敖良忠，錢 鋒

(中國民航飛行學院 航空工程學院，四川 廣漢 618307)

CFM56-5B發(fā)動機高高原冷發(fā)起動困難的研究

敖良忠，錢 鋒

(中國民航飛行學院 航空工程學院，四川 廣漢 618307)

介紹了CFM56-5B發(fā)動機的起動過程以及高高原地區(qū)起動時常出現(xiàn)的故障，如起動懸掛、熱起動、發(fā)動機超溫，這些故障會損傷發(fā)動機熱端部件，縮短發(fā)動機的使用壽命。根據(jù)離心式噴嘴的霧化原理和發(fā)動機原理，結合高高原地區(qū)氣壓低、含氧量少的特點，分析出了在現(xiàn)有ECU起動邏輯下，燃油霧化質(zhì)量差，剩余功率不足，富油燃燒，這些都是造成起動困難的重要原因。

CFM56-5B發(fā)動機；起動；高高原；離心式噴嘴；霧化

CFM56-5B發(fā)動機因其優(yōu)秀的高亞音速經(jīng)濟性能、起飛推力性能以及其擁有的高可靠性被應用于空客A320系列飛機上。CFM56-5B發(fā)動機經(jīng)過了多年的使用和發(fā)展，其發(fā)動機自身已經(jīng)日臻完善，使用也十分成熟，但是在面對高高原機場復雜的外界條件時，仍然遇到了航前冷發(fā)起動十分困難的狀況。航空公司最初遇到這個狀況時，多以在本場更換起動機或者發(fā)動機來解決問題，后來通過人工強行打開空氣活門(空客允許的措施)，讓發(fā)動機運行過最困難的階段來保證成功起動發(fā)動機。

正點率對航空公司來說至關重要，發(fā)動機起動時旅客已經(jīng)登機完畢，如果此時不能正常起動發(fā)動機，甚至需要花很長時間來更換發(fā)動機，那么航空公司的服務質(zhì)量必定大打折扣。同時，發(fā)動機使用過程中若常出現(xiàn)不能正常起動，并且出現(xiàn)起動懸掛、熱起動等故障，都將加速發(fā)動機性能的衰退，為航空公司帶來高昂的維護成本。所以，我們需要分析出高高原冷發(fā)起動困難的真正原因，為航空公司在解決該問題時提供可以參考的理論依據(jù)。

1 CFM56-5B發(fā)動機正常起動過程

發(fā)動機從靜止狀態(tài)到慢車轉速的過程稱之為起動過程。首先在座艙中將模式旋鈕旋轉到IGN/START位，再把MASTER LEVER(主電門)開到ON位。這時SAV(起動空氣活門)電磁閥通電，導入壓力氣體將SAV打開，隨后來自氣源系統(tǒng)的壓力空氣通過SAV帶動STARTER(起動機)內(nèi)空氣渦輪轉動，進而帶動了高壓轉子(N2轉子)加速，同時低壓轉子(N1轉子)轉速上升。當N2轉速達到16%時，點火器A或B其中一個開始跳火，在N2轉速達到22%時，開始供油，供油量由ECU(ElectronicControlUnit)根據(jù)PS3(壓氣機出口壓力)和外界總壓總溫計算出來。

圖1 CFM56-5B發(fā)動機起動過程圖

點火成功以后，渦輪發(fā)出的功和起動機共同帶動N2轉子加速。當N2達到50%時起動機自動脫開，SAV關閉。這時利用渦輪發(fā)出的功帶動壓氣機加速，直到達到慢車轉速，整個過程最長不超過兩分鐘。過程如圖1所示[1]。

2 高高原環(huán)境對混合氣燃燒的影響

液體燃料在燃燒室中燃燒，必須先霧化蒸發(fā)成油蒸汽，再與空氣摻混，形成混合氣體后，才能進行燃燒反應。噴嘴是一種燃油霧化裝置，CFM56-5B發(fā)動機采用的雙油路離心式噴嘴，內(nèi)裝有一個旋流器，燃油由齒輪泵提供壓力，在旋流室內(nèi)作急速的旋轉運動，然后以旋轉液膜的形式從噴孔噴出后形成空心錐，液膜因受慣性力和空氣撞擊的作用破裂成無數(shù)細小的油珠，從而達到霧化燃油的效果。

反映噴嘴霧化質(zhì)量的好壞常用索太爾平均直徑SMD(SauterMeanDiameter)表示，它反映了液體占據(jù)的體積與液體總表面積的比值。顯然在相同體積下，SMD越小表示液體具有更大的表面積，霧化質(zhì)量越好。SMD及主要獨立因素寫成不定式函數(shù)式為：

SMD=f(do,V,σ,ρ,μ,ρa)

(1)

(d0：噴嘴喉部直徑；V：液滴與空氣的相對速度；σ：液體的表面張力；ρ：液體密度；μ：動力粘度；ρa：空氣密度)[2]

