民航渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高高原起動(dòng)失效機(jī)理試驗(yàn)研究

賴安卿，付堯明，閆 鋒

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院，四川 廣漢 618307）

1 引言

高高原機(jī)場(chǎng)標(biāo)高為2438m及以上的機(jī)場(chǎng)，機(jī)場(chǎng)海拔增高，大氣壓力、溫度以及密度均會(huì)降低。另外，地形和天氣條件等使高高原機(jī)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境比一般機(jī)場(chǎng)復(fù)雜很多，因此要保證安全，民航管理部門對(duì)高高原機(jī)場(chǎng)運(yùn)行有著非常細(xì)致、嚴(yán)格的要求。同樣，特殊的高高原環(huán)境將對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能同樣產(chǎn)生不容忽視的影響。

高高原環(huán)境航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的主要問(wèn)題是起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、超溫、超轉(zhuǎn)等。民用大涵道比航空發(fā)動(dòng)機(jī)通常采用的是空氣起動(dòng)機(jī)，其高壓空氣來(lái)源無(wú)論是來(lái)自輔助動(dòng)力裝置或地面氣源車還是已經(jīng)起動(dòng)好的另一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，都因?yàn)楦吒咴諝饷芏刃　鈮旱蛯?dǎo)致起動(dòng)機(jī)功率下降，使加速的剩余功率不足，加速緩慢，從而導(dǎo)致起動(dòng)時(shí)間明顯加長(zhǎng)。

由于世界范圍內(nèi)高原機(jī)場(chǎng)主要集中在中國(guó)、中亞和南美等地方[1]，國(guó)外學(xué)者對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高原運(yùn)行問(wèn)題研究較少，國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展了一些試驗(yàn)研究工作。其中，文獻(xiàn)[2]針對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)，通過(guò)改變供油規(guī)律，提高了高原環(huán)境發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火的可靠性；文獻(xiàn)[3]通過(guò)試驗(yàn)研究補(bǔ)氧以及降低液壓負(fù)載的方法改善高原起動(dòng)性能。文獻(xiàn)[4]針對(duì)軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了起動(dòng)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)增大起動(dòng)機(jī)功率以及減小起動(dòng)負(fù)載的辦法解決高原起動(dòng)的問(wèn)題。文獻(xiàn)[5]通過(guò)試車和仿真計(jì)算，給出了某型發(fā)動(dòng)機(jī)高原起動(dòng)供油規(guī)律。這些試驗(yàn)研究均沒(méi)有涉及高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高高原起動(dòng)問(wèn)題。針對(duì)民航高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的高原起動(dòng)問(wèn)題，目前停留在理論研究分析階段[6，7]。雖然西藏航空聯(lián)合法國(guó)空客公司、美國(guó)GE公司對(duì)高高原起動(dòng)困難的問(wèn)題進(jìn)行了研究，但是其研究成果并未對(duì)外公布。隨著高高原航線的不斷增多，民航發(fā)動(dòng)機(jī)的“高原反應(yīng)”現(xiàn)象日益突出，因此對(duì)高涵道比民航渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)的研究具有重要意義。

通過(guò)研究某型號(hào)高涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的高高原起動(dòng)問(wèn)題，獲取高高原起動(dòng)失效和起動(dòng)成功的QAR數(shù)據(jù)（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、燃油流量，EGT溫度），并同時(shí)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒常規(guī)生成物質(zhì)的變化規(guī)律，從而分析高高原大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)失效的特點(diǎn)和機(jī)理，解決民航運(yùn)輸飛機(jī)在高高原的起動(dòng)問(wèn)題，為我國(guó)大飛機(jī)和大發(fā)動(dòng)機(jī)的研制提供有力支撐。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了在翼實(shí)時(shí)采集航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的尾氣成分，并考慮發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的危險(xiǎn)區(qū)域，本試驗(yàn)采用實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳遞的方案。

本試驗(yàn)將尾氣測(cè)量設(shè)備探頭通過(guò)夾片固定在發(fā)動(dòng)機(jī)的吊架上，然后將尾氣傳輸線沿著吊架轉(zhuǎn)移到發(fā)動(dòng)機(jī)短艙外側(cè)的慢車安全區(qū)域，并連接尾氣數(shù)據(jù)采集分析儀，該尾氣設(shè)備與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過(guò)藍(lán)牙連接，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸記錄，如圖1所示。尾氣濃度測(cè)量試驗(yàn)裝置，如圖2所示。

