航空燃气涡轮发动机的起动.docx

航空燃气涡轮发动机的起动燃气涡轮发动机的起动系统启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 对一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广泛应用的起动机有以下几种类型1）电起动机由机上电瓶或地面电瓶供电，起动过程结束后，电起动机就由发动机带动作 为发电机使用这种起动机的优点是结构简单、尺寸小和起动准备容易缺点是在较短时间内 允许的再起动次数有限（3—5 次），受外界条件的影响较大，当外界条件变化使电瓶电压下降时， 就不易起动2）燃气涡轮起动机适用于起动功率高的大型发动机其优点是在质量和尺寸较小的情况 下能产生较大的起动功率，并且可以多次起动由于这种起动机本身是一种小型燃气涡轮发动 机，所以它还需要起动机（一般用电起动机）这样使结构复杂，起动时间长3）冷气涡轮起动机由飞机上或地面压缩空气吹动冷气涡轮旋转，再经减速器带动发动机 转子这种起动机本身的质量小，但压缩空气的消耗量很大。

以上几种起动机的重度（不包括设备重量）大致如下：电起动机 14—20 N/kW燃气涡轮起动机 9—12 N/kW冷气涡轮起动机 9—12 N/kW 以上几种起动机轴上的扭矩与发动机的转速非常接近汽线关系，即起动过程大致是如下的 情形：Mct~Mct 0~An式中 Mct0――转速为零时的起动机扭矩；’n——发动机转速；A――与起动机类型有关的常数第I阶段转速由零到涡轮开始产生功率的转速幻，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）nmax1 1 max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）n 2 2 max第III阶段由起动机脱开转速n2至慢车转速n.dl （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n血主要根据地 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n.dl =（0.24〜0.4） n idle max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涡扇10就碰上过最难啃的“小发提前脱开”这块硬骨头！民用航空发动机启动一、飞机发动机的启动航空燃气涡轮发动机的结构和循环过程， 决定了它不能像汽车发动机那样自主的点火起 动因为，在静止的发动机中直接喷油点火，因为压气机没有旋转，前面空气没有压力，就不 能使燃气向后流动，也就无法使涡轮转动起来，这样会烧毁燃烧室和涡轮导向叶片所以，燃 气涡轮发动机的起动特点就是：先要气流流动，再点火燃烧，也即是发动机必须要先旋转，再 起动这就是矛盾，发动机还没起动，还没点火，却要它先转动根据这个起动特点，就必须 在点火燃烧前先由其他能源来带动发动机旋转在以前的小功率发动机上，带动发动机到达一 定转速所需的功率小，就采用了起动电机来带动发动机旋转，如用于国产运-7，运-8 飞机的涡 桨 5 、涡桨 6 发动机但是随着大推力发动机的出现，用电动机已无法提供如此大的能量来带 动发动机，达到点火燃烧时的转速了，因此需要更大的能源来带动发动机，这时，采用APU, 产生压缩空气，用气源代替电源来起动发动机成为了现在所有高涵道比发动机的起动方式。

二、压缩空气的来源毫无疑问，压气机是压缩空气最好的来源采用涡轮带动压气机就可以连续不断的提供飞 机所需要的压缩气源而由于这个燃气涡轮装置提供的气源只要能满足发动机起动的需要就可 以了，所以功率、体积相比发动机要小得多，这就使这套燃气涡轮装置可以采用电动机来起动 然后再由这套燃气涡轮装置产生压缩空气来起动发动机，这样就解决了发动机起动时需要大的 能量的问题这套燃气涡轮装置被称作APU（Auxiliary Power Unit辅助动力装置）APU 的作用是向飞机独立地提供电力和压缩空气，也有少量的 APU 可以向飞机提供附加 推力飞机在地面上起飞前，由 APU 供气来启动主发动机，从而不需依靠地面电、气源车来 发动飞机在地面时 APU 提供电力和压缩空气，保证客舱和驾驶舱内的照明和空调，在飞机 起飞时使发动机功率全部用于地面加速和爬升，改善了起飞性能降落后，仍由APU供应电力 照明和空调，使主发动机提早关闭，从而节省了燃油，降低机场噪声通常在飞机爬升到一定高度（5000 米以下）辅助动力装置关闭但在飞行中当主发动机空 中停车时，APU可在一定高度（一般为10000米）以下的高空中及时启动，为发动机重新启动 提供动力。

辅助动力装置的核心部分是一个小型的涡轮发动机，大部分是专门设计的，也有一部分由 涡桨发动机改装而成，一般装在机身最后段的尾锥之内，在机身上方垂尾附近开有进气口，排 气直接由尾锥后端的排气口排出 发动机前端除正常压气机外装有一个工作压气机，它向机身 前部的空调组件输送高温的压缩空气，以保证机舱的空调系统供给，同时还带动一个发电机， 可以向飞机电网送出115V的三相电流APU有自己单独启动电动机，由单独的电池供电，有 独立的附加齿轮箱、润滑系统、冷却系统和防火装置它的燃油来自飞机上总的燃油系统APU 是动力装置中一个完整的独立系统，但是在控制上它 和整架飞机是一体的它的控 制板装在驾驶员上方仪表板上，它的启动程序、操纵、监控及空气输出都由电子控制组件协调， 并显示到驾驶舱相关位置，如EICAS的屏幕上现代化的大、中型客机上，APU是保证发动机空中停车后再启动的主要装备，它直接影响 飞行安全APU又是保证飞机停在地面时，客舱舒适的必要条件，这会影响旅客对乘机机型的 选择因此APU成为飞机上一个重要的不可或缺的系统如果飞机APU故障，那么就只能靠地面电源车和高压气源车来提供三、起动过程发动机的起动过程是一个能量逐级放大的过程。

