敖良忠，錢 鋒

(中國(guó)民航飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307)

CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)高高原冷發(fā)起動(dòng)困難的研究

敖良忠，錢 鋒

(中國(guó)民航飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307)

介紹了CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程以及高高原地區(qū)起動(dòng)時(shí)常出現(xiàn)的故障，如起動(dòng)懸掛、熱起動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)超溫，這些故障會(huì)損傷發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件，縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。根據(jù)離心式噴嘴的霧化原理和發(fā)動(dòng)機(jī)原理，結(jié)合高高原地區(qū)氣壓低、含氧量少的特點(diǎn)，分析出了在現(xiàn)有ECU起動(dòng)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(dòng)困難的重要原因。

CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)；起動(dòng)；高高原；離心式噴嘴；霧化

CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)因其優(yōu)秀的高亞音速經(jīng)濟(jì)性能、起飛推力性能以及其擁有的高可靠性被應(yīng)用于空客A320系列飛機(jī)上。CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)了多年的使用和發(fā)展，其發(fā)動(dòng)機(jī)自身已經(jīng)日臻完善，使用也十分成熟，但是在面對(duì)高高原機(jī)場(chǎng)復(fù)雜的外界條件時(shí)，仍然遇到了航前冷發(fā)起動(dòng)十分困難的狀況。航空公司最初遇到這個(gè)狀況時(shí)，多以在本場(chǎng)更換起動(dòng)機(jī)或者發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)解決問(wèn)題，后來(lái)通過(guò)人工強(qiáng)行打開(kāi)空氣活門(空客允許的措施)，讓發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)最困難的階段來(lái)保證成功起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

正點(diǎn)率對(duì)航空公司來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)旅客已經(jīng)登機(jī)完畢，如果此時(shí)不能正常起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，甚至需要花很長(zhǎng)時(shí)間來(lái)更換發(fā)動(dòng)機(jī)，那么航空公司的服務(wù)質(zhì)量必定大打折扣。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)使用過(guò)程中若常出現(xiàn)不能正常起動(dòng)，并且出現(xiàn)起動(dòng)懸掛、熱起動(dòng)等故障，都將加速發(fā)動(dòng)機(jī)性能的衰退，為航空公司帶來(lái)高昂的維護(hù)成本。所以，我們需要分析出高高原冷發(fā)起動(dòng)困難的真正原因，為航空公司在解決該問(wèn)題時(shí)提供可以參考的理論依據(jù)。

1 CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)過(guò)程

發(fā)動(dòng)機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)到慢車轉(zhuǎn)速的過(guò)程稱之為起動(dòng)過(guò)程。首先在座艙中將模式旋鈕旋轉(zhuǎn)到IGN/START位，再把MASTER LEVER(主電門)開(kāi)到ON位。這時(shí)SAV(起動(dòng)空氣活門)電磁閥通電，導(dǎo)入壓力氣體將SAV打開(kāi)，隨后來(lái)自氣源系統(tǒng)的壓力空氣通過(guò)SAV帶動(dòng)STARTER(起動(dòng)機(jī))內(nèi)空氣渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)了高壓轉(zhuǎn)子(N2轉(zhuǎn)子)加速，同時(shí)低壓轉(zhuǎn)子(N1轉(zhuǎn)子)轉(zhuǎn)速上升。當(dāng)N2轉(zhuǎn)速達(dá)到16%時(shí)，點(diǎn)火器A或B其中一個(gè)開(kāi)始跳火，在N2轉(zhuǎn)速達(dá)到22%時(shí)，開(kāi)始供油，供油量由ECU(ElectronicControlUnit)根據(jù)PS3(壓氣機(jī)出口壓力)和外界總壓總溫計(jì)算出來(lái)。

圖1 CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程圖

點(diǎn)火成功以后，渦輪發(fā)出的功和起動(dòng)機(jī)共同帶動(dòng)N2轉(zhuǎn)子加速。當(dāng)N2達(dá)到50%時(shí)起動(dòng)機(jī)自動(dòng)脫開(kāi)，SAV關(guān)閉。這時(shí)利用渦輪發(fā)出的功帶動(dòng)壓氣機(jī)加速，直到達(dá)到慢車轉(zhuǎn)速，整個(gè)過(guò)程最長(zhǎng)不超過(guò)兩分鐘。過(guò)程如圖1所示[1]。