圖1 尾氣濃度測(cè)量方案示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Emission Composition Experiment

圖2 尾氣濃度測(cè)量試驗(yàn)裝置Fig.2 Emission Composition Experiment Facility

本試驗(yàn)采用的氣體連續(xù)分析儀，采用非分光紅外技術(shù)，可對(duì)多種燃燒產(chǎn)物尾氣成分濃度（例如：一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物等）進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)量。

3 試驗(yàn)工況

本試驗(yàn)所選用的飛機(jī)為某航空公司的B-****飛機(jī)，其發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為CFM56-5B。飛機(jī)所在地機(jī)場(chǎng)為海拔3600m的高高原機(jī)場(chǎng)，選擇在高高原機(jī)場(chǎng)過(guò)夜后的飛機(jī)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)第一次起動(dòng)為冷發(fā)起動(dòng)，伴隨尾噴管冒白煙和噴火現(xiàn)象，并且起動(dòng)失效，隨后發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷轉(zhuǎn)，熱發(fā)起動(dòng)成功。本試驗(yàn)針對(duì)同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)高高原環(huán)境“冷發(fā)起動(dòng)”失效和“熱發(fā)起動(dòng)”成功進(jìn)行研究。

試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)機(jī)載設(shè)備獲取飛機(jī)的QAR數(shù)據(jù)并譯碼，并同步測(cè)量航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要尾氣成分濃度，QAR數(shù)據(jù)和尾氣成分測(cè)量的采樣頻率均為1Hz。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)外界大氣溫度為4℃，大氣壓力為 63，776Pa。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 QAR數(shù)據(jù)分析

4.1.1 起動(dòng)過(guò)程分析

通過(guò)QAR數(shù)據(jù)記錄同一發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)兩次起動(dòng)情況，如表1所示。冷發(fā)起動(dòng)時(shí)（First start），發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)冒白煙，并噴火的現(xiàn)象，冷發(fā)起動(dòng)失敗，隨后，進(jìn)行冷轉(zhuǎn)（Dry motoring）69s，再次起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，此時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)上一次的起動(dòng)，溫度較高，為熱發(fā)起動(dòng)（Second start），此時(shí)起動(dòng)成功。具體監(jiān)測(cè)冷發(fā)起動(dòng)和熱發(fā)起動(dòng)數(shù)據(jù)：N2轉(zhuǎn)速（發(fā)動(dòng)機(jī)高壓軸轉(zhuǎn)速）、燃油流量（FF）以及EGT溫度，如圖3所示。

表1 起動(dòng)時(shí)間分段Tab.1 Period of Start

圖3 N2、燃油流量和EGT變化曲線Fig.3 Variation of N2、Fuel Flow and EGT

第一次起動(dòng)為冷發(fā)起動(dòng)，按照起動(dòng)程序，N2轉(zhuǎn)速達(dá)到50%時(shí)，起動(dòng)空氣活門和點(diǎn)火關(guān)閉，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)沒(méi)有起動(dòng)機(jī)輔助，只依靠發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室產(chǎn)生的能量驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，此時(shí)受EGT上升的趨勢(shì)的影響，燃油流量基本沒(méi)有變化，EGT在不斷上升，N2轉(zhuǎn)速保持在50%基本不變，轉(zhuǎn)速?zèng)]有繼續(xù)上升。根據(jù)該機(jī)型起動(dòng)時(shí)間的限制，起動(dòng)時(shí)間達(dá)到2min，轉(zhuǎn)速?zèng)]有達(dá)到慢車轉(zhuǎn)速，起動(dòng)失敗。

隨后，冷轉(zhuǎn)69s，重新起動(dòng)。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)為熱發(fā)，起動(dòng)時(shí)長(zhǎng)為118s，N2轉(zhuǎn)速達(dá)到60.31%，起動(dòng)成功。

