飛機直流電源調(diào)壓器

1、 第三章 飛 機 直 流 電 源3.1 概 述低壓直流電源是飛機上較早使用的一種電源，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用維護方法成熟、有起動發(fā)電雙功能等特點，因此現(xiàn)在仍得到廣泛應(yīng)用。電源調(diào)節(jié)點額定電壓為28.5V，匯流條電壓為27.5V，蓄電池額定電壓在24V左右，視所用電池類型而變化。高壓直流電源是70年代發(fā)展起來的新型電源，匯流條額定電壓為270V，此值和115/220V三相交流電經(jīng)橋式整流后的電壓相同，這樣高壓直流電源可和115/220V三相交流電源相容。高壓直流電源的主電源是發(fā)動機直接傳動的無刷直流發(fā)電機，輔助電源是輔助動力裝置傳動的直流發(fā)電機，應(yīng)急電源為蓄電池或應(yīng)急發(fā)電機。 3.2 飛機直流發(fā)電機3

2、.2.1飛機直流發(fā)電機的特點飛機低壓直流發(fā)電機的標(biāo)稱電壓為30V，額定電流有100，200、300、400和600A多種，相應(yīng)的額定容量為3、6、9、12和18kW。6kW及其以上者有直流發(fā)電機與直流起動發(fā)電機兩種，國產(chǎn)的型號為ZF和QF。飛機直流發(fā)電機的傳動端為法蘭盤結(jié)構(gòu)，通過凸緣定位與航空發(fā)動機附件機匣連接，這種結(jié)構(gòu)便于裝拆，減小需用空間。非傳動端端蓋由鋁合金鑄成，以減小重量，它的軸承室壓有鋼襯套，以免端蓋和轉(zhuǎn)軸材料不同引起熱膨脹系數(shù)不同，使軸承受到擠壓而降低壽命。為減小發(fā)電機扭轉(zhuǎn)振動引起的疲勞和破壞，飛機直流發(fā)電機常用復(fù)合軸，電樞鐵芯和換向器壓裝在空心軸上，它承受重力、單向磁拉力，并傳遞

3、扭矩?？招妮S內(nèi)的軟軸由強度高、彈性好的彈簧鋼制成，用于傳遞扭矩和吸收扭轉(zhuǎn)振動能量。提高發(fā)電機最低工作轉(zhuǎn)速是減輕電機重量的有效方法，現(xiàn)用飛機直流發(fā)電機的最低工作轉(zhuǎn)速在3800r/min以上，有的達5500r/min。提高電磁負荷是減輕電機重量的另一有效方法。飛機直流發(fā)電機的氣隙磁感應(yīng)強度達0.7T（特斯拉），線負荷在300A/cm以上，電樞繞組電流密度達20A/mm2，電刷電流密度約30A/cm2。電樞的鐵芯用損耗小、導(dǎo)磁好的硅鋼片疊成，并經(jīng)真空退火或氫氣退火處理，以提高磁性能。采用單面漆或氧化膜等絕緣工藝，減小渦流損耗。采用絕緣性能好、強度高和導(dǎo)熱性好的薄質(zhì)絕緣材料，提高絕緣等級。改善電機換向

4、，減少電刷火花是飛機直流發(fā)電機可靠工作的重要條件。飛機直流發(fā)電機電磁負荷高、轉(zhuǎn)速高，又必須在高空大氣稀薄條件下工作，換向條件較差，因此必須采取改善換向的措施。主要措施有：采用反作用刷架使電刷所受摩擦力與彈簧切向力達到平衡，以便讓電刷在刷盒內(nèi)自由轉(zhuǎn)動，改善電刷和換向器間的接觸。增加電刷壓力也是使電刷與換向器間有良好接觸的方法，一般壓力為500600g/cm2，有的達750900g/cm2。采用復(fù)合電刷，增加換向回路電阻。電刷內(nèi)加入鉛或二氧化錳等物質(zhì)，減少高空因氧氣和水蒸氣少而引起的電刷急劇磨損。大多數(shù)飛機直流發(fā)電機有附加極，有的甚至有補償繞組，有的用半數(shù)附加極以減輕重量。飛機直流發(fā)電機大都采用迎