當噴嘴結構確定，燃油的粘度對SMD起著主導作用，表面張力次之。隨著燃油壓力的增大,SMD逐漸減小。主要原因是因為燃油壓力的增大，燃油的旋轉離心力也隨之增大。另一方面，隨著起動過程的進行，空氣流量增加，油膜與空氣的相對速度變大，這時燃油粘度和表面張力對SMD的影響會逐漸變小[3]。

高高原地區(qū)的過夜航班起動前，發(fā)動機已經(jīng)在溫度較低的外界環(huán)境中待了很長時間。根據(jù)煤油的動力粘度μ和溫度T的關系式[4]：

μ(T)=v(T)ρ(T)

(2)

lg(lg(v(T)+0.6)=9.9114-4.225lgT

(3)

ρ(T)=1003-0.76T

(4)

如圖2所示，低溫會導致燃油粘度加大，因此齒輪泵對燃油的增壓能力減弱，噴嘴壓差變小，根據(jù)離心噴嘴的霧化原理，若此時仍然以N2達到22%就開始供油，SMD較大。油霧的最小點火能量與SMD的4.5次方成正比，SMD越大，點火就越困難。由于這個原因，發(fā)動機需要更高的點火能量才能點著混合氣，但是ECU默認點火邏輯為單點火，這就容易出現(xiàn)難以點著混合氣的情況，致EGT(ExhaustGasTemperature)上升十分緩慢。若EGT在15秒內(nèi)沒有上升420C，ECU認為發(fā)動機沒有點著火，就會自動停止點火，ECAM(ElectronicCentralizedAircraftMonitoring)出現(xiàn)IGN1，IGN2and/or115Vfaults的報錯，整個過程中EGT、FF(FuelFlow)、N2、PS3變化量如圖3所示。

圖2 -30oC～30oC動力粘度μ隨溫度的變化關系圖

圖3 供油后15秒內(nèi)EGT上升情況圖

3 高高原冷發(fā)起動常見故障及原因分析

3.1 起動懸掛

起動懸掛是指發(fā)動機在起動過程中，點火以后發(fā)動機轉速增加緩慢，最后穩(wěn)定在某個低于慢車的轉速值的現(xiàn)象。熱懸掛是指發(fā)動機處于起動懸掛狀態(tài)時燃油流量和EGT都很高，有出現(xiàn)熱起動的危險，常出現(xiàn)在高高原地區(qū)發(fā)動機起動過程中[5]。

根據(jù)ECU中的點火邏輯，當N2達到22%時，發(fā)動機開始供油，渦輪功率隨之增大。在發(fā)動機到達慢車狀態(tài)前，發(fā)動機機渦輪發(fā)出的功率與起動機發(fā)出的功率之和必須大于發(fā)動機加速消耗的功率才能使發(fā)動機加速到慢車狀態(tài)[6]。

剩余功率的公式：

ΔN=NS+NT-NC

(5)

(起動機功率NS；渦輪功率NT；壓氣機功率NC)

高高原機場具有海拔高、氣壓低、空氣密度小、氧氣質(zhì)量分數(shù)小等氣候特點，導致APU(AuxiliaryPowerUnit)引氣壓力小，NS不足。同時ECU為保證發(fā)動機成功起動，增大了供油量。根據(jù)前文的描述，發(fā)動機點火初期，受燃油霧化質(zhì)量不好的影響，偏離設計狀態(tài)，燃燒室內(nèi)此刻相對貧油,致NT不足。隨著起動的持續(xù)進行，燃燒室內(nèi)逆流到回流區(qū)的高溫燃氣加熱油滴，當達到燃油沸點時，大量的油滴迅速形成燃油蒸汽，燃燒室內(nèi)混合氣質(zhì)量轉好，余氣系數(shù)也隨之快速變小，進而變?yōu)楦挥腿紵?，EGT驟然升高，熱效率大大下降，NT小，甚至可能出現(xiàn)富油熄火的情況。根據(jù)剩余功率的公式可以看出，高高原地區(qū)起動時，ΔN不足，發(fā)動機轉速上升緩慢，起動時間過長，最后形成熱懸掛，過程中甚至會出現(xiàn)RollBack(掉轉速)的情況，ECAM出現(xiàn)“ENG1(2)STARTFAULT”警告信息，發(fā)動機關車。

3.2 熱起動、超溫

根據(jù)CFM56-5B發(fā)動機ECU的控制邏輯，ECU會采取EGT相對于N2的變化率曲線來檢測發(fā)動機EGT變化的情況，若EGT沒有按照對應的N2變化率而迅速上升，就稱這種情況為熱起動。熱起動有超出發(fā)動機紅線值(7250C)的可能，甚至引起發(fā)動機失速，損傷失發(fā)動機。

