LEAP-1A發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴設(shè)計(jì)缺陷及在翼解決措施

梁勇 孫軍軍

摘要：本文介紹了LEAP-1A發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴的設(shè)計(jì)缺陷，分析了故障特點(diǎn)、原因，提出了解決措施及技術(shù)展望。

關(guān)鍵詞：LEAP-1A發(fā)動(dòng)機(jī)；燃油噴嘴；解決措施

Keywords：LEAP-1A engine；fuel nozzle；solutions

0 引言

LEAP-1A型發(fā)動(dòng)機(jī)由CFMI公司生產(chǎn)的新型民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)。從2016年投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)至2021年7月已生產(chǎn)了2123臺(tái)，裝備于965架A320neo飛機(jī)。該型發(fā)動(dòng)機(jī)與其同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)（-1B、-1C）是下一個(gè)十年世界民用航空機(jī)隊(duì)的主力發(fā)動(dòng)機(jī)。

LEAP-1A型發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，CFMI公司的母公司美國(guó)GE公司和法國(guó)賽峰公司投入了大量先進(jìn)技術(shù)，使其相比CFM56型發(fā)動(dòng)機(jī)在工作效率、燃油耗量、安全性以及改善碳排放、NOx排放量等方面都有顯著提高，但由于過(guò)度強(qiáng)調(diào)節(jié)油性，該型發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴嘴存在重大設(shè)計(jì)缺陷。本文介紹了LEAP-1A型燃油噴嘴的結(jié)構(gòu)，分析了設(shè)計(jì)缺陷的原因，介紹目前廠家給出的在翼解決方案，并提出改進(jìn)思路，為設(shè)計(jì)、維護(hù)該類型發(fā)動(dòng)機(jī)提供借鑒。

1 燃油噴嘴簡(jiǎn)介

LEAP-1A型發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴是3D打印構(gòu)件，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)有19個(gè)噴嘴，均布在燃燒室機(jī)匣前端。與傳統(tǒng)機(jī)加方法生產(chǎn)的燃油噴嘴相比結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，重量更輕（見(jiàn)圖1）。

燃油噴嘴有兩個(gè)進(jìn)油口，其中與燃油次級(jí)總管相連的是噴嘴副值班油路（fuel pilot secondary circuit），與燃油主級(jí)總管相連的進(jìn)油口在噴嘴內(nèi)部分為噴嘴主油路（fuel main circuit）和主值班油路（fuel pilot primary circuit），副值班油路和主油路內(nèi)有單向活門（check valve）和流量活門（flow divider valve）（見(jiàn)圖2）。

受電子發(fā)動(dòng)機(jī)控制組件（EEC）的控制，燃油噴嘴在不同的工作狀態(tài)下有不同的工作油路和供油量，慢車、滑行、下降時(shí)，主油路不工作，主值班油路、副值班油路中供油量；起飛、爬升、巡航、反推工作時(shí)，主油路高供油量，主值班油路、副值班油路低供油量；進(jìn)近時(shí)，主油路不工作，副值班油路高供油量，主值班油路低供油量。

2 燃油噴嘴主要故障

燃油噴嘴發(fā)生故障的原因包括：設(shè)計(jì)上油路狹小，工作不連續(xù)；工作在高溫高壓區(qū)域；未考慮不同油品對(duì)油路的影響等。最典型的故障表現(xiàn)是燃油噴嘴油路內(nèi)部的燃油高溫結(jié)焦，結(jié)焦后的污染物堵塞油路或造成活門卡死。

2.1 主油路堵塞

燃油結(jié)焦后將堵塞部分燃油噴嘴的主油路，為達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)所需目標(biāo)功率，其他未堵塞的燃油噴嘴供油量增大，對(duì)應(yīng)的高壓渦輪靜子葉片局部高溫?zé)g，損壞脫離，打傷下游葉片，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車（已造成一起空停）。