5、面氣流冷卻，它也帶有風(fēng)扇，以便在地面時冷卻用。表31出了幾種國產(chǎn)飛機直流發(fā)電機的重量功率比。隨電機容量的增大，重量功率比減小。表31飛機直流發(fā)電機的重量功率比型號ZF-9ZF-12ZF-18QF-6QF-12額定功率（kW）91218612重 量（kg）2428.641.52331單位重量（kg/Kw）2.672.342.233.382.583.2.2 飛機直流發(fā)電機的工作特性由航空發(fā)動機傳動的飛機直流發(fā)電機在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作，一般用最低，中等和最高三個典型轉(zhuǎn)速下的特性來描述電機。圖31是18kW并勵飛機直流發(fā)電機的空載特性，外特性、調(diào)節(jié)特性和有電壓調(diào)節(jié)器時的外特性曲線。由空載特性可見，低

6、轉(zhuǎn)速時電機主磁路較飽和，高轉(zhuǎn)速時則不飽和。某些有半數(shù)附加極的飛機發(fā)電機在低轉(zhuǎn)速時滿足直線換向條件，轉(zhuǎn)速升高后，主磁路不飽和了，在同樣附加極的磁勢作用下，極下磁通增大，導(dǎo)致超越換向，而超越換向元件的電樞反應(yīng)有增磁作用，使調(diào)節(jié)特性在輕載時下凹，會使電壓調(diào)節(jié)器工作不穩(wěn)定，故應(yīng)限制下凹量。沒有電壓調(diào)節(jié)器的發(fā)電機可能輸出的最大電流叫臨界電流。帶電壓調(diào)節(jié)器的發(fā)電機可能輸出的最大電流稱極限電流。這兩個電流決定了電機的過載能力，由圖31(b)和(d)可見，電機轉(zhuǎn)速高，電氣過載能力強。過載能力還受電刷位置和換向情況的影響。電刷不在幾何中心線，有直軸電樞反應(yīng)，去磁反應(yīng)使過載能力減小，增磁反應(yīng)則增大。臨界電流還受換

7、向好壞和電機工作溫度的影響。 有的飛機直流起動發(fā)電機有補償繞組，它使電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜了，成本提高。但補償了電樞反應(yīng)，減小了負載時電機氣隙磁場的畸變，氣隙也可小些，從而減小了勵磁功率。并使發(fā)電機有足夠的飽和度，減弱了換向元件電樞反應(yīng)，改善了電機換向，增加了電機過載能力。圖31飛機直流發(fā)電機（18kw）的特性（a）空載特性; （b）外特性; （c）調(diào)節(jié)特性; （d）有調(diào)壓器的外特性3.2.3 飛機直流發(fā)電機的種類 不用電刷和換向器是簡化電機結(jié)構(gòu)，提高電機高空性和可靠性的重要條件。飛機無刷直流發(fā)電機有電磁式和永磁式兩種。1. 永磁式無刷直流發(fā)電機永磁無刷直流發(fā)電機是永磁交流發(fā)電機和可控整流電路的組合，圖

8、32是它的一種主電路方案，整流橋由晶閘管構(gòu)成。發(fā)電機的轉(zhuǎn)子部分為永磁材料，定子部分包括電樞繞組、三相晶閘管整流橋、平衡電抗器和濾波電容。電樞采用雙Y繞組，兩套整流電路，這樣可減少發(fā)電機輸出直流電壓的脈動，減輕濾波電路體積和重量。飛機永磁發(fā)電機采用稀土永磁材料，有三種典型永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：軸向、橫向和徑向。飛機永磁發(fā)電機多數(shù)用橫向結(jié)構(gòu)，也有用徑向結(jié)構(gòu)的。見圖33，橫向結(jié)構(gòu)磁鋼轉(zhuǎn)子外的保護環(huán)有兩種形式，一種是由導(dǎo)磁與非導(dǎo)磁材料間隔構(gòu)成的保護環(huán)，另一種全由非導(dǎo)磁材料構(gòu)成。橫向結(jié)構(gòu)有磁通密集作用，電機氣隙磁感應(yīng)可大于磁鋼內(nèi)磁感應(yīng)，但漏磁較大。用導(dǎo)磁和非導(dǎo)磁兩種材料構(gòu)成的轉(zhuǎn)子圖32永磁無刷直流發(fā)電機主電路1

