辽油三高

工程与试验ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ＆ＴＥＳＴ

航空发动机“三高”启动试验研究

苗禾状 ，王朝蓬 ，朱哲 ，张晓飞

（１．中国飞行试验研究院，陕西西安７１００８９；２．中航工业黎明，辽宁沈阳１１００４３）

摘要：根据航空发动机地面启动的特点，分析了“三高”条件（高寒、高温及高原环境条件）对航空发动机地面启动

性能的影响。针对“三高”条件下航空发动机的启动特点，通过相关资料的查阅，提出了在进行上述试验时的试验方

法、注意事项及对发动机的调整措施，为设计及试验单位在进行“三高”启动试验时提供参考。

关键词：航空发动机；地面启动；高寒启动；高温启动；高原启动；试验

中图分类￣一－：Ｖ２３３．６ 文献标识码：Ｂ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４—３４０７．２０１５．０１．０１２

Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ Ｓｔａｒｔｉｎｇ ａｔ

Ｈｉｇｈ／Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ａｔ Ｐｌａｔｅａｕ

Ｍｉａｏ Ｈｅｚｈｕａｎｇ ，Ｗａｎｇ Ｚｈａｏｐｅｎｇ ，Ｚｈｕ Ｚｈｅ ，Ｚｈａｎｇ Ｘｉａｏｆｅｉ

（，．Ｃｈｉｎｅｓｅ ｒ＠ｈｔ Ｔｅｓｔ Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ，Ｘｉ’觎７１００８９，Ｓｈａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ；

２．Ａ ＶＩＣ Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｌｉｍｉｎｇ Ａ ｅｒｏ—Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ Ｌｔｄ．Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１００４３，Ｌｉａｏｎｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ ｇｒｏｕｎｄ ｓｔａｒｔｉｎｇ，ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈ／ｌｏｗ

ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｌａｔｅａｕ ｏｎ ｔｈｅ ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ ｇｒｏｕｎｄ ｓｔａｒｔｉｎｇ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ

ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ ｇｒｏｕｎｄ ｓｔａｒｔｉｎｇ ａｔ ｈｉｇｈ／ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ａｔ ｐｌａｔｅａｕ，ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ，ｐｏｉｎｔｓ ｆｏｒ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ

ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｄｅｐｌｏｙｍｅｍ ｆｏｒ ｅｎｇｉｎｅ ａｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｌｏｏｋｉｎｇ ｕｐ ｔｈｅ￣ｌａｔｅｄ ｄａｔａ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ

ｔｈｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｔｈｅ ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ ｇｒｏｕｎｄ ｓｔａｒｔｉｎｇ ａｔ ｈｉｇｈ／ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ａｔ ｐｌａｔｅａｕ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ；ｇｒｏｕｎｄ ｓｔａｒｔｉｎｇ；ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔａｒｔｉｎｇ；ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔａｒｔｉｎｇ；ｐｌａｔｅａｕ

