无人直升机发动机高原起动性能改善研究

段勇亮

中国直升机设计研究所

为了探究发动机高原起动性能的影响因素，本文将发动机起动理论与无人直升机高原起动实际数据分析进行对比研究，进而找出影响发动机高原起动性能的因素，并据此提出改善发动机高原起动性能的三项措施。

我国幅员辽阔、地形复杂、西高东低，青藏高原平均海拔超过4000m。为满足无人直升机在高原地区的使用要求，发动机必须具备优异的高原起动性能。与平原机场相比，高原机场的环境和气候具有海拔高、气压低、大气密度小、昼夜温差大等特点，这对发动机高原起动性能产生了不利影响。

为此，本文依据发动机起动原理，对无人直升机发动机的高原起动实际数据进行分析，找出影响高原起动性能的因素。

发动机起动原理

发动机地面起动是指，在起动系统控制下，发动机转子从静止状态加速到慢车状态的过程。在起动阶段，发动机必须借助外界动力源，因为发动机起动时燃气涡轮产生的功率不足以带动发动机转子加速。只有发动机达到一定转速后，燃烧室内的气流才能建立稳定燃烧，维持燃气发生器正常自立运转。发动机起动过程一般分为3个阶段。

第1阶段也称冷运转阶段（0≤N＜N1，N表示发动机转速），是从起动发电机接通到燃烧室喷油点火，燃气涡轮开始做功的阶段。在此阶段，发动机转子在起动发电机带动下，达到点火转速。

第2阶段为起动发电机与涡轮共同带转阶段（N1≤N＜N2），是从燃气涡轮投入工作到起动发电机退出起动状态的阶段。这此过程中，起动发电机和燃气涡轮共同带动发动机转子加速。随着转速的上升，压气机需用扭矩和涡轮产生的可用扭矩均不断上升，但是涡轮产生的可用扭矩的上升速度更快。当涡轮产生的可用扭矩增加到压气机需用扭矩时，此时发动机燃气发生器达到平衡状态，起动发电机即可退出起动状态。但是，为了保障发动机正常起动并缩短起动时间，起动发电机须要继续工作一段时间再退出起动状态。

第3阶段为涡轮单独带转到慢车状态（N≥N2），是从起动发电机退出起动状态到发动机加速到慢车状态的阶段。在这一过程中，压气机转子带动只由燃气涡轮完成。当发动机燃气涡轮输出扭矩与发动机燃气发生器阻力矩第二次达到平衡状态时，发动机随机达到慢车状态。

图1 发动机起动过程扭矩图。Tst表示起动发电机输出扭矩；Tt表示发动机燃气涡轮输出扭矩；Teng表示发动机燃气发生器阻力矩；N1表示发动机点火转速；Nbal表示Tt与Teng第一次达到平衡时的转速；N2表示起动发电机退出起动状态时的转速；Nidl表示慢车转速。

发动机高原起动的特点

相较平原地区，发动机在高原起动具有以下特点。

（1）起动时间更长

由于高原大气密度小，在相同进气体积流量条件下，发动机的进气质量流量降低。发动机功率下降，做功能力降低，发动机燃气发生器输出扭矩降低，从而导致发动机转子的加速度减小，起动加速时间增长。

（2）发动机易发生热悬挂

由于进气质量流量下降，发动机的余气系数减小。在相同进气温度条件下，油气比会偏高，易产生富油燃烧，造成燃烧室后温度升高。转速的加速率常与燃烧室温度升高不匹配，在数控系统温度限制下，发动机极易发生热悬挂。

（3）阻力矩更大

高原地区气温通常较低，润滑油温度相应降低，进而增加了润滑油的粘性，发动机转子的阻力矩随之增大，起动难度加大。

（4）带载能力不足

根据无人直升机的使用需求，发动机须要给无人直升机配套设备提供动力，驱动起动发电机发电。在平原地区，发动机达到自立转速后，起动发电机即可由起动机状态转为发电机状态，提取发动机功率为全机提供电能。在高原起动时，发动机达到自立转速后至慢车转速前，自身剩余的功率较低，带载能力不足。若此时起动发电机正常提取发动机功率用于发电，可能会导致发动机转速瞬时下降，甚至直接引起起动失败。