9、發(fā)電機永磁轉(zhuǎn)子；2雙Y電樞繞組；3晶閘管整流橋；4平衡電抗器；5濾波電容器保護套，會使電機漏磁更大一些，但氣隙可較小。稀土永磁發(fā)電機的外特性比電磁式電機平坦，電壓變化率小，短路電流與額定電流的比值大。圖34是800Hz75kVA永磁發(fā)電機的外特性曲線，額定電壓400V，額定電流108A，短路電流900A。稀土永磁導(dǎo)磁系數(shù)與空氣相近，故電樞反應(yīng)小。徑向式電機交直軸電樞反應(yīng)差不多，橫向的直軸電樞反應(yīng)小，因而外特性平坦。3-3 永磁電機不能用滅磁的方法實現(xiàn)電機內(nèi)部短路保護。通常用脫扣機構(gòu)在內(nèi)部短路時將發(fā)電機與原動機脫開。為使無刷直流發(fā)電機輸出電壓不因轉(zhuǎn)速和負載變化而變化，減少輸出電壓紋波，減少突加突

10、卸負載時電壓變化量和縮短電壓恢復(fù)時間，晶閘管型無刷直流發(fā)電機常用六相雙星方案。發(fā)電機有兩套三相繞組。兩者在空間差30電角，兩三相整流橋的觸發(fā)信號也互差30電角，以減少輸出電壓脈動。若電機在最低工作轉(zhuǎn)速滿載時運行的移相角近于零度，發(fā)動機的的最高和最低工作轉(zhuǎn)速之比為2，則最高工作轉(zhuǎn)速時移相角約60，此時三相橋式整流電路輸出電壓脈動相當(dāng)大，見圖35(a)或(b)。圖35(c)是采用雙星整流電路時的輸出電壓脈動，其幅值顯著減小，頻率則增加一倍，從而可減小輸出濾波器的體積。圖34 稀土永磁發(fā)電機的外特性 圖35 60的直流輸出電壓波（濾波前）75kVA 400V 108A 800Hz （a）第一套三相整

11、流輸出電壓；（b）第二套三相 整流系統(tǒng)輸出電壓； （c）六相雙星整流輸出電壓 無刷發(fā)電機電樞電流為非正弦波，故除有基波分量外，還有高次諧波分量?；娏鞒纬呻姌谢臻g磁場外，還形成6K1次空間諧波磁場，其中K=1，2，。六相雙星整流系統(tǒng)的第一套三相繞組產(chǎn)生的5、7、17等次空間諧波磁場與第二套的相應(yīng)次空間磁場正好大小相等相位相反，互相抵消，剩下的11和13次空間諧波磁場可用繞組短矩來削弱。因此六相系統(tǒng)基波電流形成的電樞空間磁場接近于正弦波。 三相整流系統(tǒng)中的6K1(K=1，2，3)次諧波電樞電流也形成電樞空間基波和諧波磁場。其中以5和7次諧波電流建立的基波空間磁場最強，前者以5倍同步速逆轉(zhuǎn)

12、子旋轉(zhuǎn)方向運動，后者以7倍同步速順轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)，從而在磁極表面感應(yīng)出6倍基波頻率的電流，加大轉(zhuǎn)子損耗。六相雙星系統(tǒng)可以消除這6次磁場，使電樞磁場接近正弦，減小電機損耗。2.電磁式無刷直流發(fā)電機電磁式無刷直流發(fā)電機的一種方案是由電磁式無刷交流同步發(fā)電機和二極管整流橋構(gòu)成。電磁式無刷交流發(fā)電機有永磁副勵磁機、交流勵磁機、旋轉(zhuǎn)整流器和主發(fā)電機構(gòu)成。圖36是電磁式無刷直流發(fā)電機的內(nèi)部電路圖。交流勵磁機的電樞在轉(zhuǎn)子上，產(chǎn)生的三相交流電經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器整流后供給主發(fā)電機的勵磁繞組，從而避免了電刷和滑環(huán)。 電磁式無刷直流發(fā)電機輸出電壓通過調(diào)節(jié)勵磁機勵磁繞組的電流來實現(xiàn)。采用六相雙星繞組，也可減小輸出電壓脈動和降