ｓｔａｒｔｉｎｇ；ｔｅｓｔ

１ 引言

我国幅员辽阔，地势西高东低，包括了几乎所

有温带和亚热带的气候类型，地面环境温度也受不

同地区、四季和昼夜的影响差异很大。为满足飞机

远距离转场等需求，航空发动机在高寒、高温及高

原环境条件下应具有可靠启动的能力。高寒、高温、

高原启动试验也称为发动机环境试验，由于航空发

动机性能和工作特性对大气条件的变化十分敏感，

因此，“三高”试验是考核发动机对“三高”自然环境

的适应能力和承受能力，即“三高”条件对启动性

能、启动可靠性和稳定性的影响。为了充分考核发

动机的启动能力，ＧＪＢ ２４１Ａ一２０１０（航空涡轮喷气和

涡轮风扇发动机通用规范》Ⅲ和ＧＪＢ ２４３Ａ一２００４￣航

空燃气涡轮动力装置飞行试验要求》【２】等标准也对

发动机“三高”试验的考核提出了相应具体要求。

本文根据航空发动机地面启动的特点，分析了

“三高”条件对航空发动机地面启动性能的影响。针

对上述影响，通过查阅相关资料，提出了在进行上

述启动试验时的试验方法、注意事项及对发动机的

调整措施，为设计及试验单位在进行“三高”启动试

验时提供参考。

２航空发动机地面启动原理

发动机地面启动是指在启动系统控制下，使转

子由静止状态加速到慢车状态的过渡过程。一般情

［收稿日期Ｊ ２０１５—０１—１６

【作者简介】苗禾状（１９８４一），男，辽宁本溪人，硕士，工程师，毕业于哈尔滨工程大学航建学院，主要从事航空动力装置眭能特性试飞研究。

一３８—

苗禾状，等：航空发动机“三高”启动试验研究

况下，发动机的地面启动分为３个阶段［３］，如图１所

示。从图ｌ可见，启动机和涡轮发出的功率随转速

呈线性变化而发动机总消耗功率呈抛物线变化。

第１阶段（冷运转阶段）：从启动机开始带转至

燃烧室开始喷油、点火（即涡轮开始发出功率时），

启动机功率输出轴带动发动机高压转子旋转到接

近点火转速ｒＬ。。

第Ⅱ阶段（启动机与涡轮共同带转阶段）：从涡

轮开始做功（即燃烧室开始供油点火时）直至启动

机脱开，发动机转速由ｎ 上升至／７， 。当转子加速至

大于最小平衡转速ｎ （即Ｎｒ＝ＮＫ）后，涡轮发出功率

已大于压气机所需功率，此时启动机可以脱开。但

为了进一步保证启动的可靠性和缩短转子加速时

间，启动机将继续工作，与涡轮共同带转转子至转

速ｎ２。

第Ⅲ阶段（涡轮单独带转到慢车状态）：从启动

机脱开到转子加速到慢车状态，完全靠涡轮剩余功

率△＾ ＡＮｒ＝Ｎｒ－－ＮＫ）将转子加速到慢车转速。此时功

率达到平衡，即Ｎｒ＝ＮＫ，发动机便稳定在慢车状态。

图１启动三个阶段一启动功率与转速关系

注：ＮＫ为启动时压气机消耗功率， 为启动机

功率（克服压气机所需功率 后剩余的功率（图中

阴影区域））， 为涡轮发出的功率。

３ “三高＂条件对发动机地面启动性能影响

３．１高寒条件

高寒条件的特点主要是极低的环境温度对航

空发动机的启动装置、启动系统等的影响，如启动

系统输出功率的最低温度要求和不同牌号油料允

许的最低温度等。在一般的低温（一１Ｏ℃左右）下，对

启动没有负面影响，反而是有利的，因为一ＩＯ￣Ｃ左右

的发动机换算转速、空气流量和增压比都比较高，

有利于点燃，并使涡轮提早投人工作。因此，压气机

在较大的涡轮剩余功率下迅速加速，缩短了启动时

间。但是当温度≤一２０￣Ｃ，甚至达到．４０￣Ｃ左右时，不

利于启动的影响因素则上升到主导地位，其主要表

现是燃、滑油理化性能和启动系统功率变化对启动

性能的影响。具体影响如下：

（１）燃油粘度增大，不易点燃。高寒条件下，燃

料特性将改变，低温燃油粘度增大，流动性、挥发性

和雾化质量变差（油珠直径变大），油珠表面与空气

接触面积减少，油气混合不均匀，不利于启动时的

燃烧。

（２）对滑油特性的影响，主要表现在滑油的粘

度增大使滑油润滑特性恶化，这将使摩擦面间隙增

大，使摩擦阻力矩增加，进而增大了启动负荷。由于

阻力矩增大，启动机带转缓慢，使转子加速时间增

长。

（３）对启动系统的影响，高寒条件使启动系统

功率降低。因为气温过低，导致启动机电解液等温

度过低，电瓶内阻增加，造成输出功率降低，导致

