尚永鋒，劉少華，馮天杰，康峻瑀

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

1 引言

隨著西部大開發(fā)的深度實(shí)施，越來越多的航空公司進(jìn)駐了高高原機(jī)場，改善了我國高高原地區(qū)的交通狀況和經(jīng)濟(jì)面貌，目前世界范圍內(nèi)共計(jì)有25個(gè)運(yùn)行中的高高原機(jī)場，其中我國占到了52%。尤其是我國61%的高高原機(jī)場海拔都超過3500米，但西部地區(qū)部分高高原機(jī)場地理地勢(shì)復(fù)雜，天氣條件多變，對(duì)飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的性能的維護(hù)和保障提出了更高的要求。由于氣候和海拔的因素，高高原過夜的飛機(jī)容易發(fā)生啟動(dòng)點(diǎn)火失敗故障。

對(duì)于高高原發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火故障的研究在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域研究成果較少，對(duì)故障模式?jīng)]有實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。文獻(xiàn)[1]等人根據(jù)國軍標(biāo)要求，借助英國公司的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)高原航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能做出了試驗(yàn)分析。文獻(xiàn)[2]分海拔高度對(duì)起動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)共同工作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到了不同海拔高度下起動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的參數(shù)。文獻(xiàn)[3]針對(duì)高原發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)初期采用補(bǔ)氧和氣動(dòng)液壓負(fù)載控制的方式改善發(fā)動(dòng)機(jī)在高海拔地區(qū)的啟動(dòng)性能。文獻(xiàn)[4]研究了某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在高原環(huán)境下起動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)困難現(xiàn)象，并提出了相應(yīng)的措施意見作為參考。在文獻(xiàn)[5]對(duì)某型渦扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)在高原的啟動(dòng)過程應(yīng)用歷程圖方式進(jìn)行了展現(xiàn)，把平原啟動(dòng)和高高原啟動(dòng)過程做出對(duì)比，提出了具體的措施來提高高原渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的成功率。文獻(xiàn)[6]研究了工況參數(shù)對(duì)于航空煤油噴霧過程的影響,文獻(xiàn)[7]在對(duì)影響燃油霧化和化學(xué)反應(yīng)速率研究基礎(chǔ)上給出了最小點(diǎn)火能量的函數(shù)反應(yīng)式。文獻(xiàn)[8-9]也對(duì)低壓條件下點(diǎn)火問題進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[10]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)trainbr 訓(xùn)練算法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)供油量進(jìn)行了估計(jì)；國外航空公司起步較早，但由于世界范圍內(nèi)主要高高原機(jī)場主要在中國、尼泊爾、秘魯、玻利維亞、厄瓜多爾等國，導(dǎo)致國外作為主要飛機(jī)生產(chǎn)國的美國和歐洲主要國家關(guān)于這方面的研究較少。在西藏航空成立之前，還沒有航空公司的飛機(jī)在高高原過夜運(yùn)營，因此無可靠性數(shù)據(jù)借鑒，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較少，導(dǎo)致高高原運(yùn)營的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)隊(duì)技術(shù)管理在行業(yè)上是空白。

目前我國高高原運(yùn)行的主要有波音737NG 和空客A320兩種機(jī)型，波音737主要應(yīng)用的是CFM56-7B，空客A320較多應(yīng)用的是CFM56-5B。由于這兩款發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)類似，所以本文分析的數(shù)據(jù)以這兩款機(jī)型為主，分析發(fā)動(dòng)機(jī)高高原運(yùn)行點(diǎn)火失敗的原因，并提出改進(jìn)辦法，為高高原運(yùn)行的飛機(jī)提供理論依據(jù)和支持[11-12]。

2 最小點(diǎn)火能量及索太爾平均直徑

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在高高原條件下工作時(shí)，由于大氣壓力過低造成點(diǎn)火時(shí)的空氣流量與設(shè)計(jì)參數(shù)相差較大、燃燒條件惡劣，燃燒室內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)、流場內(nèi)的氣體流速及火焰結(jié)構(gòu)都將發(fā)生很大變化。確保航空發(fā)動(dòng)機(jī)在高高原機(jī)場惡劣條件下可靠的點(diǎn)火性能，是發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中面臨的一大關(guān)鍵問題。點(diǎn)火性能通常用最小點(diǎn)火能量Emin來綜合衡量，即點(diǎn)火成功所需要的最小能量。

