CFM56系列发动机高高原环境下点火故障分析

时间：2024-07-28

尚永锋，刘少华，冯天杰，康峻瑀

（中国民用航空飞行学院航空工程学院，四川广汉 618307）

1 引言

随着西部大开发的深度实施，越来越多的航空公司进驻了高高原机场，改善了我国高高原地区的交通状况和经济面貌，目前世界范围内共计有25个运行中的高高原机场，其中我国占到了52%。尤其是我国61%的高高原机场海拔都超过3500米，但西部地区部分高高原机场地理地势复杂，天气条件多变，对飞机和发动机的性能的维护和保障提出了更高的要求。由于气候和海拔的因素，高高原过夜的飞机容易发生启动点火失败故障。

对于高高原发动机点火故障的研究在民用航空发动机领域研究成果较少，对故障模式没有实际实验数据支撑。文献[1]等人根据国军标要求，借助英国公司的实验平台对高原航空发动机起动性能做出了试验分析。文献[2]分海拔高度对起动机和发动机共同工作进行实验，得到了不同海拔高度下起动机和发动机工作状态的参数。文献[3]针对高原发动机启动初期采用补氧和气动液压负载控制的方式改善发动机在高海拔地区的启动性能。文献[4]研究了某涡轴发动机在高原环境下起动时的启动困难现象，并提出了相应的措施意见作为参考。在文献[5]对某型涡扇航空发动机在高原的启动过程应用历程图方式进行了展现，把平原启动和高高原启动过程做出对比，提出了具体的措施来提高高原涡扇发动机启动的成功率。文献[6]研究了工况参数对于航空煤油喷雾过程的影响,文献[7]在对影响燃油雾化和化学反应速率研究基础上给出了最小点火能量的函数反应式。文献[8-9]也对低压条件下点火问题进行了研究；文献[10]利用人工神经网络trainbr 训练算法对发动机供油量进行了估计；国外航空公司起步较早，但由于世界范围内主要高高原机场主要在中国、尼泊尔、秘鲁、玻利维亚、厄瓜多尔等国，导致国外作为主要飞机生产国的美国和欧洲主要国家关于这方面的研究较少。在西藏航空成立之前，还没有航空公司的飞机在高高原过夜运营，因此无可靠性数据借鉴，运行经验较少，导致高高原运营的发动机机队技术管理在行业上是空白。

目前我国高高原运行的主要有波音737NG 和空客A320两种机型，波音737主要应用的是CFM56-7B，空客A320较多应用的是CFM56-5B。由于这两款发动机的核心机类似，所以本文分析的数据以这两款机型为主，分析发动机高高原运行点火失败的原因，并提出改进办法，为高高原运行的飞机提供理论依据和支持[11-12]。

2 最小点火能量及索太尔平均直径

当发动机在高高原条件下工作时，由于大气压力过低造成点火时的空气流量与设计参数相差较大、燃烧条件恶劣，燃烧室内的流场结构、流场内的气体流速及火焰结构都将发生很大变化。确保航空发动机在高高原机场恶劣条件下可靠的点火性能，是发动机工作过程中面临的一大关键问题。点火性能通常用最小点火能量Emin来综合衡量，即点火成功所需要的最小能量。

Lefebvre[13]提出了基于特征时间、并考虑化学反应速率的总体点火模型，用来计算最小点火能量Emin，假设火花通过液滴产生了一个球形电火花，为了在没有帮助的情况下在剩余的混合物中生存和传播，该液滴的尺寸必须足够大，使其体积内的热释放速率刚好超过其对周围环境的热损失速率。这个临界尺寸被称为猝熄距离dq，而产生直径为dq的球形火花核所需的最小能量定义了最小点火能量Emin，其公式为：

根据Ballal 和Lefebvre 最小点火能量的函数反应式，影响最小点火能量的主要因素是燃油蒸汽与空气的混合物中燃油液滴直径的大小，燃油液滴直径越大，所需点火能量越高。而燃油液滴的直径大小与燃油雾化程度密切相关，燃油雾化越彻底，燃油液滴直径越小。为了量化雾化粒度的大小，引入了液雾平均直径的概念，SMD（Sauter 平均直径）是目前最常用的描述喷雾雾化粒度的表达式，根据液滴破碎原理的不同，把破碎阶段分为三个阶段，前两个阶段分别在管道内和喷出喷油嘴前期，最主要的雾化阶段在喷出喷油嘴的后期，SMD 平均液滴粒径直径用均一的液雾尺寸代替原来的液雾，而保持原来液雾的某种特征量不变。

经验表明，最小点火能量Emin与燃油雾化形成的液滴索太尔平均直径（SMD）的4.5 次方成正比[14]。由Tanasawa 和Toyoda提出的液滴索太尔平均直径经验关系式：

式中：d0—喷孔直径；ρ—喷嘴周围环境气体的密度；UL—出口处的燃油流速；μL—液体的动力粘性系数；σ—液体表面张力；ρL—燃油密度。

由式（2）可以看出，燃油品质、燃油喷嘴构造、液体表面张力因素都会影响燃油雾化效果，研究对象为采用航空煤油的CFM56系列离心式燃油喷嘴在冬季低温条件下点火失败的问题，因此影响燃油雾化主要因素包括燃油喷射速度以及燃烧室压力。