先由蓄电池提供电源给APU起动机，带动 APU转子旋转；APU达到起动转速后喷油燃烧，把燃料提供的化学能转变为涡轮的机械能，并 通过压气机把机械能转换为空气的压力能由于燃料的加入，APU产生的压缩空气的能量已远 远大于蓄电池的能量最后，发动机上的空气涡轮起动机把APU空气的压力转化为带动发动机 核心机转子旋转的机械能，在达到发动机起动转速时喷油点火，最终靠燃料的化学能使发动机 进入稳定工作状态所以，在整个起动过程中，带动发动机核心机旋转的大能量，从很低的蓄 电池能量，通过燃料的加入，一步步升了起来，就像三峡大坝的梯级船闸这就是APU的好处： 飞机本身只需要携带一个能量很低的、充足了电的蓄电池，通过APU就能够自主的完成发动机 的起动，而不再依赖于地面设备来起动发动机四、 APU的特点APU 和发动机一样，都是燃气涡轮装置，但它们的目的不同，这是个很大的区别，发动机 用于产生推力，而APU不需要产生推力，它主要用来提供气源，还有电源气源除用于发动机 起动，还为飞机的空调系统供应连续不断的空气这个特点使APU不同于发动机它要求APU 在设计时，使涡轮产生的机械能主要通过压气机转换为空气的压力能，还有一部分机械能通过 齿轮传递给发电机以产生电能，而不是向后喷出产生推力。

所以，能量分配的不同，是APU和 发动机的主要区别五、 APU的工作和发动机的工作的不同APU的工作状态很简单，在起动过程完成之后，就进入了稳定工作状态，即转速维持不变 而发动机却需要依据飞行情况不断的改变转速和推力 APU 的工作状态决定了 APU 的工作特 点：保持转速不变引气是APU的目的，就是把APU压气机产生的压缩空气引出去给飞机的 空调系统和发动机起动由于引气，使APU的功率要受引气的影响，这就和APU的工作状态 要求转速保持不变产生了矛盾，下面将讲诉这个问题六、 APU的发展早期的APU像发动机一样，气流从进气口先通过压气机，再到燃烧室和涡轮，最后从喷口 喷出气流像一条线一样流动，没有岔路，串联起了压气机和涡轮如波音737的APU这个 设计有个缺点，就是在给发动机引气以起动发动机时，由于负载突然变得很大，会使APU的转 速发生大的变化，而自动调节器为维持APU转速的不变，会大幅增加供油量，使温度有大的升 高，这对APU不好现在的APU,普遍采用进气分流，增加了负载压气机这个结构的特点 是：进气道进来的气流分成两股，一股进入正常的增压压气机和涡轮，主要用来带动APU旋转， 然后气流从喷口喷走，它是APU的功率部分；而另一股气流进入负载压气机，这部分气流由负 载压气机增压，专门用于产生供飞机使用的压缩空气。

在这股气流 的进口有流量调节活门（进 口导流叶片），它根据飞机对压缩空气的需求，实时的对活门（叶片）开度进行调节，来控制进 入负载压气机空气的多少这个设计使APU的负载部分和功率部份分开了，因此在大量引气时 也不会造成APU功率部分转速和温度大的波动，这有助于增加APU的寿命独立的负载部分 和功率部分是现在 APU 的特点注明一点，负载压气机依然由涡轮通过传动轴带动，说它独 立是指气流分别进入两个部分，不再相干军用发动机的起动有的用电动启动机，如涡喷-7 发动机（歼-7 飞机的发动机） 有的用燃气涡轮起动机，如涡喷-8（轰六的发动机），燃气涡轮起动机实际上就是一台小涡 轮轴发动机，由于这种起动机本身是一种小型燃气涡轮发动机，所以它还需要起动机（一般用电 起动机）军用航空发动机上的APU就是一个燃气涡轮起动机附气源车（air st ar t unit 缩写 ASU）如果APU故障，则需要外界引气，也就是一般说的气源车来起到提供压缩空气的作用在 飞机机体左侧有外接气源接口，气源车通过大管子把压缩空气供给给飞机电源车如果APU故障，则需要外界给飞机供电电源车的外来电源，会启动飞机上的小发（又叫 小三发，其实就是一种小发动机），小发转动起来后，产生的强大气流会输送到客机的一个发动 机上，吹动发动机的转子旋转，这个过程叫做引气。

发动机转子旋转到一定程度以后，开始喷 油，发动机正常工作，一个发动机被启动成功，其余的发动机依次同理全部发动机启动后， 小发就停止工作了电源车这时离开启动过程在发动机的风扇后面五点半的位置有一台气动起动机，右侧三点钟位置有两个点火盒，用 来把来自飞机电源的 115V 交流电变成一万五到两万伏的高压直流电，燃烧室左右各一个点火 点嘴，用来产生电火花启动过程是这样，准备完毕后，驾驶舱里发动机控制旋钮放到点火起动位，主电门提到起， 信号传到发动机控制组件ECU, ECU会控制燃油系统，打开供油通道，同时引气压力全部用来 起动发动机，否则可能导致压力不够而起动失败，这时飞机的空调会停止工作，高压引气由引 气管路传到起动机，带动起动机转动，再由起动机经发动机的附件齿轮箱和传输齿轮箱带动发 动机的N2转子，并且开始加速，当发动机的N2转子转速达到16%时，再由ECU控制两个点 火盒，选择其中一个通电点火转速达到22％时，燃烧室周围的一圈燃油喷嘴开始喷油，燃烧 室开始工作，发动机转速继续增加，这个。