付堯明，孟德印

(中國民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307)

基于QAR的CFM56-5B發(fā)動機(jī)高高原冷發(fā)啟動困難研究

付堯明，孟德印

(中國民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307)

CFM56-5B發(fā)動機(jī)作為運(yùn)行高高原機(jī)場的主力發(fā)動機(jī)，其啟動過程中常出現(xiàn)啟動失效即冷發(fā)啟動?；赒AR數(shù)據(jù)，從高高原與平原、冷發(fā)與熱發(fā)、冬季與夏季三個角度出發(fā)，對比正常發(fā)動機(jī)同一參數(shù)的正常趨勢，得出高高原冷發(fā)啟動常見的故障模式，如啟動失速、點(diǎn)火故障和啟動懸掛，最后分析得出高高原冷發(fā)啟動困難的原因并提出改進(jìn)措施，為高高原發(fā)動機(jī)啟動提供參考。

CFM56-5B發(fā)動機(jī)；高高原；冷發(fā)啟動；QAR；故障模式

0 引言

在我國，高海拔機(jī)場和復(fù)雜航線幾乎全部集中在了西南、西北地區(qū)。高高原機(jī)場多位于地形復(fù)雜、氣候多變的地區(qū)，海拔高、空氣稀薄、含氧量低，并且晝夜溫差大、民用航空運(yùn)輸難度大，這對執(zhí)飛高高原機(jī)場的空客A319飛機(jī)冷發(fā)啟動提出了更高的要求。

隨著我國航空運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展和2010年1月民航局《關(guān)于促進(jìn)西藏民航事業(yè)發(fā)展的若干意見》的出臺，高原-高原機(jī)場航線結(jié)構(gòu)的變化以及飛機(jī)在高高原機(jī)場過夜在航空公司營運(yùn)中的常態(tài)化，發(fā)動機(jī)在使用過程中常出現(xiàn)不能正常啟動，如出現(xiàn)啟動超溫、啟動失速、點(diǎn)火故障及啟動懸掛等故障，都將加速發(fā)動機(jī)性能的衰退，為航空公司帶來高昂的維護(hù)成本[1]，影響航空公司和民用機(jī)場自身的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)效益的實(shí)現(xiàn)，還關(guān)系到整個民航事業(yè)的發(fā)展。因此，研究高高原機(jī)場冷發(fā)啟動困難，對確保飛行安全有著極其重要的意義。

1 高高原發(fā)動機(jī)啟動故障模式

據(jù)國內(nèi)某航空公司統(tǒng)計，自2012年2月開始在拉薩機(jī)場安排飛機(jī)過夜，截止2014年2月的兩年時間內(nèi)，共計停放過夜飛機(jī)788架次，其中每年10月至次年5月(冬春季)共計停放342架次。在冬春季過夜停放的342架次中，首班發(fā)動機(jī)啟動不成功277次，累計因發(fā)動機(jī)啟動不成功造成航空公司航班延誤201次，平均延誤時間達(dá)27分鐘，嚴(yán)重影響了航空公司的正常運(yùn)營。同時高高原機(jī)場啟動困難還伴隨著虛假的點(diǎn)火故障信息，容易造成誤換件，也給航空公司造成不小的經(jīng)濟(jì)損失。

通過報文和QAR(Quick Access Recorder)譯碼數(shù)據(jù)得出高高原機(jī)場發(fā)動機(jī)啟動常見故障模式主要有以下三種。

(1)啟動失速。通常是在N2(高壓轉(zhuǎn)速)達(dá)到40%左右，EGT(排氣溫度)較快上升但相應(yīng)的N2轉(zhuǎn)速上升較慢時觸發(fā)“START STALL”報文(06)，無ECAM(飛機(jī)電子集中監(jiān)控)警告和故障信息。如圖1所示。

(2)點(diǎn)火故障。根據(jù)報文終端處理統(tǒng)計，“ENG 1(2)IGN A(B)FAULT”故障信息通常是當(dāng)發(fā)動機(jī)開始點(diǎn)火供油后，ECU(電子控制組件)未探測到EGT明顯上升時觸發(fā)。如圖2所示。