Lefebvre[13]提出了基于特征時(shí)間、并考慮化學(xué)反應(yīng)速率的總體點(diǎn)火模型，用來計(jì)算最小點(diǎn)火能量Emin，假設(shè)火花通過液滴產(chǎn)生了一個(gè)球形電火花，為了在沒有幫助的情況下在剩余的混合物中生存和傳播，該液滴的尺寸必須足夠大，使其體積內(nèi)的熱釋放速率剛好超過其對(duì)周圍環(huán)境的熱損失速率。這個(gè)臨界尺寸被稱為猝熄距離dq，而產(chǎn)生直徑為dq的球形火花核所需的最小能量定義了最小點(diǎn)火能量Emin，其公式為：

根據(jù)Ballal 和Lefebvre 最小點(diǎn)火能量的函數(shù)反應(yīng)式，影響最小點(diǎn)火能量的主要因素是燃油蒸汽與空氣的混合物中燃油液滴直徑的大小，燃油液滴直徑越大，所需點(diǎn)火能量越高。而燃油液滴的直徑大小與燃油霧化程度密切相關(guān)，燃油霧化越徹底，燃油液滴直徑越小。為了量化霧化粒度的大小，引入了液霧平均直徑的概念，SMD（Sauter 平均直徑）是目前最常用的描述噴霧霧化粒度的表達(dá)式，根據(jù)液滴破碎原理的不同，把破碎階段分為三個(gè)階段，前兩個(gè)階段分別在管道內(nèi)和噴出噴油嘴前期，最主要的霧化階段在噴出噴油嘴的后期，SMD 平均液滴粒徑直徑用均一的液霧尺寸代替原來的液霧，而保持原來液霧的某種特征量不變。

經(jīng)驗(yàn)表明，最小點(diǎn)火能量Emin與燃油霧化形成的液滴索太爾平均直徑（SMD）的4.5 次方成正比[14]。由Tanasawa 和Toyoda提出的液滴索太爾平均直徑經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：

式中：d0—噴孔直徑；ρ—噴嘴周圍環(huán)境氣體的密度；UL—出口處的燃油流速；μL—液體的動(dòng)力粘性系數(shù)；σ—液體表面張力；ρL—燃油密度。

由式（2）可以看出，燃油品質(zhì)、燃油噴嘴構(gòu)造、液體表面張力因素都會(huì)影響燃油霧化效果，研究對(duì)象為采用航空煤油的CFM56系列離心式燃油噴嘴在冬季低溫條件下點(diǎn)火失敗的問題，因此影響燃油霧化主要因素包括燃油噴射速度以及燃燒室壓力。

3 影響SMD的因素

3.1 燃油噴射速度

CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)采用雙路離心式燃油噴嘴，如圖1所示。

圖1 CFM系列發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴Fig.1 Fuel Injection Nozzle of CFM Series Engine

發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，燃油從進(jìn)口流入，且當(dāng)燃油低于120psi 時(shí)只有主回路供油，通過主油路流過燃油管和噴嘴末端，最后以噴射角度64°、均勻的霧化形態(tài)噴入燃燒室，以達(dá)到在小油壓時(shí)也能很好霧化的效果。CFM 系列發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴示意圖，如圖1所示。

由于燃油噴嘴主油路出口截面積固定不變，因此燃油噴射速度主要由燃油供油壓力決定，而燃油噴射壓力主要由燃油供應(yīng)量決定，見式（3）。

式中：WF—燃油流量；UL—噴嘴出口處的燃油流速；ρF—燃油密度；A—燃油噴嘴主油路出口截面積。

高高原環(huán)境下大氣密度低，相同N1轉(zhuǎn)速的情況下，空氣流量會(huì)隨著密度的降低而降低，然而由于拉薩等高高原機(jī)場在秋冬季節(jié)早上的溫度大約可以達(dá)到（-8～-2）℃，發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇在地面慢車狀況下的結(jié)冰關(guān)鍵溫度為（-9～-6）℃[14]，因此秋冬季節(jié)在拉薩等高高原機(jī)場早上第一次啟動(dòng)過程中，由于低溫導(dǎo)致燃油粘性大，噴注壓差降低以及存在結(jié)冰的可能，會(huì)使得葉片氣動(dòng)性能的改變而影響空氣流量，而發(fā)動(dòng)機(jī)燃油調(diào)節(jié)器會(huì)相應(yīng)降低燃油供應(yīng)來適應(yīng)空氣流量的下降，各個(gè)壓力下燃油霧化的效果，可以看出壓力的變化導(dǎo)致的燃油霧化性能變差，點(diǎn)火所需最小能量大大增加，從而導(dǎo)致點(diǎn)火成功率下降，如圖2 所示。