4.1.2 冷發(fā)和熱發(fā)起動(dòng)對(duì)比分析

發(fā)動(dòng)機(jī)冷發(fā)起動(dòng)、熱發(fā)起動(dòng)N2轉(zhuǎn)速、燃油流量和EGT的對(duì)比，如圖4～圖6所示。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)第一階段為起動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，此時(shí)，冷發(fā)和熱發(fā)N2加速曲線基本一致，供油時(shí)機(jī)也基本一致，冷發(fā)N2轉(zhuǎn)速達(dá)到29%開(kāi)始供油，熱發(fā)N2達(dá)到30%開(kāi)始供油。冷發(fā)起動(dòng)，41s燃油噴嘴開(kāi)始噴油，46s EGT開(kāi)始明顯上升，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火成功；熱發(fā)起動(dòng)，由于起動(dòng)第一階段發(fā)動(dòng)機(jī)為冷轉(zhuǎn)，因此EGT不斷降低，40s開(kāi)始噴油，41s EGT出現(xiàn)明顯上升。由此可見(jiàn)，噴油到點(diǎn)火成功，冷發(fā)耗時(shí)5s，熱發(fā)耗時(shí)1s。發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火性能受點(diǎn)火能量和燃油霧化效果的影響。CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是雙路離心式噴嘴[8]，燃油噴嘴霧化對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室工作性能有直接影響，油霧的最小點(diǎn)火能量與油霧的索太爾平均直徑（SMD）的（4～5）次方成正比，SMD越大則點(diǎn)火就越困難。而供油壓力直接影響燃油霧化效果[9]。根據(jù)該類型燃油噴嘴工作原理，供油壓力與燃油流量呈現(xiàn)二次曲線的關(guān)系[10]。由于高高原起動(dòng)，空氣稀薄，同等情況下較平原供油量少，因此，供油壓力低，降低了燃油霧化質(zhì)量。而冷發(fā)起動(dòng)，外界溫度低，造成燃燒室溫度也低，燃油粘性增大，霧化效果進(jìn)一步變差，從而造成冷發(fā)點(diǎn)火困難，著火時(shí)間長(zhǎng)。

另外，從圖5燃油供油規(guī)律上看，噴油的初始階段，冷發(fā)、熱發(fā)供油量基本一致，但是有其局部特點(diǎn)。冷發(fā)起動(dòng)從供油到點(diǎn)火成功耗時(shí)較長(zhǎng)，供油規(guī)律呈現(xiàn)曲線上升的規(guī)律：發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴噴出燃油后未著火，燃油流量上升后又下降，回到初次供油量大小，然后再繼續(xù)上升，仍未著火，再次供油量減小，此時(shí)點(diǎn)火成功。在著火前采取脈動(dòng)式供油規(guī)律，主要是為了提升燃油霧化效果，同時(shí)避免發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室集聚大量燃油形成局部過(guò)富油。

起動(dòng)第二階段，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火成功，起動(dòng)機(jī)和渦輪共同發(fā)出功率，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。熱發(fā)與冷發(fā)相比，N2轉(zhuǎn)速上升速率明顯加快。從發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火成功開(kāi)始，到N2轉(zhuǎn)速達(dá)到50%，冷發(fā)耗時(shí)56s，熱發(fā)耗時(shí)20s。熱發(fā)燃油流量供給整體上相比冷發(fā)上更多，EGT溫度也更高。這是由于熱發(fā)起動(dòng)阻力力矩小，且燃油霧化質(zhì)量好，渦輪產(chǎn)生功率大的原因。

起動(dòng)第三階段，起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)，冷發(fā)燃油流量小幅波動(dòng)，未見(jiàn)明顯上升，但是EGT溫度持續(xù)上升，N2轉(zhuǎn)速基本維持不變，起動(dòng)耗時(shí)120s并未達(dá)到慢車轉(zhuǎn)速，造成起動(dòng)懸掛，起動(dòng)失敗。熱發(fā)起動(dòng)，起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)后耗時(shí)38s，N2轉(zhuǎn)速上升至60%，達(dá)到慢車轉(zhuǎn)速，起動(dòng)成功。整個(gè)起動(dòng)耗時(shí)118s。冷發(fā)燃油流量未見(jiàn)明顯上升的原因在于EGT溫度的上升趨勢(shì)，若此時(shí)繼續(xù)增大燃油流量，將會(huì)導(dǎo)致EGT溫度超過(guò)EGT上升趨勢(shì)限制值，從而引發(fā)EGT超溫。起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)后，燃油流量不增加，發(fā)動(dòng)機(jī)加速剩余功率不足，從而造成起動(dòng)懸掛。