(3)啟動懸掛。發(fā)動機(jī)從停車的靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入慢車的啟動過程中，如果N2轉(zhuǎn)速上升緩慢甚至停止，則視為啟動懸掛。若發(fā)動機(jī)排氣溫度EGT上升很快而N2轉(zhuǎn)速不上升則為熱懸掛。若EGT和N2轉(zhuǎn)速都不上升則為冷懸掛[2]。主要出現(xiàn)在高高原機(jī)場過夜飛機(jī)的首個航班的自動啟動階段，冬季居多。據(jù)統(tǒng)計，啟動失敗，ECAM警告通常是N2轉(zhuǎn)速達(dá)到50% 此時起動機(jī)脫開，N2掉轉(zhuǎn)速(ROLL BACK)或者加速緩慢。嚴(yán)重時，ECAM出現(xiàn)“ENG 1(2)START FAULT”警告信息，發(fā)動機(jī)關(guān)車。典型啟動懸掛情況匯總?cè)绫?所示。

表1 啟動懸掛情況匯總

2 QAR譯碼軟件

2.1 QAR定義與功用

QAR是一種快速存取記錄器，通過機(jī)載設(shè)備采集記錄航班上各類數(shù)據(jù)，經(jīng)由地面譯碼軟件解析，對機(jī)組操縱、飛機(jī)運(yùn)行等情況進(jìn)行監(jiān)控，提升飛行品質(zhì)，加大安全裕度。在大數(shù)據(jù)時代，QAR數(shù)據(jù)是航空公司十分寶貴的數(shù)據(jù)資產(chǎn)，利用QAR的數(shù)據(jù)監(jiān)控，航空公司可以及時發(fā)現(xiàn)飛行各個階段的安全隱患，找出原因并采取措施。同時在飛行時間統(tǒng)計、飛機(jī)故障排查輔助、飛行程序分析、燃油監(jiān)控等方面也均有廣泛地應(yīng)用。

2.2 QAR譯碼軟件的使用

QAR數(shù)據(jù)的收集來源于國內(nèi)某航空公司，提供了龐大的高高原運(yùn)行數(shù)據(jù)庫。QAR數(shù)據(jù)譯碼軟件是空客飛機(jī)機(jī)載飛行數(shù)據(jù)采集器的生產(chǎn)廠家TELEDYNE公司提供的譯碼軟件TDRS。針對大數(shù)據(jù)首先進(jìn)行預(yù)處理，篩選出發(fā)動機(jī)啟動相關(guān)數(shù)據(jù)，如高高原與平原、冷發(fā)與熱發(fā)、冬季與夏季三種情況下的啟動困難與正常啟動的數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的參數(shù)，如TAT(外界大氣溫度)、壓力高度、N1(低壓轉(zhuǎn)速)、N2(高壓轉(zhuǎn)速)、FF(燃油流量)和EGT(排氣溫度)等。

2.3 QAR使用注意事項

利用QAR記錄的大量有關(guān)飛行品質(zhì)和狀態(tài)的監(jiān)控數(shù)據(jù)，能夠準(zhǔn)確反映發(fā)動機(jī)參數(shù)的關(guān)聯(lián)性，再現(xiàn)故障形式，確定故障特征，幫助機(jī)務(wù)工程師快速準(zhǔn)確地排除故障。但也對機(jī)務(wù)工程部門和機(jī)務(wù)工程師提出了更高要求。對于機(jī)務(wù)工程部門而言，首先需要全程嚴(yán)格、高效地收集、管理QAR譯碼數(shù)據(jù)，加強(qiáng)QAR系統(tǒng)維護(hù)，確保其能夠可靠工作，并且能夠承擔(dān)數(shù)據(jù)對比和分析的任務(wù)，為機(jī)務(wù)人員排故提供有力的技術(shù)支撐。同時機(jī)務(wù)工程師不僅要對飛機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)有深刻了解，注重排故經(jīng)驗的總結(jié)和交流，更需要掌握QAR提供的參數(shù)特性，分析數(shù)據(jù)背后的故障成因，培養(yǎng)利用QAR排故的意識和技能[3]。