圖2 不同壓力下燃油的霧化情況Fig.2 Fuel Atomization under Different Pressures

以標(biāo)準(zhǔn)海平面處的SMD 和Emin作為參照，設(shè)海平面SMD=1，Emin=1，忽略其他次要參數(shù)的影響。以拉薩貢嘎機(jī)場為例，拉薩貢嘎機(jī)場的大氣密度為0.855kg/m3，海拔最低處的大氣密度為1.225kg/m3，拉薩機(jī)場的大氣密度和零海拔地區(qū)的大氣密度相比下降了30%，假設(shè)溫度降低對(duì)壓氣機(jī)效率的影響忽略，相應(yīng)的空氣流量下降30%。發(fā)動(dòng)機(jī)控制油氣比保持不變，燃油供油量成比比例減少，導(dǎo)致噴嘴的燃油噴射壓力下降，則由式（3）可以得出，燃油的噴射速度將下降30%。

由式（2），SMD 與噴射速度成反比，即SMD 會(huì)增加42.8%。而最小點(diǎn)火能量Emin又與SMD 的4.5 次方成正比，因此拉薩貢嘎機(jī)場的Emin增加為海平面的5 倍，同理也可以推算出其他海拔高度下燃油流量減小對(duì)SMD 和最小點(diǎn)火能量影響結(jié)果，如表1 所示。

表1 空氣流量引起的最小點(diǎn)火能量變化Tab.1 Minimum Ignition Energy Change Caused by Air Flow

3.2 燃燒室壓力

隨著燃燒室壓力的增高，由于剪切力和摩擦加劇使霧化粒度變細(xì)，SMD 減小。燃燒室氣體密度的增加對(duì)湍流產(chǎn)生抑制作用，從分子運(yùn)動(dòng)學(xué)層面分析,使得周圍氣體分子的運(yùn)動(dòng)更加劇烈，環(huán)境氣體分子之間的平均碰撞概率增大從而使噴霧液滴與氣體分子的動(dòng)量交換加劇，這使得液滴直徑減小。

以拉薩機(jī)場為例，拉薩機(jī)場的大氣密度比海平面地區(qū)的大氣密度下降了30%，則相應(yīng)的空氣流量也下降30%，忽略溫度降低對(duì)壓氣機(jī)效率的影響，燃燒室壓力下降30%左右。由公式（2），SMD和密度的0.25次方成反比，而Emin正比于SMD的4.5次方，可以看出隨著海拔高度增加，燃燒室壓力下降，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火所需最小點(diǎn)火能量增加。以拉薩貢嘎機(jī)場為例，最小點(diǎn)火能量增加約50%，如表2所示。

表2 燃燒室壓力降低引起的最小點(diǎn)火能量變化Tab.2 Minimum Ignition Energy Change Caused by Combustion Chamber Pressure Drop

隨著海拔的逐漸升高，空氣越來越稀薄，從而發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)燃油噴射速度較小，燃燒室壓力下降，導(dǎo)致燃油霧化效果變差，根據(jù)霧化效果的影響計(jì)算所需要的點(diǎn)火能量大大增加，最典型的是海拔高度達(dá)到4334米的貢嘎機(jī)場，該機(jī)場機(jī)場最小點(diǎn)火能量需求大約達(dá)到了該型發(fā)動(dòng)機(jī)在海平面啟動(dòng)時(shí)的7.56倍，是在昆明長水機(jī)場啟動(dòng)時(shí)的2.7倍，是在雙流機(jī)場啟動(dòng)時(shí)的5.4倍，具體數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 不同海拔機(jī)場所需最小點(diǎn)火能量Fig.3 Minimum Ignition Energy Required for Airports at Different Altitudes

4 高高原機(jī)場啟動(dòng)優(yōu)化方案

由于海拔高度增加，空氣變得稀薄，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)的空氣流量較一般平原機(jī)場點(diǎn)火時(shí)的空氣流量下降較多、燃燒室壓力偏低、燃油流量下降、霧化效果變差，再加上高高原機(jī)場早上溫度較低，在冷發(fā)啟動(dòng)的過程中伴隨尾噴管冒白煙和噴火現(xiàn)象，并啟動(dòng)失敗。

為了改善發(fā)動(dòng)機(jī)高高原濕啟動(dòng)問題，從兩方面解決這個(gè)問題：

（1）采用人工方式啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，延遲點(diǎn)火時(shí)機(jī)；