2 高高原環(huán)境對(duì)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(jìn)行燃燒反應(yīng)。噴嘴是一種燃油霧化裝置，CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)采用的雙油路離心式噴嘴，內(nèi)裝有一個(gè)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，然后以旋轉(zhuǎn)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(wú)數(shù)細(xì)小的油珠，從而達(dá)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(dú)立因素寫成不定式函數(shù)式為：

SMD=f(do,V,σ,ρ,μ,ρa(bǔ))

(1)

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

當(dāng)噴嘴結(jié)構(gòu)確定，燃油的粘度對(duì)SMD起著主導(dǎo)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?yàn)槿加蛪毫Φ脑龃?，燃油的旋轉(zhuǎn)離心力也隨之增大。另一方面，隨著起動(dòng)過(guò)程的進(jìn)行，空氣流量增加，油膜與空氣的相對(duì)速度變大，這時(shí)燃油粘度和表面張力對(duì)SMD的影響會(huì)逐漸變小[3]。

高高原地區(qū)的過(guò)夜航班起動(dòng)前，發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)在溫度較低的外界環(huán)境中待了很長(zhǎng)時(shí)間。根據(jù)煤油的動(dòng)力粘度μ和溫度T的關(guān)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(huì)導(dǎo)致燃油粘度加大，因此齒輪泵對(duì)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(shí)仍然以N2達(dá)到22%就開(kāi)始供油，SMD較大。油霧的最小點(diǎn)火能量與SMD的4.5次方成正比，SMD越大，點(diǎn)火就越困難。由于這個(gè)原因，發(fā)動(dòng)機(jī)需要更高的點(diǎn)火能量才能點(diǎn)著混合氣，但是ECU默認(rèn)點(diǎn)火邏輯為單點(diǎn)火，這就容易出現(xiàn)難以點(diǎn)著混合氣的情況，致EGT(ExhaustGasTemperature)上升十分緩慢。若EGT在15秒內(nèi)沒(méi)有上升420C，ECU認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有點(diǎn)著火，就會(huì)自動(dòng)停止點(diǎn)火，ECAM(ElectronicCentralizedAircraftMonitoring)出現(xiàn)IGN1，IGN2and/or115Vfaults的報(bào)錯(cuò)，整個(gè)過(guò)程中EGT、FF(FuelFlow)、N2、PS3變化量如圖3所示。

圖2 -30oC～30oC動(dòng)力粘度μ隨溫度的變化關(guān)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(dòng)常見(jiàn)故障及原因分析

3.1 起動(dòng)懸掛

起動(dòng)懸掛是指發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中，點(diǎn)火以后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加緩慢，最后穩(wěn)定在某個(gè)低于慢車的轉(zhuǎn)速值的現(xiàn)象。熱懸掛是指發(fā)動(dòng)機(jī)處于起動(dòng)懸掛狀態(tài)時(shí)燃油流量和EGT都很高，有出現(xiàn)熱起動(dòng)的危險(xiǎn)，常出現(xiàn)在高高原地區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中[5]。

根據(jù)ECU中的點(diǎn)火邏輯，當(dāng)N2達(dá)到22%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始供油，渦輪功率隨之增大。在發(fā)動(dòng)機(jī)到達(dá)慢車狀態(tài)前，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)渦輪發(fā)出的功率與起動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率之和必須大于發(fā)動(dòng)機(jī)加速消耗的功率才能使發(fā)動(dòng)機(jī)加速到慢車狀態(tài)[6]。

剩余功率的公式：

ΔN=NS+NT-NC

(5)

(起動(dòng)機(jī)功率NS；渦輪功率NT；壓氣機(jī)功率NC)

高高原機(jī)場(chǎng)具有海拔高、氣壓低、空氣密度小、氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)小等氣候特點(diǎn)，導(dǎo)致APU(AuxiliaryPowerUnit)引氣壓力小，NS不足。同時(shí)ECU為保證發(fā)動(dòng)機(jī)成功起動(dòng)，增大了供油量。根據(jù)前文的描述，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火初期，受燃油霧化質(zhì)量不好的影響，偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)，燃燒室內(nèi)此刻相對(duì)貧油,致NT不足。隨著起動(dòng)的持續(xù)進(jìn)行，燃燒室內(nèi)逆流到回流區(qū)的高溫燃?xì)饧訜嵊偷?，?dāng)達(dá)到燃油沸點(diǎn)時(shí)，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(zhuǎn)好，余氣系數(shù)也隨之快速變小，進(jìn)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(dòng)時(shí)，ΔN不足，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升緩慢，起動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，最后形成熱懸掛，過(guò)程中甚至?xí)霈F(xiàn)RollBack(掉轉(zhuǎn)速)的情況，ECAM出現(xiàn)“ENG1(2)STARTFAULT”警告信息，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)車。