13、低電機損耗。旋轉(zhuǎn)整流器式無刷直流發(fā)電機結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，可采用單級式無刷電機方案。 1 2 3 4 5圖36 電磁式無刷直流發(fā)電機 圖37用迎面氣流冷卻的發(fā)電機示意圖1副勵磁電機；2勵磁機；3旋轉(zhuǎn)整流器；4主發(fā)電機;5輸出整流濾波電路3.3.4 飛機直流發(fā)電機的冷卻低壓直流發(fā)電機內(nèi)冷式強迫吹風(fēng)冷卻，飛機飛行時將迎面氣流自飛機前方開口處引入進風(fēng)管，進到電機內(nèi)部，見圖37。也可自發(fā)動機壓氣機引出增壓后空氣到電機內(nèi)，見圖38。從進風(fēng)管進入的空氣先冷卻換向器和電刷，其中一小部分空氣從電刷保護帶與端蓋處的縫隙流出，大部分進入電樞內(nèi)通風(fēng)道和氣隙，帶走電樞和勵磁線圈的熱量，然后自傳動端排出，見圖39。圖38 抽取

14、壓縮機壓縮空氣冷卻發(fā)動機發(fā)電機所需冷卻空氣流量由發(fā)動機的損耗、允許工作溫度、導(dǎo)熱性、電機內(nèi)空氣分配合理性、冷卻空氣的溫度和密度等確定。發(fā)電機額定功率相同，損耗大效率低的需要冷卻的空氣量大。電機內(nèi)部空氣分布合理，發(fā)熱均勻，則流量可小些。電機各部分導(dǎo)熱性好，熱量易傳出，絕緣材料允許工作溫度高，則冷卻空氣流量也可較小。 圖39 飛機直流發(fā)電機的內(nèi)部風(fēng)路圖 圖310風(fēng)冷發(fā)動機的高度和速度特性電機實際通風(fēng)量由進風(fēng)口和出風(fēng)口壓力差、管路風(fēng)阻、電機內(nèi)部風(fēng)阻和冷卻空氣密度等決定，它們又和飛行速度及高度有關(guān)。飛機停于地面或飛行速度低時，進氣壓力低，通風(fēng)量不足。此時靠電機內(nèi)裝風(fēng)扇鼓風(fēng)散熱，但散熱效果較差。飛行速度

15、較高時，進入發(fā)電機的冷卻空氣溫度急劇升高，使長期超音速飛行的發(fā)電機不能采用迎面氣流冷卻。所以迎面氣流冷卻的發(fā)電機只能在一定的高度與速度范圍內(nèi)才能輸出額定功率，如圖310所示。超出該范圍后，電機輸出功率必須降低。表32列出了部分國產(chǎn)飛機直流發(fā)電機的基本技術(shù)數(shù)據(jù)。 表32 飛機直流發(fā)電機額定容量與過載能力 3.3 直流發(fā)電機的電壓調(diào)節(jié)3.3.1電壓調(diào)節(jié)及其技術(shù)發(fā)展 飛機直流發(fā)電機工作轉(zhuǎn)速范圍寬，為了使輸出電壓保持在技術(shù)要求規(guī)定的范圍內(nèi)，必須設(shè)置電壓調(diào)節(jié)器，通過改變發(fā)電機的勵磁電流來調(diào)節(jié)輸出電壓。 早期的飛機直流發(fā)電機額定容量在1500W以下，采用振動式電壓調(diào)節(jié)器，如圖3-11所示。發(fā)電機勵磁繞組串

16、接附加電阻Rg，調(diào)壓器的觸點K與Rg并聯(lián)。觸點閉合勵磁電流增加，觸點斷開勵磁電流下降，改變觸點相對閉合時間即可調(diào)節(jié)勵磁電流平均值，使發(fā)電機電壓在轉(zhuǎn)速和負載變化時保持在規(guī)定范圍內(nèi)。這種調(diào)壓器的發(fā)電機勵磁電流受到觸點容量限制，只能用于小容量發(fā)電機，且觸點易損壞。炭片式電壓調(diào)節(jié)器可用于大中功率飛機發(fā)電機，勵磁電流可達1015A。其原理電路如圖3-12所示，它是由電磁鐵、反作用彈簧和碳柱等組成。若發(fā)電機轉(zhuǎn)速升高或負載減小，電壓升高，則調(diào)壓器工作線圈電流加大，電磁吸力加大，克服彈簧反作用力使銜鐵往電磁鐵鐵芯方向運動，碳柱壓力減小，碳阻加大，使發(fā)電機勵磁電流減小，電壓降低。發(fā)電機轉(zhuǎn)速降低或負載增大時，調(diào)節(jié)