另外，主油路堵塞后，噴嘴前燃油壓力增大，該壓力會(huì)使燃油泵在高功率時(shí)旁通，導(dǎo)致潛在的燃燒室熄火。

2.2 流量活門卡阻

燃油結(jié)焦后將流量活門卡阻在打開(kāi)位，低功率時(shí)，超量的燃油流量噴出，對(duì)應(yīng)的高壓渦輪靜子葉片局部高溫?zé)g，損壞脫離，打傷下游葉片，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車（已造成一起空停和一起N1轉(zhuǎn)子高振動(dòng)返航）。

2.3 單向活門卡阻

燃油結(jié)焦后將單向活門卡阻在打開(kāi)位。低功率時(shí)，超量的燃油流量噴出，其對(duì)應(yīng)的高壓渦輪靜子葉片局部高溫?zé)g。

由于單向活門結(jié)焦卡阻，某航司已出現(xiàn)一起發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)車后尾噴口區(qū)域發(fā)現(xiàn)明火的情況。原因?yàn)椋喊l(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)車后，單向活門應(yīng)處于關(guān)閉位，但由于活門結(jié)焦卡阻，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)車后活門未完全關(guān)閉，殘留在供油管路中的燃油繼續(xù)經(jīng)過(guò)燃油噴嘴流向燃燒室，當(dāng)達(dá)到適合的油氣比并遇到熱回浸（發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)車后燃燒室散熱形式之一）所致的部件局部高溫時(shí)，造成燃燒室內(nèi)部形成局部明火，隨著空氣流動(dòng)到發(fā)動(dòng)機(jī)后部，在尾噴區(qū)域出現(xiàn)明火。

2.4 主值班油路堵塞

燃油結(jié)焦堵塞噴嘴主值班油路后，對(duì)于低EGT裕度的發(fā)動(dòng)機(jī)，在高外界溫度時(shí)會(huì)發(fā)生熱起動(dòng)或起動(dòng)懸掛。

2.5 副值班油路堵塞

燃油結(jié)焦堵塞噴嘴副值班油路后，發(fā)動(dòng)機(jī)加速時(shí)，噴嘴前壓力增長(zhǎng)會(huì)使燃油泵旁通，導(dǎo)致潛在的熄火或懸掛。

2.6 后隔熱屏損壞

燃油噴嘴后隔熱屏（AHS）為陶瓷涂層結(jié)構(gòu)，由于熱腐蝕以及涂層和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度原因，損傷形式主要為徑向裂紋、周向裂紋、涂層剝離、氧化、熱變形等（見(jiàn)圖3）。

損傷超過(guò)極限后，會(huì)發(fā)生掉塊、漏氣等嚴(yán)重安全問(wèn)題。

3 燃油噴嘴堵塞原因分析

燃油噴嘴堵塞的原因是發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)車后殘留在燃油噴嘴中的燃油受高溫烘烤結(jié)焦造成噴嘴堵塞。每個(gè)循環(huán)的結(jié)焦率與發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)車后的溫度有關(guān)。從宏觀方面統(tǒng)計(jì)目前影響噴嘴結(jié)焦的因素有以下幾方面。

3.1 燃油屬性

世界機(jī)隊(duì)數(shù)據(jù)表明，不同地區(qū)或不同的細(xì)分區(qū)域的燃油屬性不同，結(jié)焦率和結(jié)焦模式也不同。歐洲區(qū)用戶在所有模式下的結(jié)焦率都很低，北美用戶主油路堵塞快于其他地區(qū)，亞洲區(qū)的一個(gè)小細(xì)分區(qū)的活門卡阻率很高。世界機(jī)隊(duì)普遍存在因主值班油路堵塞而更換整套燃油噴嘴的情況。

3.2 停場(chǎng)時(shí)間

發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)車后，大概有30min的時(shí)間發(fā)動(dòng)機(jī)溫度高于結(jié)焦溫度，熱回浸時(shí)間甚至在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)車后幾小時(shí)仍然存在。停場(chǎng)時(shí)間越長(zhǎng)（如每天最后一個(gè)航后），高溫時(shí)間越長(zhǎng)，積炭生成越多；停場(chǎng)時(shí)間越短（如45min的短停），積炭生成越少。

