小，则起动过程所需时间增长。同理，大气压力的变化也直接影响起动过程的规律及快慢。

5.提高发动机快速起动可靠性的措施

1、增加助推器的推力和助推器的工作时间，提高风车转速。

2、选择有效的起动方式，提高起动器的有效功率。

3、适当增加涡轮导向器面积，以提高涡轮的功率，增加剩余功率，加快发动机的起动过程。

4、提高涡轮前温度到发动机允许的最大值，以提高涡轮的功率。

5、装有可调节的尾喷管，通过放大喷口来增加涡轮的落压比，从而提高涡轮的功率。

6、选择适当的起动时的供油程序，提高点火可靠性，尽量避免发动机压气机失速喘振。

7、适当增加起动后期燃油供油量。

8、选择适当的点火转速。

9、通过热交换器，提高燃油温度，解决燃油雾化质量问题。

6.总结

发动机的起动过程是非常复杂的，是由多方面的因素所确定的，发动机能否成功快速起动，取决于各个起动附件的协调工作，相互配合。本文列举的因素是涡喷发动机快速起动必须考虑和解决的因素。对于涉及不同导弹类型，不同的发射方式，以及不同涡喷发动机结构特点所考虑的快速起动的侧重点不同。因此涡喷发动机快速可靠起动必须结合弹体、发动机系统整体考虑进行设计。

参考文献

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[3]刘建国，李小柱，冯玉红，一种小型涡喷发动机火药启动方式的研究[J].航空学会动力分会火箭发动机专业学术交流会论文集2006

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