3 影响SMD的因素

3.1 燃油喷射速度

CFM56系列发动机采用双路离心式燃油喷嘴，如图1所示。

图1 CFM系列发动机喷油嘴Fig.1 Fuel Injection Nozzle of CFM Series Engine

发动机启动时，燃油从进口流入，且当燃油低于120psi 时只有主回路供油，通过主油路流过燃油管和喷嘴末端，最后以喷射角度64°、均匀的雾化形态喷入燃烧室，以达到在小油压时也能很好雾化的效果。CFM 系列发动机喷油嘴示意图，如图1所示。

由于燃油喷嘴主油路出口截面积固定不变，因此燃油喷射速度主要由燃油供油压力决定，而燃油喷射压力主要由燃油供应量决定，见式（3）。

式中：WF—燃油流量；UL—喷嘴出口处的燃油流速；ρF—燃油密度；A—燃油喷嘴主油路出口截面积。

高高原环境下大气密度低，相同N1转速的情况下，空气流量会随着密度的降低而降低，然而由于拉萨等高高原机场在秋冬季节早上的温度大约可以达到（-8～-2）℃，发动机风扇在地面慢车状况下的结冰关键温度为（-9～-6）℃[14]，因此秋冬季节在拉萨等高高原机场早上第一次启动过程中，由于低温导致燃油粘性大，喷注压差降低以及存在结冰的可能，会使得叶片气动性能的改变而影响空气流量，而发动机燃油调节器会相应降低燃油供应来适应空气流量的下降，各个压力下燃油雾化的效果，可以看出压力的变化导致的燃油雾化性能变差，点火所需最小能量大大增加，从而导致点火成功率下降，如图2 所示。

图2 不同压力下燃油的雾化情况Fig.2 Fuel Atomization under Different Pressures

以标准海平面处的SMD 和Emin作为参照，设海平面SMD=1，Emin=1，忽略其他次要参数的影响。以拉萨贡嘎机场为例，拉萨贡嘎机场的大气密度为0.855kg/m3，海拔最低处的大气密度为1.225kg/m3，拉萨机场的大气密度和零海拔地区的大气密度相比下降了30%，假设温度降低对压气机效率的影响忽略，相应的空气流量下降30%。发动机控制油气比保持不变，燃油供油量成比比例减少，导致喷嘴的燃油喷射压力下降，则由式（3）可以得出，燃油的喷射速度将下降30%。

由式（2），SMD 与喷射速度成反比，即SMD 会增加42.8%。而最小点火能量Emin又与SMD 的4.5 次方成正比，因此拉萨贡嘎机场的Emin增加为海平面的5 倍，同理也可以推算出其他海拔高度下燃油流量减小对SMD 和最小点火能量影响结果，如表1 所示。

表1 空气流量引起的最小点火能量变化Tab.1 Minimum Ignition Energy Change Caused by Air Flow

3.2 燃烧室压力

随着燃烧室压力的增高，由于剪切力和摩擦加剧使雾化粒度变细，SMD 减小。燃烧室气体密度的增加对湍流产生抑制作用，从分子运动学层面分析,使得周围气体分子的运动更加剧烈，环境气体分子之间的平均碰撞概率增大从而使喷雾液滴与气体分子的动量交换加剧，这使得液滴直径减小。

以拉萨机场为例，拉萨机场的大气密度比海平面地区的大气密度下降了30%，则相应的空气流量也下降30%，忽略温度降低对压气机效率的影响，燃烧室压力下降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，可以看出随着海拔高度增加，燃烧室压力下降，发动机点火所需最小点火能量增加。以拉萨贡嘎机场为例，最小点火能量增加约50%，如表2所示。

表2 燃烧室压力降低引起的最小点火能量变化Tab.2 Minimum Ignition Energy Change Caused by Combustion Chamber Pressure Drop

随着海拔的逐渐升高，空气越来越稀薄，从而发动机启动时燃油喷射速度较小，燃烧室压力下降，导致燃油雾化效果变差，根据雾化效果的影响计算所需要的点火能量大大增加，最典型的是海拔高度达到4334米的贡嘎机场，该机场机场最小点火能量需求大约达到了该型发动机在海平面启动时的7.56倍，是在昆明长水机场启动时的2.7倍，是在双流机场启动时的5.4倍，具体数据，如图3所示。

图3 不同海拔机场所需最小点火能量Fig.3 Minimum Ignition Energy Required for Airports at Different Altitudes

4 高高原机场启动优化方案

由于海拔高度增加，空气变得稀薄，导致发动机点火时的空气流量较一般平原机场点火时的空气流量下降较多、燃烧室压力偏低、燃油流量下降、雾化效果变差，再加上高高原机场早上温度较低，在冷发启动的过程中伴随尾喷管冒白烟和喷火现象，并启动失败。