17、作用相反。炭片調(diào)壓器的缺點是炭柱損耗大，炭片易磨損，抗沖擊和振動的能力差，調(diào)壓精度低，動態(tài)響應(yīng)慢。圖311 直流發(fā)電機振動式電壓調(diào)節(jié)器原理圖 圖312 炭片式電壓調(diào)節(jié)器 K振動觸電 ； Rg附加電阻 1炭柱；2銜鐵；3反作用彈簧；4電磁鐵； 5調(diào)節(jié)螺釘；6氣隙 現(xiàn)代飛機直流發(fā)電機采用晶體管電壓調(diào)節(jié)器，具有體積小重量輕、損耗小。調(diào)壓精度高和動態(tài)相應(yīng)快等優(yōu)點。電壓調(diào)節(jié)器通常由檢測比較、放大和執(zhí)行等環(huán)節(jié)構(gòu)成。例如振動式電壓調(diào)節(jié)器檢測環(huán)節(jié)是電磁鐵的工作線圈，它并接于發(fā)電機輸出端，檢測發(fā)電機輸出電壓，發(fā)電機電壓高，工作線圈電流大，電磁吸力也大。反作用彈簧是基準(zhǔn)元件，其彈性不受電壓大小和工作溫度的影響。電

18、磁鐵與彈簧的組合實現(xiàn)電壓比較，電壓高，線圈電流增大，導(dǎo)致電磁吸力大于彈簧反作用力，觸點斷開，電阻Rg串入勵磁繞組電路中，使勵磁電流減小，發(fā)電機電壓降低。隨后，線圈電流減小，吸力減小，小于彈簧反作用力，觸點閉合，Rg短接，勵磁電流增加，發(fā)電機電壓也隨之增加。因此觸點與附加電阻就是執(zhí)行環(huán)節(jié)，用于控制勵磁電流。電壓調(diào)節(jié)器往往還有一些附加環(huán)節(jié)，以提高調(diào)節(jié)器工作性能或完成其他任務(wù)。3.3.2 晶體管電壓調(diào)節(jié)器炭片電壓調(diào)節(jié)器是平滑改變炭柱電阻來調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流的。晶體管電壓調(diào)節(jié)器的末級晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)，通過改變導(dǎo)通比來條件發(fā)電機勵磁電流，故晶體管調(diào)壓器的損耗較小。l. 勵磁電流的脈寬調(diào)制控制圖313

19、是發(fā)電機勵磁繞組和電壓調(diào)節(jié)器末級晶體管電路，勵磁繞組上還并接續(xù)流管。圖(a)三極管導(dǎo)通，圖（b）三極管截止，二極管續(xù)流。末級晶體管V導(dǎo)通，電源電壓加于勵磁繞組，勵磁電流增加，晶體管截止，二極管續(xù)流，勵磁電流減小。勵磁電流平均值和晶體管V的導(dǎo)通比Dc成正比圖313 晶體管調(diào)壓器末級晶體管的接線圖(a) 晶體管V開通，勵磁電流ij增長；(b)晶體管V截止勵磁電流D續(xù)流晶體管V截止時功率損耗近似為零，導(dǎo)通時損耗也不大，但從截止到導(dǎo)通或從導(dǎo)通到截止的過程中則功耗較大。減小開關(guān)過程中的損耗很重要。圖314是晶體管開關(guān)曲線，開關(guān)周期T=ton + toff + tr + tf ，其中ton是晶體管開通時間

20、，toff是截止時間，tr是開通過程時間，tf是關(guān)斷過程時間。晶體管截止期間損耗為PoffPoff = Uce ic=Ec Ico （3-1）式中：Uce晶體管集電極發(fā)射極間電壓，Ec勵磁電源電壓；Ico晶體管穿透電流，硅管微安級。晶體管導(dǎo)通期間損耗為PonPon = UcesIcs （3-2）式中：Uces晶體管飽和導(dǎo)通電壓降，Ics導(dǎo)通時流過晶體管電流，決定于勵磁電流大小。設(shè)從截止到導(dǎo)通和從導(dǎo)通到截止的過渡期間晶體管電壓，和電流按線性變化，見圖314，則開通過渡期間的開關(guān)損耗Pr為 （53）關(guān)斷過渡期間損耗為Pf Pf= = (34)晶體管平均損耗為P （35）開關(guān)過程中損耗和主要決定于式

