民航飞机发动机起动系统浅析

梁成涛

关键词：飞机发动机；起动；故障

1发动机起动系统概述

起动系统是用来使发动机从静止状态过渡到稳定的慢车转速工作状态，它包括调动转子由静止状态逐步加速到一定转速和向燃烧室供入燃油并点燃，形成连续的燃烧过程两部分。起动系统通常包括：起动机、起动燃油系统、起动点火系统、自动装置等部分。发动机在地面起动时必须依靠外界动力源，因为这时没有空气流过发动机，如果向燃烧室喷油点火只能将发动机烧伤而转子不会动起来。只有达到一定转速后，燃烧室内的气流才能建立起稳定燃烧所需要的气流压力和温度。起动系统的功用是：在地面和空中自动起动发动机；在地面冷运转发动机；在起动的任意时刻中断起动。起动机是起动系统的主要部件，在发动机起动时带动发动机高压转子和发动机附件转动。

2空气涡轮起动系统

发动机起动方式主要有电起动和涡轮起动方式。对起动机的主要要求是：尺寸小、质量轻、可靠程度高，以及短时间能产生大功率。起动机的输出功率从几十千瓦到几百千瓦。目前，150座级民航飞机所使用的涡扇发动机通常采用空气涡轮起动机。

传统的空气涡轮起动系统如图1所示，空气涡轮起动机(ATS)安装在发动机的附件齿轮箱上(AGB)，并配有起动空气活门(SAV)和相应管路。发动机起动时需要从地面气源车、APU或发动机交叉引气来提供压缩空气驱动ATS。ATS带动发动机起动，当发动机转速达到脱开转速后，发动机自行运转。此时SAV关闭，并且ATS同附件齿轮机匣(AGB)脱开，ATS在飞行中将不再使用。目前150座级民航飞机所使用的涡扇发动机均采用空气涡轮起动。空气涡轮起动机结构如图2所示。

3发动机起动过程

在发动机地面起动时，驾驶员将油门杆推至“慢车”位置，按下启动按钮后，自动起动器按事先设定的时间顺序，完成下述发动机起动过程，包括：

第Ⅰ阶段

转速由零到涡轮开始产生功率的转速n1，发动机完全由起动机带动加速。在这个阶段的末尾n1转速下，起动系统向燃烧室供油、起动点火，燃烧室开始工作。一般n1=(0.08~0.12)nmax。

第Ⅱ阶段

由涡轮开始产生功率的转速到起动机脱开的转速是起动过程的第Ⅱ阶段。在这个阶段，起动机与涡轮的扭矩之和驱动发动机加速，涡轮前总温通常保持为最大值。当转子加速到转速np时，理论上可以脱开起动机，但是为了增加可靠性和缩短起动时间，一般到转速n2才脱开起动机。转速n2大约为n2=(0.2~0.3)nmax。

第Ⅲ阶段

由起动机脱开转速n2至慢车转速nidle（当涡轮发出的扭矩等于转子阻力矩时即慢车转速）是起动过程第三阶段，转子加速完全靠涡轮剩余功率。涡轮发动机的慢车转速nidle主要根据地面条件下对慢车推力的要求（一般不超过最大推力的3%~4%）选定。通常nidle=(0.24~0.4)nmax。此时起动过程结束。

起动机脱开过早或过晚都不适宜，过早脱开会由于加速力矩小而延迟起动时间甚至造成发动机停车。过晚则要求起动机有很大功率。

对于双转子发动机，起动时只需带转一个转子，另一个转子将由气动联系而转动。

4发动机起动一般的常见故障

热悬挂通常航空发动机在进入第二阶段后，如果供油量增加过快，可出现排气温度过高现象，这时发动机转速增加相对较慢。发动机空气流量偏小油气比过大，受排气温度限制不得不终止起动。否则会使涡轮叶片过烧。通过调节加速调节器，减少供油量，可有效地排除故障。

冷悬挂航空发动机的热悬挂相反，如果起动过程中供油量偏小，排气温度过低，涡轮前温度低的情况下涡轮功率很小，这样在第二阶段后不能保证转子转速所需的剩余功率，同样在规定的时间内不能达到慢车转速，通过调整起动调节器和加速调节器，使供油量在起动过程中适度增加，即可排除故障。

起动超温、超时该故障指的是，尽管未出现冷悬挂现象，但是由于起动过程中油气比不合格，也会使发动机出现起动过程中的峰值温度超出规定或起动时间超出规定的现象。一般来说，通过正确调整参数即可解决问题。

5大气温度对发动机起动参数的影响

发动机起动排气温度与大气温度的关系按温度相似准则，发动机在起动过程中排气温度的峰值随大气温度的提高而提高，因此如果大气温度过高，排气温度将有最高限制，否则将会使涡轮叶片过烧。

发动机起动时间的温度特性发动机起动过程中的供油特性确定以后，由于发动机的进口温度不同，发动机空气实际流量不同，压气机功率也不同，所以起动时间随大气温度而变化。大气温度高起动时间长，这是由于高温气体更难压缩引起的。

本文针对民航发动机起动过程以及常见故障的分析，理论与实践相结合，加强对于发动机起动全过程的了解和认识，提高起动效率。

参考文献：

[1]张津，洪杰，陈光.现代航空发动机技术与发展，2006.12

[2]郭海红，潘旭，张志舒.非标准大气条件下航空发动机地面起动性能.航空动力学报，2013.06

[3]刘建军.大涵道涡扇发动机起动技术研究.中国航空学会2007