CFM56系列發(fā)動機高高原環(huán)境下點火故障分析

尚永鋒，劉少華，馮天杰，康峻瑀

（中國民用航空飛行學院航空工程學院，四川 廣漢 618307）

1 引言

隨著西部大開發(fā)的深度實施，越來越多的航空公司進駐了高高原機場，改善了我國高高原地區(qū)的交通狀況和經(jīng)濟面貌，目前世界范圍內(nèi)共計有25個運行中的高高原機場，其中我國占到了52%。尤其是我國61%的高高原機場海拔都超過3500米，但西部地區(qū)部分高高原機場地理地勢復雜，天氣條件多變，對飛機和發(fā)動機的性能的維護和保障提出了更高的要求。由于氣候和海拔的因素，高高原過夜的飛機容易發(fā)生啟動點火失敗故障。

對于高高原發(fā)動機點火故障的研究在民用航空發(fā)動機領域研究成果較少，對故障模式?jīng)]有實際實驗數(shù)據(jù)支撐。文獻[1]等人根據(jù)國軍標要求，借助英國公司的實驗平臺對高原航空發(fā)動機起動性能做出了試驗分析。文獻[2]分海拔高度對起動機和發(fā)動機共同工作進行實驗，得到了不同海拔高度下起動機和發(fā)動機工作狀態(tài)的參數(shù)。文獻[3]針對高原發(fā)動機啟動初期采用補氧和氣動液壓負載控制的方式改善發(fā)動機在高海拔地區(qū)的啟動性能。文獻[4]研究了某渦軸發(fā)動機在高原環(huán)境下起動時的啟動困難現(xiàn)象，并提出了相應的措施意見作為參考。在文獻[5]對某型渦扇航空發(fā)動機在高原的啟動過程應用歷程圖方式進行了展現(xiàn)，把平原啟動和高高原啟動過程做出對比，提出了具體的措施來提高高原渦扇發(fā)動機啟動的成功率。文獻[6]研究了工況參數(shù)對于航空煤油噴霧過程的影響,文獻[7]在對影響燃油霧化和化學反應速率研究基礎上給出了最小點火能量的函數(shù)反應式。文獻[8-9]也對低壓條件下點火問題進行了研究；文獻[10]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡trainbr 訓練算法對發(fā)動機供油量進行了估計；國外航空公司起步較早，但由于世界范圍內(nèi)主要高高原機場主要在中國、尼泊爾、秘魯、玻利維亞、厄瓜多爾等國，導致國外作為主要飛機生產(chǎn)國的美國和歐洲主要國家關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在高高原過夜運營，因此無可靠性數(shù)據(jù)借鑒，運行經(jīng)驗較少，導致高高原運營的發(fā)動機機隊技術管理在行業(yè)上是空白。

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

2 最小點火能量及索太爾平均直徑

當發(fā)動機在高高原條件下工作時，由于大氣壓力過低造成點火時的空氣流量與設計參數(shù)相差較大、燃燒條件惡劣，燃燒室內(nèi)的流場結構、流場內(nèi)的氣體流速及火焰結構都將發(fā)生很大變化。確保航空發(fā)動機在高高原機場惡劣條件下可靠的點火性能，是發(fā)動機工作過程中面臨的一大關鍵問題。點火性能通常用最小點火能量Emin來綜合衡量，即點火成功所需要的最小能量。

Lefebvre[13]提出了基于特征時間、并考慮化學反應速率的總體點火模型，用來計算最小點火能量Emin，假設火花通過液滴產(chǎn)生了一個球形電火花，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周圍環(huán)境的熱損失速率。這個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火能量Emin，其公式為：

根據(jù)Ballal 和Lefebvre 最小點火能量的函數(shù)反應式，影響最小點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，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式，根據(jù)液滴破碎原理的不同，把破碎階段分為三個階段，前兩個階段分別在管道內(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)驗表明，最小點火能量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)驗關系式：

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、燃油噴嘴構造、液體表面張力因素都會影響燃油霧化效果，研究對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)動機采用雙路離心式燃油噴嘴，如圖1所示。