圖4 N2轉(zhuǎn)速對(duì)比Fig.4 Contrast of N2

圖5 燃油流量對(duì)比Fig.5 Contrast of Fuel Flow

圖6 EGT對(duì)比Fig.6 Contrast of EGT

4.2 排放物成分濃度分析

民航運(yùn)輸機(jī)采用的是航空煤油，為碳?xì)浠衔铮谌紵^(guò)程中主要生成二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）以及碳顆粒等，并伴隨著未燃碳?xì)浠衔锏呐欧臶11]。通過(guò)分析尾氣主要成分濃度來(lái)探究發(fā)動(dòng)機(jī)高高原起動(dòng)時(shí)燃燒室的燃燒狀態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)冷發(fā)、熱發(fā)起動(dòng)CH4、CO以及NOx排放濃度的對(duì)比，如圖7～圖9所示。甲烷CH4代表了發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中未燃碳?xì)浠衔锏呐欧帕俊Ｔ诎l(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，部分碳?xì)浠衔镞€未來(lái)得及燃燒，就被氣流帶出了燃燒室。從圖7可見(jiàn)，在起動(dòng)整個(gè)過(guò)程中，雖然熱發(fā)58s時(shí)，CH4濃度達(dá)到最高值為543mg/m3，高于冷發(fā)濃度最大值486 mg/m3，但是，在70s以后，冷發(fā)CH4的排放濃度整體高于熱發(fā)，從圖5中可以看出，此時(shí)熱發(fā)供油量大于冷發(fā)供油量。因此，由于熱發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部溫度較高，即使供油量大，但是有更多的燃油充分燃燒為發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。

圖7 CH4濃度對(duì)比Fig.7 Contrast of CH4

圖8 CO濃度對(duì)比Fig.8 Contrast of CO

圖9 NOx濃度對(duì)比Fig.9 Contrast of NOx

一氧化碳常在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)或者慢車狀態(tài)下大量產(chǎn)生。它是一種不完全燃燒的產(chǎn)物。在燃燒室富油區(qū)，由于缺少氧氣，導(dǎo)致無(wú)法形成二氧化碳，而只能生成一氧化碳[12]。從圖8可見(jiàn)，無(wú)論冷發(fā)還是熱發(fā)，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)期間，一氧化碳排放濃度是很大的，最大值可達(dá)5137mg/m3。在起動(dòng)初期，熱發(fā)、冷發(fā)一氧化碳排放濃度相當(dāng)，但是在70s之后，冷發(fā)的一氧化碳排放濃度整體高于熱發(fā)的排放濃度。雖然冷發(fā)供油量少，但是其燃油霧化效果差，燃燒并不充分，形成局部富油區(qū)，導(dǎo)致一氧化碳生成量高。

氮氧化物NOx（包含NO和NO2）沒(méi)有直接參與燃燒，并不是燃燒的直接產(chǎn)物，但是它的生成與燃燒室燃燒溫度、油氣混合比以及燃?xì)獾耐Ａ魰r(shí)間等有關(guān)系[13]。在起動(dòng)過(guò)程中，NOx整體排放濃度并不大，但是也有其局部特點(diǎn)。在起動(dòng)過(guò)程第二階段，熱發(fā)的NOx排放濃度高于冷發(fā)，并且呈上升趨勢(shì)。在起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)時(shí)，NOx排放量達(dá)到最大，隨后逐漸減小。

5 總結(jié)

由于高高原的特殊環(huán)境，造成飛機(jī)過(guò)夜后發(fā)動(dòng)機(jī)第一次起動(dòng)失敗，冷轉(zhuǎn)后熱發(fā)起動(dòng)，起動(dòng)成功。通過(guò)這里的研究主要得到以下結(jié)論：

（1）無(wú)論冷發(fā)還是熱發(fā)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)第一階段，起動(dòng)機(jī)均需要單獨(dú)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)較長(zhǎng)時(shí)間，達(dá)到30%N2左右轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)才開(kāi)始供油，且整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)。（2）由于燃油霧化質(zhì)量差，冷發(fā)起動(dòng)比熱發(fā)起動(dòng)著火時(shí)間明顯增長(zhǎng)；冷發(fā)供油到著火這段時(shí)間，發(fā)動(dòng)機(jī)供油規(guī)律為脈動(dòng)式；受制于EGT的限制，冷發(fā)起動(dòng)第三階段供油量基本維持不變，N2轉(zhuǎn)速未上升，造成起動(dòng)懸掛。（3）熱發(fā)比冷發(fā)供油量多，但是熱發(fā)EGT溫度比冷發(fā)高，而且未燃碳?xì)浠衔锖鸵谎趸嫉呐欧艥舛容^小，證明熱發(fā)的燃油燃燒更充分。（4）無(wú)論熱發(fā)還是冷發(fā)，啟動(dòng)階段氮氧化物排放量均較低，在起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)后其排放量達(dá)到最大。