CFM56-5B发动机高高原冷发起动困难的研究

敖良忠，钱 锋

(中国民航飞行学院 航空工程学院，四川 广汉 618307)

CFM56-5B发动机高高原冷发起动困难的研究

敖良忠，钱 锋

(中国民航飞行学院 航空工程学院，四川 广汉 618307)

介绍了CFM56-5B发动机的起动过程以及高高原地区起动时常出现的故障，如起动悬挂、热起动、发动机超温，这些故障会损伤发动机热端部件，缩短发动机的使用寿命。根据离心式喷嘴的雾化原理和发动机原理，结合高高原地区气压低、含氧量少的特点，分析出了在现有ECU起动逻辑下，燃油雾化质量差，剩余功率不足，富油燃烧，这些都是造成起动困难的重要原因。

CFM56-5B发动机；起动；高高原；离心式喷嘴；雾化

CFM56-5B发动机因其优秀的高亚音速经济性能、起飞推力性能以及其拥有的高可靠性被应用于空客A320系列飞机上。CFM56-5B发动机经过了多年的使用和发展，其发动机自身已经日臻完善，使用也十分成熟，但是在面对高高原机场复杂的外界条件时，仍然遇到了航前冷发起动十分困难的状况。航空公司最初遇到这个状况时，多以在本场更换起动机或者发动机来解决问题，后来通过人工强行打开空气活门(空客允许的措施)，让发动机运行过最困难的阶段来保证成功起动发动机。

正点率对航空公司来说至关重要，发动机起动时旅客已经登机完毕，如果此时不能正常起动发动机，甚至需要花很长时间来更换发动机，那么航空公司的服务质量必定大打折扣。同时，发动机使用过程中若常出现不能正常起动，并且出现起动悬挂、热起动等故障，都将加速发动机性能的衰退，为航空公司带来高昂的维护成本。所以，我们需要分析出高高原冷发起动困难的真正原因，为航空公司在解决该问题时提供可以参考的理论依据。

1 CFM56-5B发动机正常起动过程

发动机从静止状态到慢车转速的过程称之为起动过程。首先在座舱中将模式旋钮旋转到IGN/START位，再把MASTER LEVER(主电门)开到ON位。这时SAV(起动空气活门)电磁阀通电，导入压力气体将SAV打开，随后来自气源系统的压力空气通过SAV带动STARTER(起动机)内空气涡轮转动，进而带动了高压转子(N2转子)加速，同时低压转子(N1转子)转速上升。当N2转速达到16%时，点火器A或B其中一个开始跳火，在N2转速达到22%时，开始供油，供油量由ECU(ElectronicControlUnit)根据PS3(压气机出口压力)和外界总压总温计算出来。

图1 CFM56-5B发动机起动过程图

点火成功以后，涡轮发出的功和起动机共同带动N2转子加速。当N2达到50%时起动机自动脱开，SAV关闭。这时利用涡轮发出的功带动压气机加速，直到达到慢车转速，整个过程最长不超过两分钟。过程如图1所示[1]。

2 高高原环境对混合气燃烧的影响

液体燃料在燃烧室中燃烧，必须先雾化蒸发成油蒸汽，再与空气掺混，形成混合气体后，才能进行燃烧反应。喷嘴是一种燃油雾化装置，CFM56-5B发动机采用的双油路离心式喷嘴，内装有一个旋流器，燃油由齿轮泵提供压力，在旋流室内作急速的旋转运动，然后以旋转液膜的形式从喷孔喷出后形成空心锥，液膜因受惯性力和空气撞击的作用破裂成无数细小的油珠，从而达到雾化燃油的效果。

反映喷嘴雾化质量的好坏常用索太尔平均直径SMD(SauterMeanDiameter)表示，它反映了液体占据的体积与液体总表面积的比值。显然在相同体积下，SMD越小表示液体具有更大的表面积，雾化质量越好。SMD及主要独立因素写成不定式函数式为：

SMD=f(do,V,σ,ρ,μ,ρa)

(1)

(d0：喷嘴喉部直径；V：液滴与空气的相对速度；σ：液体的表面张力；ρ：液体密度；μ：动力粘度；ρa：空气密度)[2]

