民用飞机空气起动系统性能评估方法
民用飞机空气起动系统性能评估方法
Performance Evaluation Method of Civil Aircraft Air Assisted Starting System
作者: 曾涛上海飞机设计研究院，上海 201210通讯作者. Tel.: 021-20866976 E-mail: zengtao@comac.cc曾涛（1985- ）男，硕士，工程师。主要研究方向：民用飞机动力装置集成设计，发动机性能设计，起动系统设计。Tel: 021-20866976E-mail: zengtao@comac.ccShanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, ChinaCorresponding author. Tel. : 021-20866976 E-mail: zengtao@comac.cc
Author: ZENG Tao
关键词：民用飞机;起动系统;空气起动;性能评估;辅助动力装置
Keywords：civil aircraft;starting system;air assisted starting;performance evaluation;APU
摘要：根据民用飞机起动系统设计特点，分别给出了起动轴功率检查和起动机进口参数检查2种起动性能评估方法，并对2种方法进行了对比，起动轴功率检查方法可以直接反映起动机轴功率的设计状态；而起动机进口参数检查方法可以直接反映出起动关键参数（流量、总温和总压）的设计状态。最后，以某型辅助动力装置供气的起动性能计算为例验证了基于起动机进口参数的计算方法。
Abstract：Based on starting system schematic and civil aircraft design characteristics, two performance evaluation methods were provided. One method is focusing on starter power, and the other is focusing on bleeding parameters of starter inlet. The starter power method is capable of indicating the design status of starting energy, while the bleeding parameter method is capable of indicating the status of key starting parameters(mass flow, total temperature and total pressure). An example of APU bleeding starting performance evaluation using bleeding parameter method was also included in the paper. According to the experience of a certain domestic aircraft, both methods can be used in starting system design.
引用格式：ZENG Tao. Performance evaluation method of civil aircraft air assisted starting system [J]. Aeronautical Science & Technology, 201５,26(02):43-46. 曾涛. 民用飞机空气起动系统性能评估方法[J].航空科学技术,2015,26(02):43-46.
起动系统性能评估的目的是对起动系统能否在所有设计状态下保证发动机成功起动进行确认。本文参考相关设计规范和民用飞机起动系统设计经验，分别说明了起动轴功率检查和起动机进口参数检查2种起动性能评估方法。
1 空气起动系统概述
起动系统是保证发动机在所有需求状态下，安全可靠地加速到慢车状态的系统[1]。目前，民用飞机发动机起动系统主要采用空气起动系统。空气起动系统构架如图1所示。起动气源来自地面气源车、辅助动力装置（APU）或另一台已运行发动机。气源提供高压气体，高压气体经过管路、阀门等设备到达空气涡轮起动机，气体膨胀做功驱动起动机。起动机获得动能，进而通过附件齿轮驱动发动机加速转动直至慢车。
图1 空气起动模式示意图 Fig.1 Air assisted starting system schematic
2 空气起动系统工作原理
空气起动系统的工作实质是通过空气涡轮起动机将起动供气的气体内能转化为空气涡轮起动机的起动轴功率，在起动轴功率足够的情况下，起动机带动发动机克服起动阻力加速到达慢车状态。
起动机的功率公式如式（1）所示[2]：
式中：PATS为起动机功率，单位kW；Wcor为起动机折合流量，单位kg/s；Tt为起动机进口总温，单位K；PSout为起动机出口静压，单位Pa；Pt为起动机进口总压，单位Pa；η为起动机效率。
3 空气起动系统性能评估方法
3.1 起动轴功率检查方法
传统的起动系统性能计算是基于起动机轴功率的匹配检查，一般计算步骤如下[2,3]：
（1）对给定的高度和大气温度按照起动气源工作特性线选定不同的流量点，并确定对应流量点的总温、总压值；
（2）确定起动气源至空气涡轮起动机的沿程损失数据，包括流量损失、总压损失和总温损失；