3 高高原冷發(fā)啟動困難分析

3.1 啟動失速

將飛機(jī)上的PC卡取下，放入讀卡器中，電腦會彈出一個文件夾，打開MSG.DAT文件，查找發(fā)動機(jī)啟動失速的信息。如圖1所示，可以看出飛機(jī)機(jī)型為空客A319，日期是12月17日，執(zhí)飛航段：拉薩-重慶，TAT為-3℃，氣壓高度為11288英尺以及啟動失速信息。將所有啟動失速報文整理并匯總，由此來分析高高原機(jī)場發(fā)動機(jī)啟動失速的原因。表2為部分發(fā)動機(jī)啟動失速情況匯總。

表2 啟動失速情況匯總

由表2可知，高高原啟動失速多發(fā)生在APU引氣階段。由表2第一個例子可知，啟動活門打開時引氣壓力為18PSI，而正常啟動時要求引起壓力在25～55PSI之間。這樣會導(dǎo)致N2轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降，進(jìn)而高壓壓氣機(jī)引氣量下降，軸向氣流速度下降，形成正攻角。正攻角使氣流在葉背分離，嚴(yán)重時會導(dǎo)致壓氣機(jī)失速。這就解釋了為何啟動失速多發(fā)生在APU引氣階段。同時，表2第三、四個例子的QAR譯碼數(shù)據(jù)也能表征發(fā)動機(jī)啟動失速。

利用專業(yè)軟件對QAR數(shù)據(jù)譯碼，結(jié)果發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)啟動失速問題主要發(fā)生在高高原機(jī)場熱發(fā)啟動，而冬季高高原冷發(fā)啟動失速相對較少。本文重點(diǎn)選取高高原熱發(fā)啟動失速進(jìn)行分析。

3.1.1 高高原與平原對比(見圖3)

(a)N2變化曲線圖

由圖3中N2轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線圖，可以看出冬季平原熱發(fā)啟動N2轉(zhuǎn)速上升較快，而冬季高高原熱發(fā)啟動N2轉(zhuǎn)速上升緩慢，啟動時間接近兩分鐘，大約是平原啟動時間的3倍。高高原與平原的燃油油量差異更明顯，高高原啟動供油時間更晚，而且供油量趨于平緩，供油量明顯少于平原啟動。轉(zhuǎn)速上升緩慢，燃油切斷6秒左右，導(dǎo)致啟動失速。

3.1.2 冷發(fā)與熱發(fā)對比(見圖4)

同在夏季高高原機(jī)場，冷發(fā)與熱發(fā)啟動之間差異略小，啟動時間都較長，供油量變化率較小，但差異體現(xiàn)在熱發(fā)啟動過程中，燃油切斷6秒，結(jié)合QAR數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)熱發(fā)啟動前EGT余溫較高，沒有留出一定的時間冷卻，導(dǎo)致排氣溫度上升較快，而轉(zhuǎn)速上升緩慢，啟動時間加長。

(a)N2變化曲線圖

3.1.3 冬季與夏季對比(見圖5)

(a)N2變化曲線圖

結(jié)合QAR譯碼數(shù)據(jù)分析圖5可知，夏季高高原熱發(fā)啟動N2轉(zhuǎn)速從40%到42%上升緩慢，同時供油量偏低，并且燃油切斷6秒左右，燃油流量為零，排氣溫度降低，轉(zhuǎn)速下降，再次供油，發(fā)動機(jī)啟動成功。

3.2 點(diǎn)火故障

QAR數(shù)據(jù)表明無論高海拔或低海拔機(jī)場的用戶都只在當(dāng)天的首次發(fā)動機(jī)啟動時遇到點(diǎn)火故障問題。自2012年3季度以來，交付的800臺發(fā)動機(jī)中50臺有發(fā)動機(jī)地面點(diǎn)火故障的報告。數(shù)據(jù)表明有兩種故障模式：發(fā)動機(jī)供油后正常點(diǎn)火，但EGT上升達(dá)不到42℃的門限值；發(fā)動機(jī)供油后未能正常點(diǎn)火，如圖6所示。

圖6 點(diǎn)火故障報告

從譯碼數(shù)據(jù)可以看到，在時間大約23秒時開始供油，15秒后由于EGT并未上升超過42℃(ECU通過探測EGT的變化率，CFM56-5B變化量大約為42℃來判定點(diǎn)火是否成功)，ECU判斷點(diǎn)火失敗于是自動中斷點(diǎn)火和供油。此時按照設(shè)定的自動啟動邏輯，干冷轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)30秒。在發(fā)動機(jī)干轉(zhuǎn)過程中，ECU在第25秒啟動雙點(diǎn)火，在第30秒恢復(fù)供油，發(fā)動機(jī)嘗試第二次啟動，在上圖69秒時二次啟動成功[4]。