21、(5-3)和(5-4)中的第一項,因為和是兩個較大的值。從式(35)可見，若能改善開關(guān)特性、縮短開關(guān)過渡時間tr和tf,則可減小晶體管平均功耗。平均功耗還隨開關(guān)頻率f=1/T的減小而減小?？偟膩碇v，開關(guān)工作的晶體管功耗比線性狀態(tài)工作的要小得多，所以晶體管調(diào)壓器的末級晶體管都設(shè)計成脈寬調(diào)制工作方式。 2.勵磁電流平均值 通常晶體管開關(guān)過渡時間tr和tf很小，可忽略，這樣發(fā)電機勵磁電流波形如圖315所示。圖314 晶體管的開關(guān)工作 圖315 末級晶體管開關(guān)工作與勵磁電流波形ton導(dǎo)通時間；toff截止時間；tr開關(guān)過程時間; tt截止過程時間在導(dǎo)通期，勵磁電流增長，用表示，則 式中：rj為勵磁繞組

22、電阻；Lj為勵磁繞組電感。解式（37）得 式中： 在晶體管截止期間，勵磁電流衰減，用表示，則 （39）解式（39）得 （310）式（38）和（310）中得A和B是積分常數(shù)，由初始條件確定。 設(shè)t0時得，則由式（38） A (311)代入式(3-8) （312）t時，由式（312）和（310）得 B= 因此時，故 B （313） (314)穩(wěn)態(tài)時，在tT，ij2 =Ij0 時，由式 （314） (315)令 得 (316) (317) (318) (319)勵磁電流平均值 (320) 式中：，為末級晶體管的導(dǎo)通比，或稱占空比。由式（320）可見，勵磁電源電壓和電機勵磁電阻不變時，平均勵磁電流僅與

23、導(dǎo)通比成正比。0，0；1，。3.勵磁電流的脈動和脈動率 勵磁電流的脈動會導(dǎo)致發(fā)電機輸出電壓的脈動，必須減小脈動量。通常用脈動率來判斷脈動程度，脈動率是脈動電流峰峰值和電流平均值之比的百分數(shù)。 由圖315，勵磁電流脈動峰峰值（又稱脈動振幅）為，是時的。由式（319）得= （321）通常使T，故、和都遠小于1。將式（321）中各指數(shù)函數(shù)均按冪級數(shù)展開，忽略三次以上高次項，得 (322)若 或,則0。故在1之間出現(xiàn)勵磁電流脈動最大值，在時 （323）再按冪級數(shù)展開法運算，得式（323）的簡化表達式 （324）勵磁電流脈動率 100 (325)由于晶體管開關(guān)頻率高，故TUt，經(jīng)R2、C延時，V1、V2

24、導(dǎo)通，J1動作，滅磁繼電器M動作并自鎖，觸頭斷開，發(fā)電機勵磁電路中串入限流電阻R5，減小勵磁電流。觸頭斷開，使MLC斷開，故障發(fā)電機退出電網(wǎng)。 圖331 BJD1A 過壓保護器電路3.5.3 飛機直流發(fā)電機的短路保護 飛機直流電網(wǎng)的短路由有兩種：金屬熔接性短路，有短路電阻小、電流大、短路時間長等特點，間歇性短路，短路時金屬飛濺。短路使電源不能正常供電，甚至導(dǎo)致火災(zāi)。目前低壓直流電源的短路保護主要由反流保護器和熔斷器來實現(xiàn)。所用熔斷器常為難熔熔斷器。3.6起動發(fā)電系統(tǒng)3.6.1 航空發(fā)動機的起動特性及其起動要求 航空發(fā)動機有活塞式和燃氣渦輪式兩類，都不能自行起動工作，必須靠外力把它們轉(zhuǎn)到一定轉(zhuǎn)速