圖1 CFM系列發(fā)動機噴油嘴Fig.1 Fuel Injection Nozzle of CFM Series Engine

發(fā)動機啟動時，燃油從進口流入，且當燃油低于120psi 時只有主回路供油，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，以達到在小油壓時也能很好霧化的效果。CFM 系列發(fā)動機噴油嘴示意圖，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轉速的情況下，空氣流量會隨著密度的降低而降低，然而由于拉薩等高高原機場在秋冬季節(jié)早上的溫度大約可以達到（-8～-2）℃，發(fā)動機風扇在地面慢車狀況下的結冰關鍵溫度為（-9～-6）℃[14]，因此秋冬季節(jié)在拉薩等高高原機場早上第一次啟動過程中，由于低溫導致燃油粘性大，噴注壓差降低以及存在結冰的可能，會使得葉片氣動性能的改變而影響空氣流量，而發(fā)動機燃油調(diào)節(jié)器會相應降低燃油供應來適應空氣流量的下降，各個壓力下燃油霧化的效果，可以看出壓力的變化導致的燃油霧化性能變差，點火所需最小能量大大增加，從而導致點火成功率下降，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

以標準海平面處的SMD 和Emin作為參照，設海平面SMD=1，Emin=1，忽略其他次要參數(shù)的影響。以拉薩貢嘎機場為例，拉薩貢嘎機場的大氣密度為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%，假設溫度降低對壓氣機效率的影響忽略，相應的空氣流量下降30%。發(fā)動機控制油氣比保持不變，燃油供油量成比比例減少，導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 會增加42.8%。而最小點火能量Emin又與SMD 的4.5 次方成正比，因此拉薩貢嘎機場的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SMD 和最小點火能量影響結果，如表1 所示。

表1 空氣流量引起的最小點火能量變化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，SMD 減小。燃燒室氣體密度的增加對湍流產(chǎn)生抑制作用，從分子運動學層面分析,使得周圍氣體分子的運動更加劇烈，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量交換加劇，這使得液滴直徑減小。

以拉薩機場為例，拉薩機場的大氣密度比海平面地區(qū)的大氣密度下降了30%，則相應的空氣流量也下降30%，忽略溫度降低對壓氣機效率的影響，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)動機點火所需最小點火能量增加。以拉薩貢嘎機場為例，最小點火能量增加約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)動機啟動時燃油噴射速度較小，燃燒室壓力下降，導致燃油霧化效果變差，根據(jù)霧化效果的影響計算所需要的點火能量大大增加，最典型的是海拔高度達到4334米的貢嘎機場，該機場機場最小點火能量需求大約達到了該型發(fā)動機在海平面啟動時的7.56倍，是在昆明長水機場啟動時的2.7倍，是在雙流機場啟動時的5.4倍，具體數(shù)據(jù)，如圖3所示。

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

4 高高原機場啟動優(yōu)化方案

由于海拔高度增加，空氣變得稀薄，導致發(fā)動機點火時的空氣流量較一般平原機場點火時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，再加上高高原機場早上溫度較低，在冷發(fā)啟動的過程中伴隨尾噴管冒白煙和噴火現(xiàn)象，并啟動失敗。

為了改善發(fā)動機高高原濕啟動問題，從兩方面解決這個問題：

（1）采用人工方式啟動發(fā)動機，延遲點火時機；

（2）適當增加供油量。

4.1 采用人工方式啟動發(fā)動機，延遲點火時機

在發(fā)動機啟動過程中，一共要經(jīng)歷三個階段，在第一階段中，主燃燒室未點火，由起動機帶動發(fā)動機轉動，在適當?shù)臅r機選取適當?shù)霓D速后是能否可以點火成功的關鍵。空氣流量過小時點火容易造成富油點火，從而引起發(fā)動機EGT超溫和發(fā)動機喘振；轉速過高延長了發(fā)動機的啟動時間，所以把握高高原啟動時機的轉速至關重要。