当喷嘴结构确定，燃油的粘度对SMD起着主导作用，表面张力次之。随着燃油压力的增大,SMD逐渐减小。主要原因是因为燃油压力的增大，燃油的旋转离心力也随之增大。另一方面，随着起动过程的进行，空气流量增加，油膜与空气的相对速度变大，这时燃油粘度和表面张力对SMD的影响会逐渐变小[3]。

高高原地区的过夜航班起动前，发动机已经在温度较低的外界环境中待了很长时间。根据煤油的动力粘度μ和温度T的关系式[4]：

μ(T)=v(T)ρ(T)

(2)

lg(lg(v(T)+0.6)=9.9114-4.225lgT

(3)

ρ(T)=1003-0.76T

(4)

如图2所示，低温会导致燃油粘度加大，因此齿轮泵对燃油的增压能力减弱，喷嘴压差变小，根据离心喷嘴的雾化原理，若此时仍然以N2达到22%就开始供油，SMD较大。油雾的最小点火能量与SMD的4.5次方成正比，SMD越大，点火就越困难。由于这个原因，发动机需要更高的点火能量才能点着混合气，但是ECU默认点火逻辑为单点火，这就容易出现难以点着混合气的情况，致EGT(ExhaustGasTemperature)上升十分缓慢。若EGT在15秒内没有上升420C，ECU认为发动机没有点着火，就会自动停止点火，ECAM(ElectronicCentralizedAircraftMonitoring)出现IGN1，IGN2and/or115Vfaults的报错，整个过程中EGT、FF(FuelFlow)、N2、PS3变化量如图3所示。

图2 -30oC～30oC动力粘度μ随温度的变化关系图

图3 供油后15秒内EGT上升情况图

3 高高原冷发起动常见故障及原因分析

3.1 起动悬挂

起动悬挂是指发动机在起动过程中，点火以后发动机转速增加缓慢，最后稳定在某个低于慢车的转速值的现象。热悬挂是指发动机处于起动悬挂状态时燃油流量和EGT都很高，有出现热起动的危险，常出现在高高原地区发动机起动过程中[5]。

根据ECU中的点火逻辑，当N2达到22%时，发动机开始供油，涡轮功率随之增大。在发动机到达慢车状态前，发动机机涡轮发出的功率与起动机发出的功率之和必须大于发动机加速消耗的功率才能使发动机加速到慢车状态[6]。

剩余功率的公式：

ΔN=NS+NT-NC

(5)

(起动机功率NS；涡轮功率NT；压气机功率NC)

高高原机场具有海拔高、气压低、空气密度小、氧气质量分数小等气候特点，导致APU(AuxiliaryPowerUnit)引气压力小，NS不足。同时ECU为保证发动机成功起动，增大了供油量。根据前文的描述，发动机点火初期，受燃油雾化质量不好的影响，偏离设计状态，燃烧室内此刻相对贫油,致NT不足。随着起动的持续进行，燃烧室内逆流到回流区的高温燃气加热油滴，当达到燃油沸点时，大量的油滴迅速形成燃油蒸汽，燃烧室内混合气质量转好，余气系数也随之快速变小，进而变为富油燃烧，EGT骤然升高，热效率大大下降，NT小，甚至可能出现富油熄火的情况。根据剩余功率的公式可以看出，高高原地区起动时，ΔN不足，发动机转速上升缓慢，起动时间过长，最后形成热悬挂，过程中甚至会出现RollBack(掉转速)的情况，ECAM出现“ENG1(2)STARTFAULT”警告信息，发动机关车。

3.2 热起动、超温

根据CFM56-5B发动机ECU的控制逻辑，ECU会采取EGT相对于N2的变化率曲线来检测发动机EGT变化的情况，若EGT没有按照对应的N2变化率而迅速上升，就称这种情况为热起动。热起动有超出发动机红线值(7250C)的可能，甚至引起发动机失速，损伤失发动机。

发动机超温是指EGT温度超过了7250C[7]。

发动机出现热起动和超温，ECU会切断供油6秒但是保持跳火，6秒后减少原供油量的7%重新恢复供油，如果仍然出现上述情况，ECU会重复前面的操作，若第四次仍然不能正常起动，ECU将主动放弃起动，过程如图4所示。在ECU的增强人工起动模式下，出现发动机超温，ECU还将直接停止点火，切断供油，中断起动过程。在起动过程中，我们因尽量避免出现热起动和超温，因为出现这些情况会损伤发动机的热端部件，缩短发动机的寿命。

