直升機(jī)旋翼剎車起動(dòng)應(yīng)用淺析

楊 波 樊曉鋒

（1.中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn)333001；2.西藏軍區(qū)航空保障處，西藏 拉薩850000）

0 引言

直升機(jī)采用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，主要通過傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)旋翼和尾槳旋轉(zhuǎn)。正常起動(dòng)時(shí)，旋翼會(huì)隨發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)同步旋轉(zhuǎn)。在某些場(chǎng)景下，如強(qiáng)風(fēng)環(huán)境、狹小空間等，為了保證安全，直升機(jī)被限制起動(dòng)，這極大地限制了直升機(jī)的使用和維護(hù)。為滿足直升機(jī)在特殊情況下的使用、維護(hù)以及任務(wù)需求，部分直升機(jī)設(shè)有一種旋翼剎車起動(dòng)模式，該模式能夠在剎住旋翼的情況下起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

從起動(dòng)過程來看，直升機(jī)旋翼剎車起動(dòng)可分為兩個(gè)階段。第一階段為剎車發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)階段。該階段旋翼被剎車裝置制動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)按照預(yù)設(shè)的控制程序起動(dòng)并加速到穩(wěn)定狀態(tài)。第二階段為松剎旋翼加速階段。該階段發(fā)動(dòng)機(jī)已成功起動(dòng)并穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)松開旋翼剎車，旋翼在發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩作用下快速加速到慢車額定轉(zhuǎn)速。由于剎車裝置松開之前發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)具備了一定的扭矩輸出能力，因此與正常起動(dòng)相比，采取旋翼剎車起動(dòng)模式，旋翼擁有更高的加速度和更短的起動(dòng)時(shí)間。

本文介紹了旋翼剎車起動(dòng)的原理及應(yīng)用，并結(jié)合某型直升機(jī)旋翼剎車起動(dòng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過對(duì)比分析給出了旋翼剎車起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和旋翼的特點(diǎn)。

1 旋翼剎車起動(dòng)原理

典型單轉(zhuǎn)子航空渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪由燃?xì)鉁u輪和動(dòng)力渦輪兩部分組成。前端燃?xì)鉁u輪帶動(dòng)壓氣機(jī)工作，共同構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子。后端動(dòng)力渦輪通過傳動(dòng)與旋翼、尾槳機(jī)械連接，驅(qū)動(dòng)旋翼、尾槳做功。燃?xì)鉁u輪與動(dòng)力渦輪之間無機(jī)械連接。正常情況下，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中，燃燒后的高溫高壓燃?xì)馔苿?dòng)燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)也推動(dòng)動(dòng)力渦輪做功，而動(dòng)力渦輪與旋翼機(jī)械相連，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中，旋翼會(huì)隨發(fā)動(dòng)機(jī)同步運(yùn)轉(zhuǎn)加速。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功后旋翼和動(dòng)力渦輪將穩(wěn)定在一個(gè)相對(duì)恒定的慢車狀態(tài)上。

根據(jù)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)特點(diǎn)，直升機(jī)可設(shè)旋翼剎車起動(dòng)系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前，首先采用旋翼剎車裝置對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行制動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中，前端燃?xì)鉁u輪帶動(dòng)壓氣機(jī)工作，而后端動(dòng)力渦輪連同旋翼、傳動(dòng)在剎車裝置的制動(dòng)作用下保持靜止。待發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)起動(dòng)完成并穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后，松開旋翼剎車裝置，此時(shí)動(dòng)力渦輪失去制動(dòng)作用，在高壓燃?xì)獾淖饔孟卵杆偌铀俚筋A(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速，完成直升機(jī)旋翼起動(dòng)。

2 旋翼剎車起動(dòng)的應(yīng)用

直升機(jī)旋翼剎車起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)過程中，旋翼處于不運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此這種發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式適用于直升機(jī)和渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在特定場(chǎng)景下的維護(hù)。比如，發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)施壓氣機(jī)清洗后進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)烘干，以及直升機(jī)處于艦面、機(jī)庫等狹小空間，旋翼不具備運(yùn)轉(zhuǎn)條件時(shí)，均可采用旋翼剎車起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

