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摘要：航空发动机起动过程是一个非常复杂的热力学过程，一直以来都是发动机研制过程中的难点，确定合适的起动供油规律是解决发动机起动问题的关键。某型发动机采用机械式起动装置，在研制过程中通过理论计算和匹配试验确定了起动供油规律，在发动机交付使用后，出现起动供油曲线与发动机匹配性差，逐渐暴露出起动困难问题。本文根据起动问题具体现象，通过多台厂内交付和外场使用发动机起动供油数据的统计和分析，对现有起动供油规律进行修正，有效提高了发动机起动成功率。
关键词：航空发动机；起动供油规律；统计；修正。
1 引言
发动机起动过程是一个非常复杂的过程，涉及空气动学、热力学、流体力学、自动控制学等多方面因素，一直以来都是发动机研制过程中的难点。根据目前国、内外航空发动机研制经验来看，确定合适的起动供油规律是解决发动机起动问题的关键。
但到目前为止，发动机仿真工作主要基于慢车以上转速的稳态工作线的关系，对慢车以下工况还无法精确模拟。基于上述因素，发动机起动阶段的模拟仿真与实际偏差较大，难以完全依靠仿真方法解决起动问题。
某型发动机配装机械式起动装置，在研制过程中通过理论计算和匹配试验确定了一条起动供油曲线，但由于产品制造偏差和使用环境差异等因素，发动机交付外场后，逐渐暴露出起动供油规律与发动机不匹配问题。根据资料显示，国外某型涡轴发动机在设计定型后，不断结合外场使用情况，持续修正起动供油曲线，提高发动机的起动成功率。
因此，本文主要根据外场实际起动情况，结合多台发动机起动供油数据的统计和分析，实现起动供油规律的修正，从而提高发动机起动成功率。这种起动供油规律修正方法，可为其它机械燃调发动机提供参考。
2 起动供油原理及控制
自由涡轮式航空涡轴发动机主要由压气机、燃烧室、燃气涡轮和自由涡轮等组成（见示意图1），压气机和燃气涡轮组成了燃气发生器联合转子。起动过程中，起动机带动燃气发生器运转，同时燃烧室内喷出的燃油被点燃后产生热量，压气机压缩空气进入燃烧室后受热膨胀，对燃气涡轮和自由涡轮做功，使发动机从停车状态加速到地面慢车状态的过程。
发动机在起动过程中一定转速时，如果对应燃油流量低于某一值，则会使转速下降或熄火；对应燃油流量大于某一值，则会使转速上升；对应燃油流量越大，T4温度越高，且转速上升越快。所以，发动机起动过程中需要一条匹配的供油规律曲线，保证发动机起动时转速能稳定上升，且不超温。
2.1 起动供油规律控制原理
某型涡轴发动机的起动供油规律主要靠机械式起动装置进行控制和调节，起动装置由起动燃油调节器和气压调节器组成，其作用是在发动机起动过程中，自动调节起动需要的燃油流量。起动燃油调节器和气压调节器并联安装在起动供油路上。其中，起动调节器通过感受发动机燃油出口压力与大气压力之差，自动调节起动供油量；气压调节器用于空中起动时，通过感受不同的大气压力，自动修正起动供油量。
2.2 供油规律给定
某型发动机在研制过程中，首先按起动过程油气比计算确定一条理论供油曲线。之后，在台架开展起动装置与发动机的匹配试验，试验过程中根据起动情况，对起动装置进行适当调整，直到发动机能满足冷、热起动要求。然后将起动装置返承制厂，在试验台进行性能附录。最后根据附录数据，确定了发动机起动供油规律。
起动装置新件首次装机后，大部分都需要进行一些调整后才能使发动机满足起动要求，该现象也说明目前给定的起动供油规律与发动机不是很匹配。
3 起动供油规律不匹配分析
3.1问题现象
发动机研制时，起动供油规律匹配试验的样本数和试验次数都比较少，正式批产交付时，由于产品制造偏差等因素，导致设计供油规律与该型发动机不是很匹配。所以，起动装置新件首次装机后，基本都要经过调整后才能使发动机起动成功。该发动机设计定型后，随着装机台数和使用频次的增加，起动问题逐步显现，起动成功率约90%左右，主要表现为起动供油规律与发动机不匹配：