Ｉ、ＩＩ阶段转子加速缓慢。

（４）对其它方面的影响。在高寒条件下，橡胶材

质密封圈等很容易失去弹性，严重的情况甚至可能

引起齿轮箱比其内部的齿轮收缩得更快，引起严重

的齿轮损坏。在高寒条件下，首次启动可能会引起

滑油压力“突升”，滑油压力的激增有可能会使油滤

壳体爆裂，并使滑油管产生裂纹。

３．２高温条件

通常来讲，发动机在高温条件较高寒、高原条

件容易启动。但是，由于启动时大气环境温度过高，

导致进入发动机的空气密度降低，使发动机启动时

吸人的空气质量流量变小，这在启动过程中极易形

成富油燃烧，导致启动时涡轮前温度升高，可能引

起压气机工作不稳定，甚至会出现“热悬挂”现象。

图２大气温度对启动时压气机流量特性的影响

从图２（低温为实线，高温为虚线）中可以看出，

大气温度变化改变了压气机流量特性，喘振边界、

共同工作线和特性线均发生位移，改变了稳定工作

一３９—

工程与试验

范围，喘振边界和共同工作线之间的空气流量Ｇ

范围变小了，这意味用空气流量定义的稳定工作裕

度变小了，严重的富油会使燃气温度急剧升高，造

成压气机喘振。

３．３高原条件

高原条件特点主要是因标高增加，空气稀薄，

空气密度和压力降低，使得启动时进入发动机的空

气质量流量减少，余气系数降低。在按平原启动供

油规律供油时，极易富油燃烧。富油将导致启动时

点火困难，严重时将导致点火失败后燃烧室出口和

涡轮后排气温度突生，造成发动机启动超温，压气

机向热边界和喘振边界方向工作，最终导致启动失

败。具体影响如下：

（１）涡轮功率小，转子加速缓慢，导致启动时间

长或失败。转速上升缓慢发生在自启动机脱开后至

转速加速至慢车，而且往往会发生转速“悬挂”现

象。因为，在高原条件下，大气密度和压力均降低，

发动机进口流量明显减少，这将造成涡轮功减小。

这时启动，虽因大气降低使压气机阻力矩减少，但

因涡轮剩余功率较小，带转压气机感到很“吃力”，

故转速增加缓慢，启动时间增长，甚至失败。另外，

启动燃油调节器感受场压和场温，当场压明显降低

而场温升高（高原夏季）时，启动燃油量将被调小，

也导致涡轮功率降低，所以高原夏季启动时间更

长。

（２）启动点火性能变差。高原条件，大气压力

低，燃油雾化质量差，所需点火能量增大。由于启动

时点火系统发出的点火能量是一定的，但是点火能

量与压力成反比，随着场压的降低，所需的点火能

量是增加的。因此，高原启动点火将受到点火能量

的限制。此外，高原条件压力低使燃烧室散热率增

大，燃烧室燃烧效率降低。

（３）发动机启动，排气温度难控制，易发生喘

振。由于高原条件下，发动机进口流量减少，发动机

启动供油控制十分敏感。为防止启动超温，启动过

程中人为或自动切油．。，如果切油量不够多，仍可能

超温或发生“热悬挂”或压气机喘振。如果切油过

多，将导致涡轮功率急降，转子不加速或加速缓慢、

启动时问增长。

４航空发动机“三高”启动试验

４．１高寒启动

文献［４］给出，我国最低地面环境温度为一５３￣Ｃ。

而在ＧＪＢ２４１Ａ－２０１０《航空涡轮喷气和涡轮风扇发

——４０——

动机通用规范》中，对发动机低温启动提出了相关

要求：使用要求规定的滑油工作的发动机，应在大气

环境温度．５４￣Ｃ中至少保温１Ｏｈ（且试验高度要求从

海平面到启动包线规定的最高高度）。

ＧＪＢ２４３Ａ－２００４（航空燃气涡轮动力装置飞行试验要

求》中规定了进行发动机低温启动试验的方法：在不

同大气温度条件下以及一３５＊Ｃ的极限温度（低温冷

冻１Ｏｈ）进行地面启动试验。

针对上述试验条件和方法要求，高寒条件对航

空发动机启动的影响，为了保证在上述条件下发动

机启动的可靠性，采用的方法通常是不加温直接启

动和加温启动。不加温直接启动主要是在高寒条件

下调整发动机启动控制规律，一般采取在涡轮后排

气温度还有很大余量的情况下，在启动机进行带转

时提高供油量［ ，以及增加启动机带转脱开时间等

措施。加温启动是指在高寒条件下通过采取上述不

加温措施，发动机仍不能直接启动，还可能带来常

温条件下启动超温等问题的情况下，对影响发动机