（2）適當(dāng)增加供油量。

4.1 采用人工方式啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，延遲點(diǎn)火時(shí)機(jī)

在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中，一共要經(jīng)歷三個(gè)階段，在第一階段中，主燃燒室未點(diǎn)火，由起動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)選取適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速后是能否可以點(diǎn)火成功的關(guān)鍵?？諝饬髁窟^小時(shí)點(diǎn)火容易造成富油點(diǎn)火，從而引起發(fā)動(dòng)機(jī)EGT超溫和發(fā)動(dòng)機(jī)喘振；轉(zhuǎn)速過高延長了發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間，所以把握高高原啟動(dòng)時(shí)機(jī)的轉(zhuǎn)速至關(guān)重要。

CFM56-5B和CFM-7B發(fā)動(dòng)機(jī)有自動(dòng)啟動(dòng)和人工啟動(dòng)兩種模式。在自動(dòng)啟動(dòng)模式，F(xiàn)ADEC控制發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、啟動(dòng)機(jī)關(guān)斷活門（SOV）、燃油關(guān)斷活門，當(dāng)N2轉(zhuǎn)速達(dá)到16%時(shí)，F(xiàn)ADEC打開點(diǎn)火激勵(lì)器，開始產(chǎn)生電火花，當(dāng)N2轉(zhuǎn)速達(dá)到22%時(shí)，F(xiàn)ADEC會(huì)打開燃油關(guān)斷活門并開始供油點(diǎn)火。高高原空氣稀薄，導(dǎo)致燃油霧化變差，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火失敗。因此建議高高原運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)采用人工啟動(dòng)方式，推遲發(fā)動(dòng)機(jī)供油點(diǎn)火時(shí)刻。

2019年1月份B737NG發(fā)動(dòng)機(jī)拉薩機(jī)場及雙流機(jī)場早晨第1趟航班的燃燒室壓力數(shù)據(jù)，如表3 所示?？梢钥闯鲭S著轉(zhuǎn)速增加，發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量也隨之增加，由于若將發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火轉(zhuǎn)速從22%延遲到30%，不僅燃燒室壓力恢復(fù)到雙流機(jī)場的84%左右，燃油供油量也大大增加，燃油霧化性能改善，從而提高了點(diǎn)火成功的機(jī)率。

表3 雙流及貢嘎機(jī)場不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的燃燒室壓力Tab.3 Combustion Chamber Pressure Corresponding to Different Engine Speeds at Shuangliu and Gongga Airport

在起動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的初期，由于壓氣機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度較慢且空氣壓力相對(duì)小，燃油的SMD主要受離心噴嘴本身和空氣壓力的共同作用，燃油噴出的速度小，在氣動(dòng)力增大的同時(shí)旋流器對(duì)空氣的剪切作用增強(qiáng)，對(duì)燃油的霧化效果有明顯改善，相比于未推遲供油點(diǎn)火的情況下，SMD減小且燃油分布指數(shù)增大。在供油壓力增大的過程中，供油壓力所能影響的燃油霧化效果逐漸加大，在供油壓力超過某一數(shù)值之后，燃油霧化達(dá)到一穩(wěn)定值[15]。

4.2 增加供油量

當(dāng)N2轉(zhuǎn)速增加到30%左右點(diǎn)火時(shí)，一定程度增加供油量可以加快燃油噴射速度，從而改善燃油霧化效果。增加供油主要有兩個(gè)方法：

（1）采用延遲點(diǎn)火的辦法，將在雙流機(jī)場N2轉(zhuǎn)速為22%點(diǎn)火時(shí)刻時(shí)間后移至30%，這樣燃燒室空氣流量增加，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油流量也相應(yīng)增加，如前文所述，發(fā)動(dòng)機(jī)假設(shè)油氣比保持不變，啟動(dòng)供油點(diǎn)火時(shí)刻從22%N2轉(zhuǎn)速延遲到30%，PS3會(huì)由9.75psi 增加到12.25psi，假設(shè)FADEC控制油氣比保持不變，則燃油供應(yīng)會(huì)相應(yīng)增加20.5%。