3.3 環(huán)境溫度

環(huán)境溫度越高，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻時(shí)間越長(zhǎng)，停留在結(jié)焦溫度的時(shí)間就越長(zhǎng)，積炭生成越多，這也是南方的噴嘴更換率高于北方的主要原因。

3.4 航段影響

積炭是在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)車后生成的，航段的長(zhǎng)短對(duì)積炭影響不大，但長(zhǎng)航段通常對(duì)應(yīng)長(zhǎng)的短停時(shí)間，會(huì)有更多結(jié)焦，不過(guò)長(zhǎng)航段每日的飛行總時(shí)長(zhǎng)一般較短，因此如按日歷日計(jì)算，結(jié)焦時(shí)長(zhǎng)短。

3.5 發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)車前的溫度情況

發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)車前，慢車時(shí)間長(zhǎng)，可以保持發(fā)動(dòng)機(jī)的熱穩(wěn)定性，有助于降低積碳生成率。

綜上，燃油噴嘴結(jié)焦率主要與高溫時(shí)間有關(guān)，上述因素雖都能影響結(jié)焦率，但無(wú)法判斷哪種因素起主要作用。

4 生產(chǎn)廠家的解決措施

對(duì)于燃油噴嘴結(jié)焦問(wèn)題，CFMI公司認(rèn)為目前最重要的措施是及時(shí)發(fā)現(xiàn)是否有燃油噴嘴堵塞，并在情況沒(méi)有進(jìn)一步惡化前采取措施。

4.1 監(jiān)控排氣溫度（EGT）差值

LEAP-1A發(fā)動(dòng)機(jī)有8個(gè)排氣溫度（EGT）探頭，可以測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)局部排氣溫度（見(jiàn)圖4）。將各探頭的EGT值進(jìn)行差值運(yùn)算，如果在一定的時(shí)間間隔內(nèi)出現(xiàn)差值超過(guò)門限值的情況，則表明有燃油噴嘴堵塞，需要在規(guī)定的期限內(nèi)采取措施。

EGT值記錄在ACMS巡航報(bào)文和起動(dòng)報(bào)文中，生成后會(huì)自動(dòng)上傳至CFMI網(wǎng)站，由后臺(tái)程序進(jìn)行處理。CFMI公司安排了專門的性能工程師監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，向客戶發(fā)出報(bào)警。

為了保障故障判斷的及時(shí)性，CFMI對(duì)數(shù)據(jù)上傳有完整度要求，如果因設(shè)備問(wèn)題無(wú)法及時(shí)上傳數(shù)據(jù)，需要人工下載數(shù)據(jù)或硬時(shí)限更換燃油噴嘴。

4.2 在翼洗滌劑清洗燃油噴嘴

2018年CFMI公司推出在翼洗滌劑清洗，用專門的清潔設(shè)備將特殊洗滌劑噴入燃油噴嘴中，浸泡一段時(shí)間后用水清潔。清潔后測(cè)試證明對(duì)主油路有效，但對(duì)值班主油路無(wú)效或效果不明顯。目前CFMI已放棄該項(xiàng)研究。

4.3 在翼高壓熱空氣清潔

2018年CFMI公司還推出了高壓熱空氣清潔法，將熱空氣流從燃油噴嘴前端吹入，將堵塞值班主油路噴油口的積炭吹出噴嘴，結(jié)果表明清潔效果不好。目前CFMI已放棄該項(xiàng)研究。

4.4 整套燃油噴嘴更換

對(duì)于有結(jié)焦情況的燃油噴嘴，CFMI公司目前采用的辦法是發(fā)給客戶通知信函（CNR），客戶根據(jù)CNR的推薦期限更換整套燃油噴嘴。

該方法簡(jiǎn)單有效，但工作量大，需要拆裝的部件多，工時(shí)長(zhǎng)，飛機(jī)停場(chǎng)時(shí)間長(zhǎng)，容易發(fā)生人為原因的不安全事件（已發(fā)生與燃油噴嘴更換相關(guān)的空停）。