起动初期，主燃油路无法点燃，或者点燃后熄火。
起动中后期，T4温度过高，造成超温停车。
3.2 原因分析
初期，主燃油路无法点燃，或者点燃后熄火。该问题主要原因是起动初始油量不足，导致甩油盘甩出的燃油无法被点火电嘴的火焰点燃。当大气温度较低或发动机长时间停放后起动时容易出现该类问题。
起动中后期，T4温度过高，造成超温停车。该问题主要原因是起动中期燃油流量过高，导致T4温度上升过快。当起动前T4余温较高时起动，容易出现这种现象。
因此，为解决发动机起动供油规律不匹配问题，需对现有起动供油规律进行修正，提高发动机起动成功率。
4 供油规律修正
4.1 供油规律修正方法
目前，较为有效的方法是通过起动匹配试验来确定起动供油规律。基于某型涡轴发动机现有的测试条件，通过对厂内交付新机以及外场发动机起动数据进行统计，经综合分析确定合适的供油规律。
1)统计外场发动机具体起动情况。
2)选择起动性能良好的发动机的起动装置返承制厂进行性能附录；
3)对比现有起动供油曲线，进行分析和计算，确定合理的供油规律曲线。
4.2 出厂发动机供油曲线统计
某型发动机新机交付前需进行起动试验,在试验过程中根据起动情况对起动装置进行适当调整,使发动机起动良好，确保冷、热机状态均能起动成功。统计发动机交付前起动装置调整情况，发现几乎所有起动装置装机后都进行了调整。为摸索出厂发动机实际起动供油曲线，对近两年交付的40多台发动机进行统计和复查，具体工作如下：
1)复查所有发动机起动试验记录，统计各发动机交付前所套起动装置调整螺钉的调整量。
2)复查所有起动装置验收试验数据，统计各起动装置新件交付时的供油曲线。
3)根据起动装置新件交付时的供油曲线和发动机起动试验中的调整量，计算出实际匹配后的供油曲线。
4)将所有发动机实际匹配后的供油曲线求均值，与现有供油规律进行对比。
4.3 外场发动机起动供油曲线统计
发动机交付用户使用后，外场使用环境相对台架来说更为恶劣，且变化范围也越大，外界条件的变化对发动机的起动会产生一定的影响。如出厂时起动供油曲线与发动机不是很匹配，外界条件一发生改变，就有可能会出现起动困难问题。
为此，对近两年内返厂检修发动机起动情况进行统计，共挑选出4台在外场起动表现良好的发动机，将其配套的起动装置返承制厂进行性能附录。再将该4台发动机供油曲线求均值，与现有供油规律进行对比。
4.3 综合分析
从出厂发动机和外场发动机供油曲线均值来看，与理论供油曲线相比，初始供油量基本与理论值相当，但整个供油规律曲线的斜率一般都比理论曲线小，中后期供油量大多比理论值小，且外场发动机趋势更明显。
根据起动问题实际情况和起动数据统计分析结果，确定了发动机起动供油曲线修正值，修正后起动供油规律见图1。
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图1 修正后的供油规律
4.5 试验验证
贯彻修正后起动供油规律的起动装置随3台发动机在台架进行长试，长试过程中共起动约5000次，成功率达到99.86%，初步验证修正效果良好。
5 结论
对于某型涡轴发动机在外场体现出的起动性能问题，本文基于场内台架起动装置与发动机匹配调整数据，以及外场使用返厂的起动装置性能复录数据，开展了分析研究，提出了起动供油曲线修正方法，经台架试验验证有效。该方法主要基于产品的试验数据进行统计、分析，适用于产品研制的后期以及定型后交付使用阶段，是一种修正起动供油曲线的有效措施。
参考文献：
[1]王云.航空发动机原理[M].北京:北京航空航天大学出版社，2009:207-223
[2]赵志华, 周人治, 黄金泉. 核心机地面起动供油规律快速确定方法[J]. 燃气涡轮试验与研究, 2014, (6).