（3）对应选定的多个流量点，基于气源参数和沿程损失数据计算得出空气涡轮起动机进口的空气参数，包括流量、总压和总温；
（4）基于空气涡轮起动机换算流量不变的特性，通过换算流量确定流经空气涡轮的物理流量；
（5）按物理流量确定“气源-沿程管路-起动机”系统流经起动机的共同工作点参数，包括总温和总压；
（6）根据起动机功率式（1）计算得到起动机轴功率；
（7）确定发动机起动机过程所需功率；
（8）对比起动机功率和发动机起动需求功率得到起动性能评估结果。
3.2 起动机进口参数检查方法
现代民用飞机一般采用“主制造商-供应商”模式，起动机气源、沿程管路和发动机（包括起动机）作为独立的子系统分别由不同的供应商提供给飞机制造商进行系统集成。为满足各子系统间接口设计的需求，对传统的起动功率检查方法进行了修改和简化，采用基于起动机进口参数的起动性能计算方法，一般步骤如下：
（1）～（5）步骤与3.1节相同；
（6）确定发动机起动对空气涡轮进口处流量、总温和总压的需求；
（7）对比起动机进口处的实际气体参数和起动需求参数，得到起动性能评估结果。
3.3 方法对比
起动轴功率检查方式和起动机进口参数检查方式从本质上都是对起动系统共同工作点下的起动能量进行检查，因此，计算起动系统共同工作点的（1）～（5）步骤是相同的。两者的区别在于起动能量的检查方法，基于起动轴功率的方法是直接对起动机功率和发动机功率需求进行对比，而基于起动机进口参数的方法将起动功率转化为起动机进口处的流量、总温和总压以进行检查。
在民用飞机起动系统的集成设计中，涉及起动气源、沿程管路设备和发动机（包括起动机）等多个子系统的集成设计。起动轴功率检查的方法可以直接确定起动性能匹配结果，但无法反映不同子系统间的接口参数关系；而采用起动机进口参数检查的方法在确定起动性能匹配结果的同时可以反映出各关键参数（流量、总温和总压）的设计状态，便于开展各子系统间的接口设计，也可为设计检查和设计问题处理提供直接参考。此外，起动机进口参数检查方法不需要计算起动机功率，对设计工作量有一定程度的简化，在具体设计中，可根据需求综合使用两种评估方法。
4 计算实例
在某型客机的起动系统设计中，综合采用了基于起动机轴功率和基于空气起动机进口参数的两种起动性能计算方法。设计经验表明，起动机进口参数检查方法可以较直接地反映设计参数的匹配问题，有助于设计集成问题的解决。
本文以APU供气起动为例说明起动机进口参数检查方法计算过程。首先选定运行条件，例如海平面，高温（ISA+55℃），地面起动。其次选择多个物理流量点，利用APU性能程序得到各选定流量点对应的总温和总压，如图2、图3所示。
图2 APU供气总压 Fig.2 APU bleeding total pressure
图3 APU供气总温 Fig.3 APU bleeding total temperature
随后确定APU供气出口至发动机起动机入口的沿程损失，并将图2、图3的APU供气性能与沿程损失数据联立，得到空气涡轮起动机入口处的供气性能数据，如图4、图5所示。
图4 起动机进口处供气总压 Fig.4 Starter inlet total pressure
图5 起动机进口处供气总温 Fig.5 Starter inlet total temperature
图6 起动系统共同工作点（总压）Fig.6 Match point of starting system(total pressure)
图7 起动系统共同工作点（总温）Fig.7 Match point of starting system(total temperature)
由于空气涡轮起动机折合流量一定，根据折合流量公式计算出流经起动机的物理流量，确定起动系统共同工作点，如图6、图7所示。
基于共同工作点在起动机入口供气性能曲线上得到起动机入口的供气参数（包括总温、总压）。
根据起动机时间和发动机设计特征确定发动机起动对起动机入口的流量、最小总温和最小总压要求。
将起动机入口的流量、总温、总压与起动机入口的起动需求进行对比。若流量、总温和总压三个条件都满足，则可确定起动性能满足设计目标。若出现参数不足，可针对气源、沿程损失和发动机需求进行设计调整，直至满足设计目标。
5 结论
民用飞机空气起动系统性能评估需综合考虑起动供气源、沿程损失和发动机起动需求三方面的因素。本文基于民用飞机设计特点，分别给出了起动轴功率检查和起动机进口参数检查两种起动性能评估方法。起动轴功率检查的方法，可以直接反映起动机功率是否满足发动机需求；起动机进口参数检查的方法，可进一步反映出起动关键参数（流量、总温和总压）的设计状态，便于系统集成过程中的参数检查和设计调整。在民用飞机空气起动系统的集成设计中，两种方法可以根据需求结合使用。
参考文献
[1]$$$ SAE ARP 949. Turbine engine starting system design requirements [S]. 1999.
[2] 航空发动机设计手册编委会.航空发动机设计手册第14分册[M].北京:航空工业出版社,2002.
Aero engine design manual editorial board. Aero engine design manual Volume No.14 [M]. Beijing: Aviation Industry Press, 2002.(in Chinese)
[3] SAE AIR 1087B. Aircraft accessory drag torque during engine starts[S]. 1999.