发动机起动控制逻辑

（1）无人直升机发出起动到慢车的指令后，发动机立即接通点火控制信号、起动发电机控制信号和起动电磁阀信号。

（2）Ng表示燃气发生器转速，当Ng＜2600r/min时，发动机燃油系统开始按起动供油规律供油。

（3）起动时间达到25s或Ng≥16700r/min，发动机数控系统断开起动电磁阀、点火控制信号。

（4）起动时间达到35s或Ng≥19300r/min，发动机数控系统断开起动控制信号，起动发电机由起动状态转为发电状态。

在起动过程中，发动机若出现下列情况之一，发动机数控系统将直接控制发动机停车。

正常停车：发动机接到无人直升机停车指令后正常停车。

起动超温：在起动过程中，发动机涡轮间温度T45超过规定的限制，发动机停车。

起动悬挂：发动机在起动过程中进入起动状态30s后，Ng仍未达到8350r/min；或进入起动状态70s内未起动到地慢，发动机停车。

故障停车：在起动过程中，发动机出现关键故障而停车。

此外，为在起动过程中保护发动机，数控系统设有超温保护。当发动机涡轮间温度T45超过800℃时，发动机自动减油。

无人直升机高原起动案例分析

试验历程

无人直升机在高原机场完成6次起动试验，试验历程详见表1。

表1 试验历程。

（1）发动机采用机载蓄电池起动4次。其中2次起动成功，2次起动失败。

（2）发动机采用备用蓄电池起动1次，起动成功。

（3）发动机采用地面电源车起动1次，起动成功。

试验数据分析

第3次和4次使用蓄电池的冷起动试验，均因出现热悬挂而失败，现象一致。本文仅对第3次使用蓄电池的冷起动试验数据进行分析。

（1）位置①：发动机开始供油。

（2）位置②：发动机点火成功。

（3）位置③：发动机燃气发生器转速加速率进入恒定闭环控制。

（4）位置④：因达到起动时间35s的要求，起动发电机退出起动状态。起动发电机由起动机状态转换为发电机状态。起动发电机从燃气发生器提取功率，降低了燃气发生器转速的加速率。由于燃气发生器转速的加速率比给定值低，发动机增加供油量，T45随之升高。

（5）位置⑤：T45超过800℃，为保证发动机不超温，发动机自动减少供油量，燃气发生器转速的加速率降低。当T45低于800℃后，发动机又因燃气发生器转速的加速率偏低而再次增加燃油供应，T45再次超过800℃。

（6）位置⑥：发动机转速依然无法上升，无法成功起动。操作员执行发动机停车程序，起动失败。

高原起动试验结果对比

为找出发动机使用蓄电池冷起动的成功与失败结果间的差异，本文将发动机第1次、第3次、第4次使用蓄电池起动的试验数据进行对比，如图2所示。

图2 第3次使用蓄电池的冷起动历程曲线。Np表示动力涡轮转速；Mkp表示发动机输出轴扭矩；T45表示涡轮间温度；WfmDem表示发动机燃油流量。

（1）第1次起动与第4次起动对比：点火成功后，与第4次起动相比，第1次起动的燃气发生器转速加速更快。

（2）第1次起动与第3次起动对比：点火成功后，与第3次起动相比，第1次起动的燃气发生器转速加速更快。

由发动机使用蓄电池进行3次冷起动的试验数据对比可知，第3、4次起动试验中的燃气发生器转速加速率明显低于第1次起动，起动发电机带转能力显著弱于第1次起动试验。

据此，本文对起动电源在6次起动试验过程中供给起动发电机的电流、电压、功率及发动机工作状态等数据进行分析，找出发动机高原起动的特点和影响性能的因素。起动电源供给起动发电机的电流、电压、功率与发动机转速的对应关系如图5所示。