CFM56-5B和CFM-7B發(fā)動機有自動啟動和人工啟動兩種模式。在自動啟動模式，F(xiàn)ADEC控制發(fā)動機點火、啟動機關斷活門（SOV）、燃油關斷活門，當N2轉速達到16%時，F(xiàn)ADEC打開點火激勵器，開始產(chǎn)生電火花，當N2轉速達到22%時，F(xiàn)ADEC會打開燃油關斷活門并開始供油點火。高高原空氣稀薄，導致燃油霧化變差，發(fā)動機點火失敗。因此建議高高原運行的發(fā)動機采用人工啟動方式，推遲發(fā)動機供油點火時刻。

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

表3 雙流及貢嘎機場不同發(fā)動機轉速對應的燃燒室壓力Tab.3 Combustion Chamber Pressure Corresponding to Different Engine Speeds at Shuangliu and Gongga Airport

在起動機帶動發(fā)動機轉動的初期，由于壓氣機轉動速度較慢且空氣壓力相對小，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，在氣動力增大的同時旋流器對空氣的剪切作用增強，對燃油的霧化效果有明顯改善，相比于未推遲供油點火的情況下，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，燃油霧化達到一穩(wěn)定值[15]。

4.2 增加供油量

當N2轉速增加到30%左右點火時，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方法：

（1）采用延遲點火的辦法，將在雙流機場N2轉速為22%點火時刻時間后移至30%，這樣燃燒室空氣流量增加，發(fā)動機燃油流量也相應增加，如前文所述，發(fā)動機假設油氣比保持不變，啟動供油點火時刻從22%N2轉速延遲到30%，PS3會由9.75psi 增加到12.25psi，假設FADEC控制油氣比保持不變，則燃油供應會相應增加20.5%。

（2）增加燃油供油量。通過增加燃油流量，使燃油噴射速度進一步增加，從而改善燃油霧化效果，如果點火時刻延遲到30%，燃油流量增加10%，實際增加的燃油流量大約為28.1%。實際應用的角度上一般會采用脈動式的增加供油策略，在加強霧化效果的同時盡可能地節(jié)約燃油，如圖4 所示。在高高原地區(qū)航空發(fā)動機啟動過程中，為了避免富油熄火減少燃油流量的同時，在該燃油流量基礎上增加超過平原地區(qū)的脈動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，該次貢嘎機場發(fā)動機啟動情況正常。以貢嘎機場為例，可知點火供油流量理論上會降低為110 lb/h左右，根據(jù)表4的實際數(shù)據(jù)九次中成都機場點火流量平均值為163Ib/h，由之前的結論可以得出，在采用人工啟動方式延遲供油點火并增加了10%供油量之后，拉薩機場點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 點火后燃油流量數(shù)據(jù)表Tab.4 Fuel Flow Data Sheet After Ignition

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

燃油供應會相應增加20.5%后，再加上增加10%的供油量，所以根據(jù)數(shù)據(jù)最終燃油會增加28.1%。上述兩個方法可以比較好地解決高高原航空發(fā)動機點火失敗，當流量增加時流速也會相應增加，在其他條件不變的情況下，SMD會相應減小21.9%，霧化粒度會因此減小從而提高霧化質量。

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

在增加供油量的過程中，點火能量隨著供油量的增加有所改善。綜合考慮采取延遲點火和增加供油量點火的方式，當延遲點火的N2轉速過大時，會明顯增加起動機的負載。

另一方面考慮增加供油量的作用效果時，過分增加供油量會引起點火過程中EGT 超溫，減少發(fā)動機壽命，甚至有可能導致富油熄火。

考慮到上述幾個方面的影響，適當選取30%轉速點火和供油量增加10%為較為適宜。

5 結論

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

通過計算總結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點火能量的影響，提出了可以操作的改善方法是：增加10%的燃油供應量，以及延遲供油點火時刻等方法，在高原航線適用，并且已證明對該地區(qū)運行的航線飛機的啟動性得到了比較好的改善。

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