另外，直升機(jī)旋翼剎車起動(dòng)適用于強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下的直升機(jī)起動(dòng)。在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下，尤其是陣風(fēng)環(huán)境，隨著風(fēng)速的增加，旋翼槳葉受陣風(fēng)影響上下?lián)]舞。旋翼在低轉(zhuǎn)速時(shí)，槳葉的旋轉(zhuǎn)離心效應(yīng)不足，揮舞程度更加劇烈，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致槳葉損壞甚至與機(jī)身干涉。直升機(jī)起動(dòng)初期，旋翼在低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間過長，會(huì)增加旋翼損壞的風(fēng)險(xiǎn)。因此，強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下，直升機(jī)采用旋翼剎車起動(dòng)，旋翼在加速初期具備相對(duì)較大的加速度，旋翼起動(dòng)時(shí)間更短，可以在一定程度上降低起動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。目前國內(nèi)外直升機(jī)起動(dòng)風(fēng)速限制一般在15 m/s，采用旋翼剎車起動(dòng)一般可將風(fēng)速限制提升至20 m/s以上。

3 某型直升機(jī)旋翼剎車起動(dòng)分析

以某型直升機(jī)為研究對(duì)象，采用正常和旋翼剎車兩種狀態(tài)，進(jìn)行該直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和旋翼起動(dòng)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程分為三個(gè)階段[1，2]：

（1）起動(dòng)機(jī)帶動(dòng)燃?xì)獍l(fā)生器運(yùn)轉(zhuǎn)階段。

（2）起動(dòng)機(jī)和燃?xì)鉁u輪共同帶動(dòng)壓氣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)階段。

（3）起動(dòng)機(jī)脫開到發(fā)動(dòng)機(jī)加速再到慢車階段。

發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)按照預(yù)定的順序，分階段逐步進(jìn)行。該直升機(jī)正常起動(dòng)和旋翼剎車起動(dòng)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)在前兩個(gè)階段的運(yùn)轉(zhuǎn)及控制基本相同。在進(jìn)入第三個(gè)階段后，正常起動(dòng)模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪和旋翼轉(zhuǎn)速會(huì)隨之上升，此時(shí)采用恒定的動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速作為慢車狀態(tài)進(jìn)行控制；在旋翼剎車模式下，動(dòng)力渦輪和旋翼被制動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)采用恒定的燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速作為慢車狀態(tài)進(jìn)行控制。

在同樣的大氣條件下，該直升機(jī)在正常起動(dòng)和剎車起動(dòng)兩種模式下的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程如圖1所示。

圖1 某型直升機(jī)剎車與正常發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)曲線

圖1中，該直升機(jī)剎車起動(dòng)與正常起動(dòng)相比，發(fā)動(dòng)機(jī)在前兩個(gè)階段的起動(dòng)曲線基本一致。在第三階段，由于兩種起動(dòng)方式慢車狀態(tài)控制目標(biāo)不同，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)曲線有所差異。正常起動(dòng)到慢車狀態(tài)后，發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速隨旋翼需求功率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，而剎車起動(dòng)到慢車狀態(tài)后，發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速恒定在70%。

3.2 旋翼起動(dòng)

為了進(jìn)一步分析旋翼剎車起動(dòng)的特點(diǎn)，尤其是對(duì)旋翼加速性的影響，對(duì)上述某直升機(jī)進(jìn)行剎車起動(dòng)，待發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功至慢車狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后，松開旋翼剎車。同樣的大氣條件下，旋翼剎車起動(dòng)和正常起動(dòng)旋翼加速性對(duì)比曲線如圖2所示。

圖2 某型直升機(jī)剎車起動(dòng)與正常起動(dòng)旋翼加速曲線

由圖2可以看出，與正常起動(dòng)相比，該直升機(jī)剎車起動(dòng)初期旋翼便具有了相對(duì)較大的加速度，當(dāng)旋翼轉(zhuǎn)速增加到10%以上時(shí)，兩種起動(dòng)模式旋翼加速性相近。起動(dòng)到慢車狀態(tài)后，兩種起動(dòng)模式的旋翼轉(zhuǎn)速均趨于穩(wěn)定在50%轉(zhuǎn)速。

4 結(jié)語

本文介紹了直升機(jī)旋翼剎車起動(dòng)原理以及應(yīng)用，通過對(duì)某型直升機(jī)旋翼剎車起動(dòng)與正常起動(dòng)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，給出了直升機(jī)旋翼剎車起動(dòng)的特點(diǎn)。結(jié)果表明：渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)可以在直升機(jī)旋翼制動(dòng)的情況下進(jìn)行剎車起動(dòng)并穩(wěn)定工作；在旋翼剎車起動(dòng)過程中，松開旋翼剎車瞬間，直升機(jī)旋翼在起動(dòng)初期具備比正常起動(dòng)更大的加速度。因此，旋翼剎車起動(dòng)應(yīng)用于強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下的直升機(jī)起動(dòng)，可以在一定程度上減小起動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。