（2）增加燃油供油量。通過增加燃油流量，使燃油噴射速度進(jìn)一步增加，從而改善燃油霧化效果，如果點(diǎn)火時(shí)刻延遲到30%，燃油流量增加10%，實(shí)際增加的燃油流量大約為28.1%。實(shí)際應(yīng)用的角度上一般會(huì)采用脈動(dòng)式的增加供油策略，在加強(qiáng)霧化效果的同時(shí)盡可能地節(jié)約燃油，如圖4 所示。在高高原地區(qū)航空發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中，為了避免富油熄火減少燃油流量的同時(shí)，在該燃油流量基礎(chǔ)上增加超過平原地區(qū)的脈動(dòng)式供油所增加的比例的油量，從而在曲線上形成小凸起后回落為較為正常的水平，從后續(xù)燃油流量數(shù)據(jù)來看，該次貢嘎機(jī)場發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)情況正常。以貢嘎機(jī)場為例，可知點(diǎn)火供油流量理論上會(huì)降低為110 lb/h左右，根據(jù)表4的實(shí)際數(shù)據(jù)九次中成都機(jī)場點(diǎn)火流量平均值為163Ib/h，由之前的結(jié)論可以得出，在采用人工啟動(dòng)方式延遲供油點(diǎn)火并增加了10%供油量之后，拉薩機(jī)場點(diǎn)火供油流量平均值為141 Ib/h。

圖4 貢嘎、雙流燃油流量表Fig.4 Fuel Flow Meter at Gongga and Shuangliu Airports

表4 點(diǎn)火后燃油流量數(shù)據(jù)表Tab.4 Fuel Flow Data Sheet After Ignition

點(diǎn)火后燃油流量數(shù)據(jù)表（續(xù)表）Fuel Flow Data Sheet After Ignition（Continued）

燃油供應(yīng)會(huì)相應(yīng)增加20.5%后，再加上增加10%的供油量，所以根據(jù)數(shù)據(jù)最終燃油會(huì)增加28.1%。上述兩個(gè)方法可以比較好地解決高高原航空發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火失敗，當(dāng)流量增加時(shí)流速也會(huì)相應(yīng)增加，在其他條件不變的情況下，SMD會(huì)相應(yīng)減小21.9%，霧化粒度會(huì)因此減小從而提高霧化質(zhì)量。

采用之前計(jì)算噴射壓力對(duì)點(diǎn)火性能影響的方法,求得最小點(diǎn)火能量會(huì)減小40%左右，即采用以上方法可使點(diǎn)火性能改善40%。根據(jù)計(jì)算得知在采用延遲點(diǎn)火的方式中，當(dāng)啟動(dòng)供油點(diǎn)火時(shí)刻延遲到35%時(shí)，可以將點(diǎn)火能量降低到正常平原點(diǎn)火能量的1.25 倍。

在增加供油量的過程中，點(diǎn)火能量隨著供油量的增加有所改善。綜合考慮采取延遲點(diǎn)火和增加供油量點(diǎn)火的方式，當(dāng)延遲點(diǎn)火的N2轉(zhuǎn)速過大時(shí)，會(huì)明顯增加起動(dòng)機(jī)的負(fù)載。

另一方面考慮增加供油量的作用效果時(shí)，過分增加供油量會(huì)引起點(diǎn)火過程中EGT 超溫，減少發(fā)動(dòng)機(jī)壽命，甚至有可能導(dǎo)致富油熄火。

考慮到上述幾個(gè)方面的影響，適當(dāng)選取30%轉(zhuǎn)速點(diǎn)火和供油量增加10%為較為適宜。

5 結(jié)論

抓住點(diǎn)火性能和燃油霧化兩個(gè)方面，考慮到高高原的海拔較高，空氣稀薄，氣壓較低導(dǎo)致了高高原環(huán)境下的點(diǎn)火困難，分析后認(rèn)為影響點(diǎn)火的主要因素是溫度和大氣密度影響燃油品質(zhì)、噴射壓力和燃燒室背壓。這三個(gè)方面影響燃油霧化效果差，從而SMD 上升，Emin增加導(dǎo)致點(diǎn)火失敗。

通過計(jì)算總結(jié)了由大氣密度降低造成空氣流量的下降以及燃燒室背壓的降低對(duì)點(diǎn)火能量的影響，提出了可以操作的改善方法是：增加10%的燃油供應(yīng)量，以及延遲供油點(diǎn)火時(shí)刻等方法，在高原航線適用，并且已證明對(duì)該地區(qū)運(yùn)行的航線飛機(jī)的啟動(dòng)性得到了比較好的改善。

不僅為在高高原運(yùn)行的空客A320 和波音B737 的運(yùn)行提供了理論支持，也為將來的國產(chǎn)飛機(jī)C919 投入該地區(qū)運(yùn)行提供了一些思考。