图4 发动机热起动、超温时ECU的处理方案

高高原地区ΔN小，N2转速上升缓慢，进入发动机的空气流量小。当燃烧室内燃油的雾化质量迅速好转时，燃烧室内余气系数减小，出现富油燃烧，涡轮前温度上升过快。尤其是当Starter退出工作的短时间内，ECU为保证NT，会适当增大供油量，EGT更是显著上升。另一方面由于ΔN不足，进入发动机的空气流量相对小，压力低，不能有效冷却涡轮[8]。当出现热起动或者发动机超温，飞行员必须放弃起动。

4 结语

当CFM56-5B发动机处于高高原地区苛刻的外界条件下做航前冷发起动时，滑油、燃油的在低温中存放较长时间，物性发生了改变，在ECU原有的起动逻辑下，起动之初难以获得雾化良好的燃油，使得发动机很难获得起动所需的足够的剩余功率。这就不难解释，为什么航空公司更换了发动机LRU(LineReplaceableUnit)时，起动困难的现象仍然存在，因为这并不是LRU故障所致。

CFM公司建议用户在高高原机场，当天第一次起动时采用人工起动，N2达到28%-30%时供油。这样有助于提升燃油的雾化质量，增大空气流量，提高燃烧效率，保证起动成功率。但是人工起动过程中，ECU只能为发动机提供超温的保护，大大增加了发动机被人为损坏的风险。为了降低这种风险，CFM公司需要对ECU的起动逻辑进行了升级，目前5BT软件版本利用了EGT和TEO(TemperatureEngineOil)对TAT(TotalAirTemperature)的差值是否小于门限值的逻辑来判断发动机是否为冷发，经过数据评估后，EGT的差值门限值被设定为300C(此前为100C)，TEO的差值门限值被设定为150C。当在高度大于10000英尺的机场，若ECU判定发动机为冷发起动，N2要达到30%或者最大冷转速度时才开始供油，并且采用双点火，来保证起动成功率。只有保证了发动机的正常起动，才能提升航班的准点率。

[1]CustomerTrainingCenter.CFM56-5BTrainingManual[M].France:Snecma,2007:28.

[2] 王成军，张宝诚，马金凤.一种双路离心式喷嘴雾化性能的研究[J].节能，2008(2):7-8.

[3] 赵宇龙.粘度和表面张力对液体雾化效果影响的实验研究[D].沈阳:东北大学，2012.

[4] 孙弘原.超燃冲压发动机燃烧室没有再生冷却研究[D].长沙:国防科学技术大学，2009.

[5]CFMCompany.CFMFleetHighlites[M].France:Snecma,2014:16-18.

[6] 赵廷渝.航空燃气涡轮动力装置[M].成都：西南交通大学出版社,2008:78-79.

[7] 谭燕.CFM56-7B发动机的热起动及起动悬挂[J].中国民航飞行学院学报,2011(4):24-29.

[8] 赵廷渝.高涵道涡扇发动机在高温高原机场工作的特点[J].民航飞行与安全,2004(10):28-30.

[责任编辑、校对：张朋毅]

Research on the Cold CFM56-5B Engine Difficulty in Starting at High-plateau

AOLiang-zhong1,QIANFeng2

(1.Aero Engine Maintenance Training Center, Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307, China;2.Aviation Engineering Institute, Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307, China)

This paper elaborates the starting process of CFM56-5B engine and the faults occur when the engine starts in high-plateau area, such as hung start, hot start, over-temperature, which will damage the engine hot section and shorten its service life.The paper analyzes the cause leading to the cold engine difficulty in starting by studying the principle of pressure-swirl atomizer, aviation engine principle and the existing starting logic of ECU.The difficulty mainly results from the poor quality of fuel atomization, and lack of remaining power, oil-rich burning at the high-plateau which features low air pressure and oxygen deficiency.

CFM56-5B engine; start; high-plateau; pressure-swirl atomizer; atomize

2015-02-26

敖良忠(1971-)，男，重庆铜梁人，教授，从事航空发动机方面的研究。

V235.13+1

A

1008-9233(2015)03-0003-04