民航涡扇发动机高高原起动失效机理试验研究

赖安卿，付尧明，闫 锋

（中国民用航空飞行学院，四川 广汉 618307）

1 引言

高高原机场标高为2438m及以上的机场，机场海拔增高，大气压力、温度以及密度均会降低。另外，地形和天气条件等使高高原机场运行环境比一般机场复杂很多，因此要保证安全，民航管理部门对高高原机场运行有着非常细致、严格的要求。同样，特殊的高高原环境将对航空发动机的起动性能同样产生不容忽视的影响。

高高原环境航空发动机起动的主要问题是起动时间长、超温、超转等。民用大涵道比航空发动机通常采用的是空气起动机，其高压空气来源无论是来自辅助动力装置或地面气源车还是已经起动好的另一台发动机，都因为高高原空气密度小、气压低导致起动机功率下降，使加速的剩余功率不足，加速缓慢，从而导致起动时间明显加长。

由于世界范围内高原机场主要集中在中国、中亚和南美等地方[1]，国外学者对航空发动机高原运行问题研究较少，国内学者开展了一些试验研究工作。其中，文献[2]针对微型燃气轮机，通过改变供油规律，提高了高原环境发动机点火的可靠性；文献[3]通过试验研究补氧以及降低液压负载的方法改善高原起动性能。文献[4]针对军用涡扇发动机进行了起动试验研究，发现增大起动机功率以及减小起动负载的办法解决高原起动的问题。文献[5]通过试车和仿真计算，给出了某型发动机高原起动供油规律。这些试验研究均没有涉及高涵道比涡扇发动机高高原起动问题。针对民航高涵道比涡扇发动机的高原起动问题，目前停留在理论研究分析阶段[6，7]。虽然西藏航空联合法国空客公司、美国GE公司对高高原起动困难的问题进行了研究，但是其研究成果并未对外公布。随着高高原航线的不断增多，民航发动机的“高原反应”现象日益突出，因此对高涵道比民航涡扇发动机的起动特点进行系统的研究具有重要意义。

通过研究某型号高涵道比涡轮风扇发动机的高高原起动问题，获取高高原起动失效和起动成功的QAR数据（发动机转速、燃油流量，EGT温度），并同时测量发动机燃烧常规生成物质的变化规律，从而分析高高原大涵道比涡扇发动机起动失效的特点和机理，解决民航运输飞机在高高原的起动问题，为我国大飞机和大发动机的研制提供有力支撑。

2 试验方案设计

为了在翼实时采集航空发动机起动时的尾气成分，并考虑发动机运转时的危险区域，本试验采用实时采集、数据远程传递的方案。

本试验将尾气测量设备探头通过夹片固定在发动机的吊架上，然后将尾气传输线沿着吊架转移到发动机短舱外侧的慢车安全区域，并连接尾气数据采集分析仪，该尾气设备与远程计算机通过蓝牙连接，可以实现数据的实时传输记录，如图1所示。尾气浓度测量试验装置，如图2所示。

图1 尾气浓度测量方案示意图Fig.1 Schematic Diagram of Emission Composition Experiment

图2 尾气浓度测量试验装置Fig.2 Emission Composition Experiment Facility

本试验采用的气体连续分析仪，采用非分光红外技术，可对多种燃烧产物尾气成分浓度（例如：一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物等）进行实时连续测量。

3 试验工况

本试验所选用的飞机为某航空公司的B-****飞机，其发动机型号为CFM56-5B。飞机所在地机场为海拔3600m的高高原机场，选择在高高原机场过夜后的飞机，航空发动机第一次起动为冷发起动，伴随尾喷管冒白烟和喷火现象，并且起动失效，随后发动机进行冷转，热发起动成功。本试验针对同一台发动机高高原环境“冷发起动”失效和“热发起动”成功进行研究。

试验时，通过机载设备获取飞机的QAR数据并译码，并同步测量航空发动机主要尾气成分浓度，QAR数据和尾气成分测量的采样频率均为1Hz。试验数据采集时外界大气温度为4℃，大气压力为 63，776Pa。

4 试验数据分析

4.1 QAR数据分析

4.1.1 起动过程分析

通过QAR数据记录同一发动机连续两次起动情况，如表1所示。冷发起动时（First start），发动机出现冒白烟，并喷火的现象，冷发起动失败，随后，进行冷转（Dry motoring）69s，再次起动发动机，此时由于发动机上一次的起动，温度较高，为热发起动（Second start），此时起动成功。具体监测冷发起动和热发起动数据：N2转速（发动机高压轴转速）、燃油流量（FF）以及EGT温度，如图3所示。

表1 起动时间分段Tab.1 Period of Start

图3 N2、燃油流量和EGT变化曲线Fig.3 Variation of N2、Fuel Flow and EGT

第一次起动为冷发起动，按照起动程序，N2转速达到50%时，起动空气活门和点火关闭，此时发动机运转没有起动机辅助，只依靠发动机燃烧室产生的能量驱动发动机转子旋转，此时受EGT上升的趋势的影响，燃油流量基本没有变化，EGT在不断上升，N2转速保持在50%基本不变，转速没有继续上升。根据该机型起动时间的限制，起动时间达到2min，转速没有达到慢车转速，起动失败。

