航空发动机的“套娃”启动
汽车发动机
早期的汽车通过手摇也可以启动点火,由于逐渐偏向自动化,启动发动机的过程交给一台叫起动机的机器完成。起动机的本质也是一台发动机,其本身也需要有一台起动机启动。出于功率不大,可以简单利用电动机 /电瓶启动起动机,然后起动机轮轴转动发动机启动,随后点火器介入工作,启动后起动机断开关闭。这个过程即平时启动汽车时拧转车钥匙的过程。


大型动力装置启动是一个复杂的过程,空气涡轮起动机以压缩空气为能源,其产生的轴功率传给主发动机,完成对主发的起动。空气涡轮起动机起动功率大,结构简单、功重比大、经济性好,一般用于起动大功率的军民用涡扇发动机等,目前大型民用飞机基本上都运用空气涡轮起动机。由于涡扇、涡喷、涡浆、桨扇发动机都不会自启,因此大型发动机启动需要借助外界供求。
启动过程
一、通过apu,外界,或已启动好的一发提供引气启动引擎内的小涡喷——起动机,也就是小发。(小发也是涡喷,所以不能自启)
二、小发带动高压转子N2,带动核心机加速,再由N2带动低压转子N1转动(N1转速近似于风扇,即我们常常看到的最外面的“风扇”),提升到30%左右的转速时燃烧室点火,N1转速到50%即慢车(idle)的时候,小发与N2转速断开,发动机转速保持稳定,大发启动完毕。

备注:如果平时坐飞机比较仔细,你常常会听到发动机启动时明明看到外面的桨叶还没有开始转动,但发动机内部已经传来了细微的低轰鸣声,那就是起动机启动。接着外面的桨叶慢慢开始旋转,到一定速度后再次听到轰鸣声,并且发动机尾部产生烟流,那便是燃烧室介入工作。当轰鸣声突然没有时,说明点火完成,大发启动完毕。

APU
相信大家并不对apu感到陌生。apu全称 Auxiliary Power Unit(辅助动力单元),其本质是一台小型涡轴发动机(这里要注意,很多人把apu理解成涡喷,其实涡轴才是最准确的答案)主要的作用是提供引气和电力。引气用于启动大发里的起动机,从而启动大发。电力则负责在大发还没有启动时提供舱内的电力系统。由于apu的功率并不大,启动其本身并不需要大发那么麻烦,其起动机是一台可以自启的电动机,与汽车类似。
其实,apu不仅仅用于航空界,一些大型设备如轮船、军舰都会有。apu的油耗相比大发而言并不高。一架737NG的飞机发动机普通油耗约2650kg/h,而apu仅仅70-400kg/h。apu常常被放于飞机的尾部,727的比较例外放在主起落架舱里。目前市面造apu的厂商不少,但最为出色的几家有目共睹,即霍尼韦尔和普惠,霍尼韦尔的比较广泛。


发动机起动机
航空发动机的起动机比较复杂,按种类分大体分为电起动机、燃油起动机、液压起动机、蒸汽起动机和压缩空气起动机。电起动机最为普遍,汽车的启动也是电起动,其因为构造简单轻便被大量使用,缺点是启动功率低,故无法用于大型发动机启动;燃油起动机的功率高,但是需要消耗燃油,并且构造复杂,工业上常常用于内燃机启动;液压起动机和蒸汽起动机启动功率高,但效率偏低,并且使用起来不稳定,因此难以用于航空发动机上。故此,压缩空气起动机因其舒爽的经济性与功率性常常用于启动大发,启动压缩空气起动机(小发)仅仅通压气便可轻松启动。

空中停车
如果发动机空中停车了,飞行员重启发动机的一条途径就是启动apu,利用apu的引气才能重启小发,再而启动发动机。这里apu最主要的功效还是提供紧急状态下的电力,因为没有电力液压系统及大部分操作页面都会失效。当然,如果apu也失效了还会有rat(冲压空气涡轮),这里不做过多介绍。rat负责提供紧急电力和蓝色液压系统驱动飞行控制,这时无法引气启动小发,飞行员可利用风车效应增大发动机进气流量提升风扇转速,从而直接点火启动大发。

多电飞机——波音787
随着技术的发展,电力供给功率不断提高,多电产品逐渐问世。多电飞机技术是将飞机的发电、配电和用电集成在一个统一的系统内,实行发电、配电和用电系统的统一规划、统一管理和集中控制。787大发起动机(严格来说是罗尔斯罗伊斯的Trent1000以及通用电气的GEnx)的启动不再需要压缩空气,可简单利用电启动原理来启动发动机,因而其apu并没有引气的功能,一定程度上简化了apu并减轻重量。


总结
航空发动机的常规启动过程分为:
1、电瓶 —> 电动机 —> apu —> 起动机 —> 发动机
2、地面气源 —> 起动机 —> 发动机
3、另一台已启动的发动机供气 —> 起动机 —> 发动机

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