分析圖6，燃油油量初始供油階段，在N2轉(zhuǎn)速達(dá)到27.6% 時刻供油量突增，油量過多，再加上高高原環(huán)境的特殊性，空氣稀薄，氧氣含氧量不足，余氣系數(shù)減小，導(dǎo)致富油，同時溫度低影響燃油的粘性導(dǎo)致燃油霧化效果差，最終造成點(diǎn)火失敗。

根據(jù)機(jī)務(wù)工程師的工作經(jīng)驗，更換多個 LRU(航線可更換件)(ECU,exciters,igniters,fuel nozzles,HMU 等等)，所有部件返廠但都未發(fā)現(xiàn)故障。另外，點(diǎn)火系統(tǒng)測試顯示當(dāng)前生產(chǎn)的激勵器和電嘴都在工作范圍內(nèi)并有足夠的裕度。

3.3 啟動懸掛

基于大量的QAR數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)啟動懸掛問題主要發(fā)生在冬季高高原冷發(fā)啟動時。將冬季高高原冷發(fā)啟動懸掛與冬季高高原冷發(fā)啟動正常進(jìn)行對比，分析兩者總體趨勢圖的差異，如圖7-8所示。從圖7可以看出，發(fā)動機(jī)正常啟動情況下，起動機(jī)脫開后即N2轉(zhuǎn)速達(dá)到50%，自行加速到慢車狀態(tài)(N2達(dá)到60%)用時大約30秒，啟動時間91秒。而發(fā)動機(jī)啟動懸掛情況下，燃油供油略早，當(dāng)N2轉(zhuǎn)速達(dá)到50% 起動機(jī)脫開之后，燃油流量上升非常緩慢，N2掉轉(zhuǎn)速，如圖8所示。N2曲線略彎曲下沉，歷時75秒達(dá)到慢車轉(zhuǎn)速，此時發(fā)動機(jī)啟動失敗。同樣是冬季高高原冷發(fā)啟動，QAR譯碼數(shù)據(jù)顯示，后者發(fā)動機(jī)沒有提前冷轉(zhuǎn)導(dǎo)致啟動困難。

圖7 發(fā)動機(jī)正常啟動N1/N2/PS3/EGT/FF變化曲線圖

將冬季高高原冷發(fā)啟動懸掛與冬季高高原熱發(fā)啟動正常、冬季高高原冷發(fā)啟動懸掛與冬季平原冷發(fā)啟動正常、冬季高高原冷發(fā)啟動懸掛與夏季高高原冷發(fā)啟動正常分別進(jìn)行對比，選取關(guān)鍵參數(shù)N2、FF、PS3，對比正常發(fā)動機(jī)的同一參數(shù)的正常趨勢，如圖9所示。

(a)N2變化曲線圖

由圖9(b)可知，在冬季高高原機(jī)場發(fā)動機(jī)冷發(fā)啟動供油時間比正常啟動稍晚一點(diǎn)，供油量偏低，同時供油量的變化率很小，導(dǎo)致N2轉(zhuǎn)速達(dá)到慢車轉(zhuǎn)速用時較長。由(c)可知，在冬季高高原機(jī)場發(fā)動機(jī)冷發(fā)啟動過程中，起動機(jī)大約在66秒脫開，高壓壓氣機(jī)出口壓力PS3走勢趨于平緩，表明壓氣機(jī)增壓比下降，壓氣機(jī)效率下降，壓氣機(jī)消耗的功率增大，導(dǎo)致渦輪輸出功率不足[5]。另外兩種類型的對比，原理同上。

導(dǎo)致啟動懸掛的原因比較復(fù)雜，冬季高高原機(jī)場大氣溫度低、燃油粘度增大、霧化質(zhì)量差、燃燒效率降低，導(dǎo)致渦輪功率不足。同時，空氣密度低、等質(zhì)量氣體體積變大，從而壓氣機(jī)消耗的功率增大，再加上渦輪功率不足，使得剩余功率進(jìn)一步減小，從而導(dǎo)致啟動懸掛。