为了改善发动机高高原湿启动问题，从两方面解决这个问题：

（1）采用人工方式启动发动机，延迟点火时机；

（2）适当增加供油量。

4.1 采用人工方式启动发动机，延迟点火时机

在发动机启动过程中，一共要经历三个阶段，在第一阶段中，主燃烧室未点火，由起动机带动发动机转动，在适当的时机选取适当的转速后是能否可以点火成功的关键。空气流量过小时点火容易造成富油点火，从而引起发动机EGT超温和发动机喘振；转速过高延长了发动机的启动时间，所以把握高高原启动时机的转速至关重要。

CFM56-5B和CFM-7B发动机有自动启动和人工启动两种模式。在自动启动模式，FADEC控制发动机点火、启动机关断活门（SOV）、燃油关断活门，当N2转速达到16%时，FADEC打开点火激励器，开始产生电火花，当N2转速达到22%时，FADEC会打开燃油关断活门并开始供油点火。高高原空气稀薄，导致燃油雾化变差，发动机点火失败。因此建议高高原运行的发动机采用人工启动方式，推迟发动机供油点火时刻。

2019年1月份B737NG发动机拉萨机场及双流机场早晨第1趟航班的燃烧室压力数据，如表3 所示。可以看出随着转速增加，发动机空气流量也随之增加，由于若将发动机点火转速从22%延迟到30%，不仅燃烧室压力恢复到双流机场的84%左右，燃油供油量也大大增加，燃油雾化性能改善，从而提高了点火成功的机率。

表3 双流及贡嘎机场不同发动机转速对应的燃烧室压力Tab.3 Combustion Chamber Pressure Corresponding to Different Engine Speeds at Shuangliu and Gongga Airport

在起动机带动发动机转动的初期，由于压气机转动速度较慢且空气压力相对小，燃油的SMD主要受离心喷嘴本身和空气压力的共同作用，燃油喷出的速度小，在气动力增大的同时旋流器对空气的剪切作用增强，对燃油的雾化效果有明显改善，相比于未推迟供油点火的情况下，SMD减小且燃油分布指数增大。在供油压力增大的过程中，供油压力所能影响的燃油雾化效果逐渐加大，在供油压力超过某一数值之后，燃油雾化达到一稳定值[15]。

4.2 增加供油量

当N2转速增加到30%左右点火时，一定程度增加供油量可以加快燃油喷射速度，从而改善燃油雾化效果。增加供油主要有两个方法：

（1）采用延迟点火的办法，将在双流机场N2转速为22%点火时刻时间后移至30%，这样燃烧室空气流量增加，发动机燃油流量也相应增加，如前文所述，发动机假设油气比保持不变，启动供油点火时刻从22%N2转速延迟到30%，PS3会由9.75psi 增加到12.25psi，假设FADEC控制油气比保持不变，则燃油供应会相应增加20.5%。

（2）增加燃油供油量。通过增加燃油流量，使燃油喷射速度进一步增加，从而改善燃油雾化效果，如果点火时刻延迟到30%，燃油流量增加10%，实际增加的燃油流量大约为28.1%。实际应用的角度上一般会采用脉动式的增加供油策略，在加强雾化效果的同时尽可能地节约燃油，如图4 所示。在高高原地区航空发动机启动过程中，为了避免富油熄火减少燃油流量的同时，在该燃油流量基础上增加超过平原地区的脉动式供油所增加的比例的油量，从而在曲线上形成小凸起后回落为较为正常的水平，从后续燃油流量数据来看，该次贡嘎机场发动机启动情况正常。以贡嘎机场为例，可知点火供油流量理论上会降低为110 lb/h左右，根据表4的实际数据九次中成都机场点火流量平均值为163Ib/h，由之前的结论可以得出，在采用人工启动方式延迟供油点火并增加了10%供油量之后，拉萨机场点火供油流量平均值为141 Ib/h。

图4 贡嘎、双流燃油流量表Fig.4 Fuel Flow Meter at Gongga and Shuangliu Airports

表4 点火后燃油流量数据表Tab.4 Fuel Flow Data Sheet After Ignition

点火后燃油流量数据表（续表）Fuel Flow Data Sheet After Ignition（Continued）

燃油供应会相应增加20.5%后，再加上增加10%的供油量，所以根据数据最终燃油会增加28.1%。上述两个方法可以比较好地解决高高原航空发动机点火失败，当流量增加时流速也会相应增加，在其他条件不变的情况下，SMD会相应减小21.9%，雾化粒度会因此减小从而提高雾化质量。

采用之前计算喷射压力对点火性能影响的方法,求得最小点火能量会减小40%左右，即采用以上方法可使点火性能改善40%。根据计算得知在采用延迟点火的方式中，当启动供油点火时刻延迟到35%时，可以将点火能量降低到正常平原点火能量的1.25 倍。

在增加供油量的过程中，点火能量随着供油量的增加有所改善。综合考虑采取延迟点火和增加供油量点火的方式，当延迟点火的N2转速过大时，会明显增加起动机的负载。

另一方面考虑增加供油量的作用效果时，过分增加供油量会引起点火过程中EGT 超温，减少发动机寿命，甚至有可能导致富油熄火。

考虑到上述几个方面的影响，适当选取30%转速点火和供油量增加10%为较为适宜。