4.5 停機(jī)位干冷轉(zhuǎn)

CFMI公司在2019年開(kāi)展了停機(jī)位干冷轉(zhuǎn)的試驗(yàn)：每天至少一次，飛機(jī)停穩(wěn)后干冷轉(zhuǎn)至少120min，對(duì)減緩燃油噴嘴結(jié)焦有一定益處，但由于停機(jī)位長(zhǎng)時(shí)間干冷轉(zhuǎn)涉及到機(jī)位、運(yùn)營(yíng)、人員安排等復(fù)雜問(wèn)題，后續(xù)沒(méi)有航空公司采納。

4.6 定期放燃油箱沉淀

CFMI公司認(rèn)為航空公司油品雜質(zhì)不同，燃油噴嘴結(jié)焦的程度也不同，因此定期放出燃油箱中的雜質(zhì)沉淀可以有效減緩噴嘴結(jié)焦。

2019年CFMI在部分航空公司開(kāi)展至少每36h放一次油箱沉淀的試驗(yàn)。試驗(yàn)證明該方法對(duì)減緩燃油噴嘴結(jié)焦有一定益處，但效果不明顯。該措施已經(jīng)停止推進(jìn)。

4.7 關(guān)車后通風(fēng)冷卻燃油噴嘴

CFMI公司通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，燃油噴嘴內(nèi)部結(jié)焦的原因有兩種：

1）飛行中，不工作的油路內(nèi)部殘留燃油遇高溫焦結(jié)；

2）發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)車后，高溫的大型結(jié)構(gòu)件熱量傳導(dǎo)至燃油噴嘴，使其內(nèi)部殘留的燃油遇高溫焦結(jié)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)車5min后，燃油噴嘴溫度開(kāi)始上升；30min后，升至結(jié)焦溫度，開(kāi)始焦結(jié)（見(jiàn)圖5）。

基于上述研究，CFMI計(jì)劃推出在翼關(guān)車后通風(fēng)冷卻燃油噴嘴系統(tǒng)的措施（見(jiàn)圖6）。

該系統(tǒng)由連接風(fēng)扇外涵出口的冷卻管、風(fēng)扇、單向活門、引氣管等組成，發(fā)動(dòng)機(jī)停車后開(kāi)啟風(fēng)扇，將外涵空氣通過(guò)管路引入擴(kuò)散機(jī)匣，吹向燃油噴嘴，給噴嘴降溫。該系統(tǒng)工作長(zhǎng)達(dá)1h以上，使燃油噴嘴溫度始終處于結(jié)焦溫度以下（見(jiàn)圖7）。

目前，該系統(tǒng)已完成在翼試驗(yàn)階段，計(jì)劃于2022年年中推出。

4.8 采用新型后涂層的燃油噴嘴

為解決后涂層早期脫落問(wèn)題，CFMI公司推出新型G05噴嘴。該噴嘴改進(jìn)了涂層材料，使涂層具有更好的熱應(yīng)變能力；增加了涂層材料厚度，以降低燃耗率；減少了軸向溫度梯度，增加了熱循環(huán)壽命；改進(jìn)了噴嘴局部結(jié)構(gòu)形狀，減少了部件熱應(yīng)力集中（見(jiàn)圖8）。

新型噴嘴目前尚未正式推廣，僅在部分機(jī)隊(duì)在翼測(cè)試。

5 解決措施

航空公司面臨的壓力包括因燃油噴嘴結(jié)焦導(dǎo)致的延誤、空停的風(fēng)險(xiǎn)，以及更換燃油噴嘴可能發(fā)生的人為不安全事件，因此提出以下解決措施。