4 結(jié)語

基于QAR數(shù)據(jù)對高高原發(fā)動機(jī)冷發(fā)啟動困難進(jìn)行分析，提出以下綜合改進(jìn)措施。

(1)發(fā)動機(jī)啟動前干冷轉(zhuǎn)。冬季高高原機(jī)場過夜后的首個航班，發(fā)動機(jī)啟動前執(zhí)行2分鐘干冷轉(zhuǎn)。這樣做實(shí)際上是為了暖機(jī)從而能夠降低滑油粘度，減少發(fā)動機(jī)啟動時阻力，同時干冷轉(zhuǎn)能夠減小發(fā)動機(jī)氣動間隙，提高發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)、渦輪效率，有效地減少發(fā)動機(jī)啟動懸掛故障的發(fā)生。

(2)采用交輸引氣啟動。高高原機(jī)場，當(dāng)一臺發(fā)動機(jī)啟動成功后，使用交輸引氣啟動另外一側(cè)發(fā)動機(jī)，這樣可以確保起動機(jī)啟動功率充足，避免由于APU引氣導(dǎo)致的啟動失速情況。

(3)采用人工方式啟動。高高原機(jī)場雖然更改了自動啟動邏輯，可以大幅度提升首次啟動成功率。但根據(jù)發(fā)動機(jī)廠家及空客公司建議采用人工方式啟動發(fā)動機(jī)，即當(dāng)起動機(jī)帶動發(fā)動機(jī)至最大轉(zhuǎn)速時再點(diǎn)火供油。人工方式使用雙點(diǎn)火，同時點(diǎn)火供油時機(jī)推遲到起動機(jī)帶動的最大轉(zhuǎn)速，這樣能確保點(diǎn)火成功率，更利于發(fā)動機(jī)啟動成功。

為了提高啟動成功率，建議全部優(yōu)化執(zhí)飛高高原航線的發(fā)動機(jī)，包括軟件的升級以及ECU軟件控制邏輯。采取延遲供油，點(diǎn)火成功后采用雙點(diǎn)火并增加10%供油量的措施，減少啟動時間，降低高高原機(jī)場發(fā)動機(jī)啟動問題發(fā)生的概率。

[1] 敖良忠，錢鋒.CFM56-5B發(fā)動機(jī)高高原冷發(fā)起動困難的研究[J].西安航空學(xué)院學(xué)報,2015,33(3)：3-6.

[2] 張元.發(fā)動機(jī)的啟動懸掛問題的研究[J].航空維修與工程,2010(5):43-45.

[3] 鄭波.基于QAR數(shù)據(jù)的民航發(fā)動機(jī)排故方法研究[J].中國民航飛行學(xué)院學(xué)報,2015,26(1)：47-49.

[4] Customer Training Center.CFM56-5B Training Manual[M].Courcouronnes:Snecma,2007:28.

[5] 譚燕.CFM56-7B發(fā)動機(jī)的熱啟動及啟動懸掛[J].中國民航飛行學(xué)院學(xué)報,2011,22(4)：24-26，29.

[責(zé)任編輯、校對：李 琳]

On the Difficult Cold Start of QAR-based CFM56-5B Engine on High Plateaus

FUYao-ming,MENGDe-yin

(Aviation Engineering Institute,Civil Aviation Flight University of China,Guanghan 618307,China)

CFM56-5B engine,as the main engine on airports of high plateau,often encounters failure at cold start.Based on QAR data,and from the three angles of high plateau-plain,cold start-hot start,and winter and summer,the paper presents the common failure modes of high plateau cold start by the comparison with the normal trend of the same parameter of normal engines,such as start stall,ignition failure,and start hanging.Finally,the paper concludes the reasons for the difficult cold start at high plateaus through analysis, and proposes some measures for improvement, which can provide references for the high plateau engine start.

CFM56-5B engine;high plateau;first cold start;QAR;failure mode

2016-11-03

中國民用航空飛行學(xué)院研究生創(chuàng)新項目(X2015-11)

付堯明(1970-)，男，四川綿竹人，教授，主要從事航空發(fā)動機(jī)故障診斷與狀態(tài)監(jiān)控研究。

V263.6

A

1008-9233(2017)01-0016-09