3.2 熱起動(dòng)、超溫

根據(jù)CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的控制邏輯，ECU會(huì)采取EGT相對(duì)于N2的變化率曲線來(lái)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)EGT變化的情況，若EGT沒(méi)有按照對(duì)應(yīng)的N2變化率而迅速上升，就稱這種情況為熱起動(dòng)。熱起動(dòng)有超出發(fā)動(dòng)機(jī)紅線值(7250C)的可能，甚至引起發(fā)動(dòng)機(jī)失速，損傷失發(fā)動(dòng)機(jī)。

發(fā)動(dòng)機(jī)超溫是指EGT溫度超過(guò)了7250C[7]。

發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)熱起動(dòng)和超溫，ECU會(huì)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(fù)供油，如果仍然出現(xiàn)上述情況，ECU會(huì)重復(fù)前面的操作，若第四次仍然不能正常起動(dòng)，ECU將主動(dòng)放棄起動(dòng)，過(guò)程如圖4所示。在ECU的增強(qiáng)人工起動(dòng)模式下，出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)超溫，ECU還將直接停止點(diǎn)火，切斷供油，中斷起動(dòng)過(guò)程。在起動(dòng)過(guò)程中，我們因盡量避免出現(xiàn)熱起動(dòng)和超溫，因?yàn)槌霈F(xiàn)這些情況會(huì)損傷發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件，縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)熱起動(dòng)、超溫時(shí)ECU的處理方案

高高原地區(qū)ΔN小，N2轉(zhuǎn)速上升緩慢，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量小。當(dāng)燃燒室內(nèi)燃油的霧化質(zhì)量迅速好轉(zhuǎn)時(shí)，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(guò)快。尤其是當(dāng)Starter退出工作的短時(shí)間內(nèi)，ECU為保證NT，會(huì)適當(dāng)增大供油量，EGT更是顯著上升。另一方面由于ΔN不足，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量相對(duì)小，壓力低，不能有效冷卻渦輪[8]。當(dāng)出現(xiàn)熱起動(dòng)或者發(fā)動(dòng)機(jī)超溫，飛行員必須放棄起動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)處于高高原地區(qū)苛刻的外界條件下做航前冷發(fā)起動(dòng)時(shí)，滑油、燃油的在低溫中存放較長(zhǎng)時(shí)間，物性發(fā)生了改變，在ECU原有的起動(dòng)邏輯下，起動(dòng)之初難以獲得霧化良好的燃油，使得發(fā)動(dòng)機(jī)很難獲得起動(dòng)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(dòng)機(jī)LRU(LineReplaceableUnit)時(shí)，起動(dòng)困難的現(xiàn)象仍然存在，因?yàn)檫@并不是LRU故障所致。

CFM公司建議用戶在高高原機(jī)場(chǎng)，當(dāng)天第一次起動(dòng)時(shí)采用人工起動(dòng)，N2達(dá)到28%-30%時(shí)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(dòng)成功率。但是人工起動(dòng)過(guò)程中，ECU只能為發(fā)動(dòng)機(jī)提供超溫的保護(hù)，大大增加了發(fā)動(dòng)機(jī)被人為損壞的風(fēng)險(xiǎn)。為了降低這種風(fēng)險(xiǎn)，CFM公司需要對(duì)ECU的起動(dòng)邏輯進(jìn)行了升級(jí)，目前5BT軟件版本利用了EGT和TEO(TemperatureEngineOil)對(duì)TAT(TotalAirTemperature)的差值是否小于門限值的邏輯來(lái)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)是否為冷發(fā)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)評(píng)估后，EGT的差值門限值被設(shè)定為300C(此前為100C)，TEO的差值門限值被設(shè)定為150C。當(dāng)在高度大于10000英尺的機(jī)場(chǎng)，若ECU判定發(fā)動(dòng)機(jī)為冷發(fā)起動(dòng)，N2要達(dá)到30%或者最大冷轉(zhuǎn)速度時(shí)才開(kāi)始供油，并且采用雙點(diǎn)火，來(lái)保證起動(dòng)成功率。只有保證了發(fā)動(dòng)機(jī)的正常起動(dòng)，才能提升航班的準(zhǔn)點(diǎn)率。

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[責(zé)任編輯、校對(duì)：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(dòng)機(jī)方面的研究。

V235.13+1

A

1008-9233(2015)03-0003-04