1）重點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)重點(diǎn)管控

航空公司性能監(jiān)控工程師應(yīng)每日監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，尤其是對(duì)于EGT溫差較大的發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控?？衫矛F(xiàn)有的計(jì)算機(jī)技術(shù)設(shè)置高于廠家標(biāo)準(zhǔn)的門限值，以監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的健康狀況。如已達(dá)到CFMI公司規(guī)定的門限值但仍未收到CNR，可主動(dòng)詢問(wèn)廠家原因，避免遺漏。

2）空地交流避免惡性延誤

燃油噴嘴主副值班油路堵塞都可能造成起動(dòng)不成功、起動(dòng)懸掛、起動(dòng)超溫、慢車熄火等故障。工程師應(yīng)利用空地交流的機(jī)會(huì)，向空勤人員介紹故障現(xiàn)象和故障原因。對(duì)于判斷符合油路堵塞造成故障的情況，可采用重新嘗試起動(dòng)、交輸引氣起動(dòng)方式起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，避免因長(zhǎng)時(shí)間排故造成惡性延誤。

該措施更適于短停航班。

3）推廣標(biāo)準(zhǔn)施工經(jīng)驗(yàn)避免人為差錯(cuò)

CFMI公司針對(duì)更換燃油噴嘴過(guò)程中的各種問(wèn)題給出了標(biāo)準(zhǔn)施工經(jīng)驗(yàn)，航空公司應(yīng)向工作者普及推廣該經(jīng)驗(yàn)，可有效避免因人為原因造成的嚴(yán)重差錯(cuò)。

發(fā)動(dòng)機(jī)工程師具有能接觸到最新行業(yè)信息的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)及時(shí)將各類人為差錯(cuò)事件通報(bào)工作者，讓工作者了解薄弱環(huán)節(jié)和差錯(cuò)原因，有效避免犯同類錯(cuò)誤。

例如，2019年10月某航空公司在更換燃油噴嘴時(shí)，未正確安裝瞬時(shí)放氣封嚴(yán)（TBV），導(dǎo)致飛行中熱空氣泄漏至短艙觸發(fā)火警，發(fā)動(dòng)機(jī)人工關(guān)車（見(jiàn)圖9）。該信息傳達(dá)至工作者后，工作者在安裝類似封嚴(yán)時(shí)吸取了經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)減少了差錯(cuò)率。

6 結(jié)束語(yǔ)

截至目前，LEAP-1A型發(fā)動(dòng)機(jī)世界機(jī)隊(duì)共發(fā)生空停事件24起，與燃油噴嘴相關(guān)的停車事件占4起，接近空停事件總量的五分之一，是該型發(fā)動(dòng)機(jī)第一空停原因。

為解決燃油噴嘴相關(guān)問(wèn)題，廠家、監(jiān)控工程師、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)工程師、工作者需共同努力，管控好燃油噴嘴相關(guān)數(shù)據(jù)監(jiān)控、定期孔探以及拆裝過(guò)程中可能存在的薄弱環(huán)節(jié)等，不漏過(guò)任何征兆，早發(fā)現(xiàn)、早檢查、早解決，有效避免嚴(yán)重不安全事件。

廠家現(xiàn)有的通風(fēng)冷卻在翼解決方案需加裝一套系統(tǒng)多個(gè)部件，將導(dǎo)致飛機(jī)大大增重，如果加裝的系統(tǒng)零件松動(dòng)、脫落、飛離，將直接危及燃油噴嘴和燃燒室的安全，另外，系統(tǒng)管路眾多，存在潛在的漏氣風(fēng)險(xiǎn)以及引發(fā)短艙高溫的風(fēng)險(xiǎn)。因此，燃油噴嘴問(wèn)題最終的廠家應(yīng)直面其設(shè)計(jì)缺陷，如噴嘴內(nèi)部油路細(xì)小、對(duì)用戶油品雜質(zhì)含量預(yù)估不足、供油邏輯缺陷等，進(jìn)而改進(jìn)燃油噴嘴的結(jié)構(gòu)及供油邏輯，才能從根本上解決隱患。

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