發(fā)動機超溫是指EGT溫度超過了7250C[7]。

發(fā)動機出現(xiàn)熱起動和超溫，ECU會切斷供油6秒但是保持跳火，6秒后減少原供油量的7%重新恢復供油，如果仍然出現(xiàn)上述情況，ECU會重復前面的操作，若第四次仍然不能正常起動，ECU將主動放棄起動，過程如圖4所示。在ECU的增強人工起動模式下，出現(xiàn)發(fā)動機超溫，ECU還將直接停止點火，切斷供油，中斷起動過程。在起動過程中，我們因盡量避免出現(xiàn)熱起動和超溫，因為出現(xiàn)這些情況會損傷發(fā)動機的熱端部件，縮短發(fā)動機的壽命。

圖4 發(fā)動機熱起動、超溫時ECU的處理方案

高高原地區(qū)ΔN小，N2轉速上升緩慢，進入發(fā)動機的空氣流量小。當燃燒室內(nèi)燃油的霧化質(zhì)量迅速好轉時，燃燒室內(nèi)余氣系數(shù)減小，出現(xiàn)富油燃燒，渦輪前溫度上升過快。尤其是當Starter退出工作的短時間內(nèi)，ECU為保證NT，會適當增大供油量，EGT更是顯著上升。另一方面由于ΔN不足，進入發(fā)動機的空氣流量相對小，壓力低，不能有效冷卻渦輪[8]。當出現(xiàn)熱起動或者發(fā)動機超溫，飛行員必須放棄起動。

4 結語

當CFM56-5B發(fā)動機處于高高原地區(qū)苛刻的外界條件下做航前冷發(fā)起動時，滑油、燃油的在低溫中存放較長時間，物性發(fā)生了改變，在ECU原有的起動邏輯下，起動之初難以獲得霧化良好的燃油，使得發(fā)動機很難獲得起動所需的足夠的剩余功率。這就不難解釋，為什么航空公司更換了發(fā)動機LRU(LineReplaceableUnit)時，起動困難的現(xiàn)象仍然存在，因為這并不是LRU故障所致。

CFM公司建議用戶在高高原機場，當天第一次起動時采用人工起動，N2達到28%-30%時供油。這樣有助于提升燃油的霧化質(zhì)量，增大空氣流量，提高燃燒效率，保證起動成功率。但是人工起動過程中，ECU只能為發(fā)動機提供超溫的保護，大大增加了發(fā)動機被人為損壞的風險。為了降低這種風險，CFM公司需要對ECU的起動邏輯進行了升級，目前5BT軟件版本利用了EGT和TEO(TemperatureEngineOil)對TAT(TotalAirTemperature)的差值是否小于門限值的邏輯來判斷發(fā)動機是否為冷發(fā)，經(jīng)過數(shù)據(jù)評估后，EGT的差值門限值被設定為300C(此前為100C)，TEO的差值門限值被設定為150C。當在高度大于10000英尺的機場，若ECU判定發(fā)動機為冷發(fā)起動，N2要達到30%或者最大冷轉速度時才開始供油，并且采用雙點火，來保證起動成功率。只有保證了發(fā)動機的正常起動，才能提升航班的準點率。

[1]CustomerTrainingCenter.CFM56-5BTrainingManual[M].France:Snecma,2007:28.

[2] 王成軍，張寶誠，馬金鳳.一種雙路離心式噴嘴霧化性能的研究[J].節(jié)能，2008(2):7-8.

[3] 趙宇龍.粘度和表面張力對液體霧化效果影響的實驗研究[D].沈陽:東北大學，2012.

[4] 孫弘原.超燃沖壓發(fā)動機燃燒室沒有再生冷卻研究[D].長沙:國防科學技術大學，2009.

[5]CFMCompany.CFMFleetHighlites[M].France:Snecma,2014:16-18.

[6] 趙廷渝.航空燃氣渦輪動力裝置[M].成都：西南交通大學出版社,2008:78-79.

[7] 譚燕.CFM56-7B發(fā)動機的熱起動及起動懸掛[J].中國民航飛行學院學報,2011(4):24-29.

[8] 趙廷渝.高涵道渦扇發(fā)動機在高溫高原機場工作的特點[J].民航飛行與安全,2004(10):28-30.

[責任編輯、校對：張朋毅]

Research on the Cold CFM56-5B Engine Difficulty in Starting at High-plateau

AOLiang-zhong1,QIANFeng2

(1.Aero Engine Maintenance Training Center, Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307, China;2.Aviation Engineering Institute, Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307, China)

This paper elaborates the starting process of CFM56-5B engine and the faults occur when the engine starts in high-plateau area, such as hung start, hot start, over-temperature, which will damage the engine hot section and shorten its service life.The paper analyzes the cause leading to the cold engine difficulty in starting by studying the principle of pressure-swirl atomizer, aviation engine principle and the existing starting logic of ECU.The difficulty mainly results from the poor quality of fuel atomization, and lack of remaining power, oil-rich burning at the high-plateau which features low air pressure and oxygen deficiency.

CFM56-5B engine; start; high-plateau; pressure-swirl atomizer; atomize

2015-02-26

敖良忠(1971-)，男，重慶銅梁人，教授，從事航空發(fā)動機方面的研究。

V235.13+1

A

1008-9233(2015)03-0003-04