图3 第4次使用蓄电池的冷起动历程曲线。

图4 发动机第1次、第3次和第4次使用蓄电池起动的数据对比。

图5 起动电源供给的电流、电压、功率与发动机转速的对应关系。

经对比试验数据后，本文得出如下结论。

一是起动电源的容量影响起动发电机的带转能力。发动机第3、4次使用蓄电池起动（总第4、5次试验）时，起动电源供给起动发电机的电压、电流比其他次起动偏低，蓄电池提供给起动发电机的功率越来越小，蓄电池功率衰减直接引起第3、4次使用蓄电池起动的试验失败。发动机第3次使用蓄电池（总第4次试验）起动前期，燃气发生器转速加速缓慢。由此可知，蓄电池容量下降将导致起动发电机带转能力下降。

二是高原起动时间增长。发动机第1、3、4次使用蓄电池起动（总 第1、4、5次试验），均为发动机冷起动。其中，当发动机第1，3次使用蓄电池起动时，起动发电机均由于起动时间到达35s，数控系统按预定逻辑控制起动发电机退出起动状态，此时发动机未达到自立转速。相比于平原起动，发动机在高原起动时，其转子加速率明显减小，起动时间增长。

三是热起动更顺畅。与第1次使用蓄电池起动相比，发动机第2次使用蓄电池起动（总第3次试验）时，燃气发生器转速加速更快，起动更顺畅。虽然第2次使用 的蓄电池容量较第1次偏低，但第2次起动为热起动，发动机自身的温度较高，润滑油粘度低，发动机阻力矩较低。

四是起动过程带载能力不足。从各次起动过程看，起动发电机从起动机转为发电机后，发动机燃气发生器转速的加速率均出现明显降低。

起动失败的原因分析

发动机点火成功之前，发动机燃气发生器由起动发电机单独带转。发动机点火成功后，燃气涡轮和起动发电机共同提供功率，助力发动机起动。但是在不同阶段，燃气涡轮和起动发电机的功率占比不同。在起动前，起动发电机的输出功率占比较高。

当发动机第3次使用蓄电池进行冷起动时，蓄电池提供给起动发电机的功率偏低，导致起动发电机带转能力偏低，空气流量偏低，使起动过程中的油气比与燃气发生器转速不能有效匹配，燃油雾化差，造成联焰困难，点火时间可能增长，燃气涡轮做功能力差，在规定的35s内，发动机在起动发电机单独带转下无法加速到自立转速。起动发电机由起动机状态转换为发电机状态后，从燃气发生器提取功率用于发电，进一步恶化起动环境，从而导致起动失败。

当发动机第4次使用蓄电池进行冷起动时，蓄电池提供给起动发电机的功率进一步降低，起动发电机带转能力进一步降低，燃气发生器转速加速更慢，发动机出现热悬挂，起动失败。

总结

根据无人直升机发动机6次高原起动试验的分析以及发动机高原起动的特点，本文提出以下改善发动机高原起动性能的措施。

一是增加蓄电池的容量。蓄电池容量越大，供给起动发电机的电压越高，可有效提高起动发电机的带转能力，从而提高燃气发生器转速的加速率，达到改善起动性能的目的。在无法增加蓄电池容量的情况下，应确保蓄电池处于满电状态以及起动电压、电流和功率满足高原起动需求。

二是采用热机起动。发动机处于热机状态时，润滑油粘度较低，大大减小了发动机转子的阻力矩。因此，若第一次起动失败后，发动机有一定程度的升温，可尝试再次起动。通常，再起动成功率较第一次冷起动成功率高。此外，对发动机进行加温，可提高发动机高原起动的成功率。

三是起动过程中避免功率提取。高原的大气密度低，在起动过程中发动机剩余功率较低。起动发电机转为发电机状态后，直接提取发动机功率，会增加发动机负载，对起动影响很大。在高海拔环境下，发动机实际做功能力减弱，此时若发电负荷超过发动机做功能力，可能会导致发动机热悬挂，发动机无法成功起动。因此，在发动机成功起动到地慢前，起动发电机转为发电机状态后，暂不向无人机直升机系统供电。 ■