一种基于试车数据的发动机起动特性分析方法

2023.02.19

王德庆宋瑞民陶尧等

摘要：基于发动机试车数据给出了某型发动机起动时剩余功率曲线，通过不同功率起动机带转专项试验，验证了给出的剩余功率曲线的正确性。针对某型发动机降低起动机功率的可行性进行了分析，预测了配装不同功率、不同特性起动机时发动机的起动特性，具有一定的工程应用价值。

关键词：航空发动机;起动特性;试车

1 前言

航空发动机起动机的选择主要受到起动时间和带转转速限制。在极端的天气条件下，可能遇到冷热悬挂问题，因此起动机需具有足够大的功率，以防止发动机起动失败。但起动机功率过大，必然会带来重量增加，不满足飞机和发动机重量尽可能轻的要求，因此选择合适功率的起动机，尤为重要。本文基于发动机试车数据，克服了起动过程中整个系统（包含传动附件）的转动惯量测量难度大、理论建模难度大、精度低的问题，采用了发动机转子动力学特性，对某型发动机起动特性进行了[1-5]，得到了该发动机起动时的剩余功率曲线，通过专项带转试验验证了给出的剩余功率曲线的正确性。预测了配装不同功率、不同起动特性起动机时发动机的起动特性，具有一定的工程应用价值。

2 发动机起动模型

基于某型发动机试车数据，在发动机冷运转过程中，燃油不参与燃烧，涡轮扭矩可视为零，其动力学方程为：

当发动机冷运转达到其最高转速时，则满足下式：

在转子转动过程中，压气机的功率可近似的认为与转速的3次方成正比，即扭矩与转速的平方成正比[3]，表示为：

发动机停车过程和起动过程中，相同转速转速下，假设发动机负载保持不变。在发动机停车过程中，仅由发动机负载产生的转子加速度使发动机停车。此时满足下式：

根据试车数据可对发动机负载进行拟合，可得到由转动惯量表示的发动机负载。

根据试验结果起动机的扭矩特性如下：

将式（4）、（5）代入式（2）中，基于实际试车数据，可得该型发动机的转动过程中的系统综合转动惯量。结合转子动力学理论[6]，计算得到了在海拔高度1km、大气87kPa 、大气温度13℃下，起动机断开前发动机起动剩余扭矩曲线，如下图1：

3 某型发动机起动试验验证

3.1 发动机剩余功率正确性验证

某型发动机分别采用功率相差10kW的起动机A與起动机B进行起动试验，试车数据如下表1。

由图2可知，模型计算得到的起动机A和起动机B的带转转速分别为27.8%、25.2%，配装起动机进行专项带转试验带转转速（见表1）分别为28.3%、25.6%，理论计算和专项试验的带转转速基本一致。因此，通过试车数据求得的起动时发动机系统转动惯量及剩余扭矩曲线是准确的，验证了所建模型的正确性。

3.2 某型发动机降低起动机功率的可行性分析

某型发动机要求起动时不超过50s内高压换算转速达到50%、冷运转时带转转速不小于21%。应用图1计算的发动机剩余扭矩曲线，对55kW～83kW功率的起动机进行起动时间和带转转速计算。发动机配装不同功率起动机的起动特性表2及图3。

选用功率不小于66kW的起动机，在50s左右发动机转速均可达到50%、带转转速大于21%;若选用55kW～66kW燃气涡轮起动机，带转转速较低、起动时间较长，考虑冷热天等极端天气影响下，不满足该型发动机起动机要求，因此该型发动机起动机功率选择不应低于66kW。

4 小结

基于发动机试车数据给出了某型发动机起动时剩余功率曲线，通过两种不同功率起动机带转专项试验，验证了给出的剩余功率曲线的正确性。针对某型发动机降低起动机功率的可行性进行了分析，预测了配装不同功率、不同特性起动机时发动机的起动特性，对该型发动机起动机的选择提供了参考依据，该方法可应用于其他发动机的起动特性分析，具有一定的工程应用价值。

参考文献：

[1]廖明夫.航空发动机转子动力学[M].西安：西北工业大学出版社，2015.

[2]刘建勋，王剑影，李应红等.某型发动机起动模型的支持向量机辨识及应用[J].推进技术，2004，25（05）：401-404.

[3]骆广琦，桑增产，王如根等.航空燃气涡轮发动机数值仿真[M].北京：国防工业出版社，2006.

[4]杨帆，樊丁等.基于试车数据的航空发动机起动过程建模[J].空军工程大学学报（自然科学版），2013（14）.

[5]江勇，周宗才，桑增产等.发动机高原地面启动实验初步研究[J].推进技术，2003，24（06）：547-549.

[6]哈工大理论力学教研室.理论力学[M].北京：高等教育出版社，2016.

作者简介：王德庆（1993-），男，山东淄博人，硕士，助理工程师，研究方向：航空发动机总体性能设计。