启动的滑油和燃油系统部件进行加温启动，并且根

据不同环境温度可以按不同加温时间进行【 。某型

发动机在一２８￣Ｃ条件下加温与不加温的启动对比见

图３

Ｔｏｅｎ 。’ 。 一

ｊ 一一一一一一

Ｐｏｂｏ ｊ，，一一一■ ＿＿＿＿＿＿

（ＭＰａ Ｌ 一一 ～

Ｌ 厂。 一

㈤

Ｎｐ ｉ 夕 ——

一

一～一

图３环境温度为一２８￣Ｃ时加温与不加温地面启动对比

注： 为滑油温度； 。为滑油压力； 为燃气

发生器转速； 为动力涡轮转速； 为动力涡轮扭

矩。

４．２高温启动

文献［４］给出，我国最高地面环境温度为５０￣Ｃ。但

是实际情况下，通常飞机要在机场上暴晒若干小时

后才进行启动，启动时，发动机舱温度将远远高于

当时地面的环境温度。而在ＧＪＢ２４１Ａ一２０１０中，按极

工程与试验

发动机启动的影响，可以通过调整发动机供油量、

加温燃油和滑油系统主要部件、增加启动机功率等

方法措施，来提高航空发动机在上述条件下启动的

成功率。

参考文献

［１】国防科学技术工业委员会．ＧＪＢ２４１Ａ一２０１０航空涡轮喷

气和涡轮风扇发动机通用规范［Ｓ］．２０１０．

【２］国防科学技术工业委员会．ＧＪＢ２４３Ａ一２００４航空燃气涡

轮动力装置飞行试验要求【ｓ】．２００４．

［３１３李树人．航空燃气涡轮发动机工作特性试验分析【Ｍ】．西

安：飞行试验研究院，２００８．

［４］中华人民共和国航空航天部．ＨＢ５６５２．１气候极值大气温

度极值【ｓ］．１９８７．

【５】张媛，等．某型涡轴发动机地面低温启动技术研究［Ｊ１．航空

发动机，２０１１．

［６］何立明．飞机推进系统原理［Ｍ］．北京：国防工业出版社，

２００６．

（上接第１６页）

一温度时，电桥输出电压发生变化。若以此电压变

化量假设为机械应变，那么根据关系链，就会计算

出一系列的参数，包括应变、应力和载荷。由此得出

的载荷，就是该温度下的虚假载荷，就是所谓的载

荷修正量。

表２给出了不同温度下的载荷修正值，图９给

出了载荷随温度的修正曲线。

表２不同温度下的载荷修正量

种温度造成的载荷误差跟设计值相比，其相对误差

最大为２％，是非常小的。因此，当Ｍｚ载荷较大时，

这种误差不大。

（２）当所测Ｍｚ载荷较小时，比如弯矩低于

１００Ｎ・ｍ，这时误差就达到１０％了，相对较大，此时

就需要进行修正了。

（３）嘶、Ｔ／、 三个桥的载荷修正量都很小，在

今后的飞行试验数据处理中，可以忽略。

因此，温度对载荷误差的修正，要根据实测载

荷的量级决定。

一６０ １．２１０８７６９８１～１０・２８３６１０７９３—１．６１３３９０３４６＿１．４９７９６１４１３ ５结论

一４０ ０．８ｌ８６４８７９９—６．１８１５４２９４４—１．１５９４５９９７４—０．４５５２５２４１４

—２０ ０．６７６７９７４７ —４．５８８６０Ｏ９６９—１．０３５ １２９２９４ ０．０ｏ２６７３４６２

０ ０．８８２３８５３８６ —１．７ ｌ９７８４８７５—０．６５６２９０８９２ ０．３２９０４１４９７

综上所述，可以得出以下结论：

（１）理论上，电桥是温度自补偿的，但实际上，

温度对电桥输出还是存在影响的，这种影响对最终

的结果产生的误差精度有多少，需要进行温度试验

才能确定。因此，进行温度试验是非常必要的。

（２）Ｍｒ、Ｔ／、 三个电桥的温度补偿效果很好，

产生的载荷误差很小，可以忽略不计。

（３）Ｍｚ电桥的载荷误差要根据其量级进行修

正。载荷量级较大时可以忽略，但是较小时，需要根

据参考曲线进行修正。

以上结论，对ＡＰＵ转轴的载荷飞行试验具有

重要的指导意义和参考价值。

图９载胥随温度修正曲线

参考文献

通过以上数据可以看出：

（１）虽然前面所提到的 电桥温度补偿效果 ［１］材料力学［Ｍ］．

不是很好，但是算下来载荷修正量最大值为一１Ｏ．２８ ［２】应变片电测技术［Ｍ］．

（Ｎ・ｍ），而弯矩载荷的设计值为Ｍ＝５００（Ｎ・ｎ１），这 ［３１材料力学测试原理及实验［Ｍ］

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