涡桨6发动机空中再起动原理与性能分析
涡桨6发动机空中再起动原理与性能分析
作者：邵飞 翁小武
来源：《甘肃科技纵横》2022年第03期
        摘要：针对航空发动机的空中再起动要求，结合某型飞机装载的涡桨6发动机开展的空中再起动试验，从起动原理、点火原理、操作程序、试验参数等方面对涡桨6发动机与6
叶桨匹配后的空中再起动特性开展分析。结果表明，涡桨6发动机匹配6叶桨后，空中再起动性能良好，起动时间满足适航安全性的要求，空中再起动过程中发动机工作参数应重点关注发动机转子转速、扭矩压力、排气温度的变化，滑油温度、发动机振动值、燃油喷嘴压力、滑油压力为次级关注对象，同时针对风车起动时发动机转子转速上升较快、对飞行员操作要求较高，对后续完善空中再起动系统、操作程序以及注意事项提出了建议。
        关键词：涡桨6发动机;螺旋桨;空中再起动;风车起动
        中图分类号：V21 文献标志码：A
        1概述
        航空发动机是飞机的心脏，为飞机提供飞行所需的动力，一旦出现空中停车，就会使飞机失去或部分失去动力，对飞行安全构成严重威胁。随着航空技术的发展，航空发动机的空中停车率由最初的1次/1000飞行小时，降低到约1次/106飞行小时，但航空发动机是一个工作条件苛刻、结构复杂的设备，由于其设计、工艺，使用维护、工作条件等原因，航空发动机出现空中停车的事件仍然难以避免[1]。这就要求航空发动机必须有停车后可靠再
起动的能力，这对于保障飞机安全飞行至关重要，如果不能可靠、快速再起动发动机，则可能造成机毁人亡[2]。为此，中国民航局发布的适航规章CCAR25[3]中的25.903条款要求必须开展发动机空中再起动能力的验证试验。
        涡轮发动机的起动是一个重要过程，要求在压气机不喘振和涡轮前温度不超温的情况下，按照设定的起动和燃油控制程序点燃燃烧室内的燃油，并将发动机加速到慢车状态[4]。本论述以某型飞机空中再起动飞行试验为背景，对涡桨6发动机和6叶桨匹配后的空中再起动原理与性能进行分析。分析结果表明，涡桨6发动机空中再起动特性良好，空中再起动应重点关注的发动机工作参数为排气温度、扭矩压力、转子转速，同时对后续优化完善涡桨6发动机空中再起动的操作程序和注意事项进行了说明。
航空发动机原理        2涡轮6发动机起动原理
        涡桨6发动机（如图1所示）是中国南方航空动力机械公司生产的固定涡轮式单转子涡桨发动机，采用十级轴流式压气机为燃烧室提供压缩空气，通过减速器将发动机输出的轴功率传递给螺旋桨。
        该发动机于1994年取得中国民航型号合格证，在国内早期飞机型号上该发动机与4叶恒速螺旋桨匹配装机使用，目前在国内某型在研型号飞机上，与6叶恒速螺旋桨（如图2所示）首次匹配装机，正处于试飞验证阶段。
        涡桨6发动机的起动过程很复杂，有许多因素起作用，包括燃油供给与雾化、进气流场、点火时机等，需要各相关控制系统协调工作。任何一个环节发生问题，都可能导致发动机起动失败。该发动机和6叶桨匹配后，桨叶数量的增加直接导致桨后气流发生变化，影响发动机起动时的进气量，另外螺旋桨转动惯量的变化、起动时转速与时间的变化等，都会对起动特性造成影响。
        涡桨6发动机起动方式有起动电机辅助起动和风车起动。
        2.1起动电机辅助起动
        涡桨6发动机的地面起动采用起动电机辅助起动，即起动电机通电，利用电机带动发动机转子转动并逐渐加速。当发动机转子转速继续上升到更高转速时，燃油从发动机燃油起动喷嘴喷入燃烧室与压气机提供的压缩空气充分混合。当发动机转子达到某个转速时，
通过起动系统的时序控制逻辑自动接通发动机点火装置，点火装置将飞机电网电压转换为高压电后，在燃烧室内形成高能电火花，继而点燃燃油空气混合气。
        此时，涡轮的输出功率仍不足以维持发动机运转的需求，起动电机和涡轮共同带动发动机转子加速，当达到某个转速时，发动机燃油工作喷嘴喷出燃油，起动喷嘴停止供油，直至燃烧室油气混合可以维持稳定燃烧后，发动机点火装置断电，涡轮开始输出功率;当涡轮输出功率足以维持发动机转子加速后，起动电机脱开断电;涡轮输出功率继续使发动机转子自动加速至慢车转速，起动周期结束[5]。
        2.2风车起动
        涡桨6发动机在高空停车后的再起动过程不完全和地面一样，其主要差别在于高空再起动时，不用起动电机带动发动机转子转动，而是依靠飞行中的气流冲压效应带动螺旋桨转动（即进入风车状态），并通过螺旋桨桨轴驱动发动机转子转动。
        发动机进入风车前，预先将发动机点火装置电路接通，当发动机转子加速至某个转速时，燃油从发动机燃油工作喷嘴喷入燃烧室;发动机转子继续加速，当燃烧室内燃油空气混
合气达到合适比例时，点火装置产生高能电火花点燃燃油空气混合气。点火成功后，依靠涡轮输出功率使发动机转子自动加速至慢车转速，空中再起动周期结束。
        与地面起动机辅助起动相比，空中再起动要比地面起动困难得多，主要难点在于：
        （1）发动机在风车状态下，进入燃烧室的空气流速高，压力、温度低，使燃油点燃和稳定燃烧十分困难;
        （2）高度越高，进入发动机的空气流量越少，越容易造成富油熄火;
        （3）高度越高，大气温度越低，压力下降越大，所需的最小点火能量越大，越不利于点火源形成和火焰传播。
        因此，发动机从设计开始，就要对燃烧室的点火可靠性加以考虑，并在后续的部件和整机试验中加以调整和验证。按照AC25-7C[6]的要求，发动机空中再起动应满足从供油到点火的时间不大于30 s，从点火到稳定慢车的时间不大于90 s。
        2.3点火系统
        涡桨6发动机的点火系统由电路和油路两部分组成。其中，油路主要包括發动机辅助燃油泵、起动供油电磁活门。电路主要包括点火电源、2个点火线圈、2个点火器（装有电嘴和起动喷嘴）。涡桨6发动机的燃烧室为环形，采用两个装有电蚀电嘴和起动喷嘴的点火器间接点火。其中，点火电源为机上28 V直流电汇流条或蓄电池。原理图如图3所示。
        发动机点火成功，点火系统将自动或手动关闭。燃油通过正常工作油路，由工作喷嘴喷入燃烧室，维持燃烧室内火焰稳定燃烧。

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