25、后才能自行工作。將發(fā)動機從轉(zhuǎn)速為零轉(zhuǎn)到能自行工作叫做發(fā)動機起動。起動過程 中既要有使發(fā)動機旋動的設(shè)備起動機，還要有使油氣混合氣點燃的設(shè)備點火電器， 總稱起動點火設(shè)備。 活塞式航空發(fā)動機達到5060rmin，噴油點火后就能自行工作。這個轉(zhuǎn)速不高，但因活塞在氣缸內(nèi)運動時摩擦很大，壓縮氣缸內(nèi)的空氣也要相當(dāng)大的力，所以需要很大的外力矩才能轉(zhuǎn)動這種發(fā)動機。 燃氣渦輪發(fā)動機常稱噴氣發(fā)動機，由壓氣機、燃燒室、渦輪與尾噴管等組成，它沒有滑動摩擦，故靜阻力矩不大，但這種發(fā)動機能自行工作的轉(zhuǎn)速較高。通常發(fā)動機轉(zhuǎn)速要達到最高工作轉(zhuǎn)速的13左右，由它傳動的油泵轉(zhuǎn)速才達到足以使噴入燃燒室的燃油霧化，發(fā)動機才能點火，使油

26、氣混合氣燃燒。在點火之前，渦輪和壓氣機都是起動機的負載，阻轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)速的高次方冪函數(shù)。點火后，渦輪由吸收功率轉(zhuǎn)為輸出功率，且它的輸出功率隨轉(zhuǎn)速的升高而加大，可反過來帶動壓氣機旋轉(zhuǎn)。為了防止發(fā)動機過熱，轉(zhuǎn)子必須盡快加速，以便壓氣機鼓入更多的冷空氣來冷卻發(fā)動機。因此起動機需繼續(xù)帶動發(fā)動機旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速大約達發(fā)動機最高工作轉(zhuǎn)速的35時發(fā)動機才能自行工作，此轉(zhuǎn)速叫自持轉(zhuǎn)速。僅在此之后，起動機才可停止工作。噴氣發(fā)動機的最高工作轉(zhuǎn)速達1000020000rmin，自持轉(zhuǎn)速約為35007000rmin，比活塞發(fā)動機的高得多。圖5-32是航空噴氣發(fā)動機的起動特性曲線。由曲線可見，起動時靜摩擦力矩不大，在點火時靜阻轉(zhuǎn)

27、 矩最大，起動機的轉(zhuǎn)矩必須大于靜阻轉(zhuǎn)矩。 必須保證在不同環(huán)境溫度和氣象條件下都能起動發(fā)動機。萬一第一次不能起動，應(yīng)可進行多次起動。起動過程時間要短。對于軍用飛機，縮短起動時間可提高飛機的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能；對民用飛機，可提高飛機的經(jīng)濟性能。起動設(shè)備的體積重量要小。起動設(shè)備包 括起動用能源，如蓄電池、壓縮空氣或火藥柱等。這類能源的能量是有限的，起動過程 中消耗能量少，則能源的體積重量可小，圖332航空噴氣發(fā)動機的起動特性1發(fā)動機經(jīng)磨擦力矩；2壓氣機阻力矩；3渦輪轉(zhuǎn)矩 ；4發(fā)動機總轉(zhuǎn)矩反之，在同樣體積重量下可增加起動次數(shù)。但是，起動設(shè)備的功率、起動時間和每次起動消耗的能量之間存在一定關(guān)系。起動機功率大，

28、起動時間必短，起動中消耗能量則較少。可是加大起動機功率，其體積與重量也必大。自起動能力。有的飛機希望不借助地面設(shè)備的支持，能自行起動發(fā)動機，實現(xiàn)起飛的能力，稱自起動能力。在需要地面設(shè)備支持時，地面設(shè)備應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。 交叉起動。在多發(fā)動機飛機上，一臺發(fā)動機工作后，借助于它來起動未工作發(fā)動機的能力，稱交叉起動能力。交叉起動可以減小對地面設(shè)備的要求，是實現(xiàn)多發(fā)動機飛機自行起動的重要條件。3.6.2 航空發(fā)動機的電力起動過程 渦輪起動機(冷氣或然氣渦輪)、液壓馬達起動機和電力起動機是航空發(fā)動機常用的三種起動設(shè)備。 活塞式航空發(fā)動機的電力起動機有三種t慣性起動機、復(fù)合作用起動機和直接作用起動機。慣性

29、起動機由電動機、飛輪、減速器、摩擦離臺器和起動爪等構(gòu)成。首先，電動機帶動飛輪旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速達1萬余rmin后，電機斷電，此階段電能轉(zhuǎn)為儲于飛輪的機械能。然后，起動爪外伸，與發(fā)動機軸上的爪相嚙合，傳動發(fā)動機旋轉(zhuǎn)。只要飛輪儲能足夠大，即可使發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到5060rmin。摩擦離合器的滑動轉(zhuǎn)矩調(diào)到一定數(shù)值，以免兩起動爪嚙合時沖擊過大而損壞起動機或發(fā)動機。復(fù)合作用起動機與慣性起動機不同之處是：起動爪嚙合前后起動機不斷電，故起動能力比慣性起動機大。直接作用起動機沒有飛輪，直接或經(jīng)減速后傳動發(fā)動機，故結(jié)構(gòu)簡單，但電機功率要大。電力起動機的工作時間很短，直接作用的僅數(shù)秒，復(fù)合作用和慣性起動機有個飛輪儲能過程，有

30、幾十秒鐘。起動結(jié)束后，起動爪收縮，使起動機與發(fā)動機脫開，防止發(fā)動機反過來傳動電動機。 噴氣發(fā)動機的電力起動機為直接作用式。減速器、摩擦離合器和單向離合器在發(fā)動機附件機匣內(nèi)。起動發(fā)動機時，電動機經(jīng)減速后傳動航空發(fā)動機。起動結(jié)束后，電動機斷電，電機轉(zhuǎn)速低于發(fā)動機轉(zhuǎn)速，單向離合器自動脫開，防止發(fā)動機反過來傳動起動機。對于用電量大的噴氣飛機，發(fā)電機容量較大，約與電力起動機相當(dāng)，利用電機可逆原理，可構(gòu)成起動發(fā)電機。發(fā)動機未工作時，該電機作電動機用，起動航空發(fā)動機,起動完畢后，發(fā)動機反過來傳動該電機發(fā)電。3.6.3 典型的噴氣發(fā)動機起動發(fā)電系統(tǒng) 為了減輕飛行員的負擔(dān)，發(fā)動機的起動過程應(yīng)自動化。同時應(yīng)保證在

31、起動的廣闊轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)有大的起動力矩，小的消耗電流，以加快起動過程和減小能量消耗。 噴氣發(fā)動機的起動控制方式有三種：以發(fā)動機轉(zhuǎn)速為函數(shù)的控制，以電動機電流為函數(shù)的控制和以時間為函數(shù)的控制。前兩種控制方式不能限定起動時間，易導(dǎo)致發(fā)動機過熱。以時間為函數(shù)的控制也不夠完善，若預(yù)定的起動時間過短，可能出現(xiàn)起動循環(huán)已結(jié)束，但發(fā)動機尚未達到自持轉(zhuǎn)速的情況。通常使預(yù)定時間長一些，以保證在最惡劣條件下也能起動發(fā)動機?？墒?，在一般情況下，這個時間又太長了，很不經(jīng)濟。目前用得較多的是以時間為基礎(chǔ)再加轉(zhuǎn)速控制的方式，發(fā)動機達到自持轉(zhuǎn)速后，起動過程即中止。1.復(fù)勵串勵起動系統(tǒng) 圖333(a)是某噴氣殲擊機用起動發(fā)電系統(tǒng)主電路，起動工作時由飛機上蓄電池供電或由地面電源車供電。 該系統(tǒng)用以時間為函數(shù)的控制方式，撳下起動按鈕，經(jīng)1.3s，接觸器3的觸頭閉合，電源經(jīng)電阻R向電機供電，由于電阻R作用，電流和轉(zhuǎn)矩受到限制，從而限制了電機加速度，通常該加速度在0.3 1s2內(nèi)，使起動機與發(fā)動機嚙合比較平穩(wěn)。 到3.8s，起動機與發(fā)動機間可能有的游隙已經(jīng)消除，起動定時機構(gòu)(圖中未畫)使接觸器4接通，起動電阻R短接，電機電樞電流和轉(zhuǎn)矩迅速加大，發(fā)動機加速。這時，電動機為復(fù)勵，以便有大的