随后，冷转69s，重新起动。此时发动机为热发，起动时长为118s，N2转速达到60.31%，起动成功。

4.1.2 冷发和热发起动对比分析

发动机冷发起动、热发起动N2转速、燃油流量和EGT的对比，如图4～图6所示。发动机起动第一阶段为起动机单独驱动发动机旋转，此时，冷发和热发N2加速曲线基本一致，供油时机也基本一致，冷发N2转速达到29%开始供油，热发N2达到30%开始供油。冷发起动，41s燃油喷嘴开始喷油，46s EGT开始明显上升，此时发动机点火成功；热发起动，由于起动第一阶段发动机为冷转，因此EGT不断降低，40s开始喷油，41s EGT出现明显上升。由此可见，喷油到点火成功，冷发耗时5s，热发耗时1s。发动机点火性能受点火能量和燃油雾化效果的影响。CFM56-5B发动机采用的是双路离心式喷嘴[8]，燃油喷嘴雾化对航空发动机燃烧室工作性能有直接影响，油雾的最小点火能量与油雾的索太尔平均直径（SMD）的（4～5）次方成正比，SMD越大则点火就越困难。而供油压力直接影响燃油雾化效果[9]。根据该类型燃油喷嘴工作原理，供油压力与燃油流量呈现二次曲线的关系[10]。由于高高原起动，空气稀薄，同等情况下较平原供油量少，因此，供油压力低，降低了燃油雾化质量。而冷发起动，外界温度低，造成燃烧室温度也低，燃油粘性增大，雾化效果进一步变差，从而造成冷发点火困难，着火时间长。

另外，从图5燃油供油规律上看，喷油的初始阶段，冷发、热发供油量基本一致，但是有其局部特点。冷发起动从供油到点火成功耗时较长，供油规律呈现曲线上升的规律：发动机喷嘴喷出燃油后未着火，燃油流量上升后又下降，回到初次供油量大小，然后再继续上升，仍未着火，再次供油量减小，此时点火成功。在着火前采取脉动式供油规律，主要是为了提升燃油雾化效果，同时避免发动机燃烧室集聚大量燃油形成局部过富油。

起动第二阶段，发动机点火成功，起动机和涡轮共同发出功率，带动发动机运转。热发与冷发相比，N2转速上升速率明显加快。从发动机点火成功开始，到N2转速达到50%，冷发耗时56s，热发耗时20s。热发燃油流量供给整体上相比冷发上更多，EGT温度也更高。这是由于热发起动阻力力矩小，且燃油雾化质量好，涡轮产生功率大的原因。

起动第三阶段，起动机脱开，冷发燃油流量小幅波动，未见明显上升，但是EGT温度持续上升，N2转速基本维持不变，起动耗时120s并未达到慢车转速，造成起动悬挂，起动失败。热发起动，起动机脱开后耗时38s，N2转速上升至60%，达到慢车转速，起动成功。整个起动耗时118s。冷发燃油流量未见明显上升的原因在于EGT温度的上升趋势，若此时继续增大燃油流量，将会导致EGT温度超过EGT上升趋势限制值，从而引发EGT超温。起动机脱开后，燃油流量不增加，发动机加速剩余功率不足，从而造成起动悬挂。

图4 N2转速对比Fig.4 Contrast of N2

图5 燃油流量对比Fig.5 Contrast of Fuel Flow

图6 EGT对比Fig.6 Contrast of EGT

4.2 排放物成分浓度分析

民航运输机采用的是航空煤油，为碳氢化合物，在燃烧过程中主要生成二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）以及碳颗粒等，并伴随着未燃碳氢化合物的排放[11]。通过分析尾气主要成分浓度来探究发动机高高原起动时燃烧室的燃烧状态。发动机冷发、热发起动CH4、CO以及NOx排放浓度的对比，如图7～图9所示。甲烷CH4代表了发动机起动过程中未燃碳氢化合物的排放量。在发动机起动时，部分碳氢化合物还未来得及燃烧，就被气流带出了燃烧室。从图7可见，在起动整个过程中，虽然热发58s时，CH4浓度达到最高值为543mg/m3，高于冷发浓度最大值486 mg/m3，但是，在70s以后，冷发CH4的排放浓度整体高于热发，从图5中可以看出，此时热发供油量大于冷发供油量。因此，由于热发发动机内部温度较高，即使供油量大，但是有更多的燃油充分燃烧为发动机提供动力。

图7 CH4浓度对比Fig.7 Contrast of CH4

图8 CO浓度对比Fig.8 Contrast of CO

图9 NOx浓度对比Fig.9 Contrast of NOx

一氧化碳常在发动机起动或者慢车状态下大量产生。它是一种不完全燃烧的产物。在燃烧室富油区，由于缺少氧气，导致无法形成二氧化碳，而只能生成一氧化碳[12]。从图8可见，无论冷发还是热发，在发动机起动期间，一氧化碳排放浓度是很大的，最大值可达5137mg/m3。在起动初期，热发、冷发一氧化碳排放浓度相当，但是在70s之后，冷发的一氧化碳排放浓度整体高于热发的排放浓度。虽然冷发供油量少，但是其燃油雾化效果差，燃烧并不充分，形成局部富油区，导致一氧化碳生成量高。

氮氧化物NOx（包含NO和NO2）没有直接参与燃烧，并不是燃烧的直接产物，但是它的生成与燃烧室燃烧温度、油气混合比以及燃气的停留时间等有关系[13]。在起动过程中，NOx整体排放浓度并不大，但是也有其局部特点。在起动过程第二阶段，热发的NOx排放浓度高于冷发，并且呈上升趋势。在起动机脱开时，NOx排放量达到最大，随后逐渐减小。

5 总结

由于高高原的特殊环境，造成飞机过夜后发动机第一次起动失败，冷转后热发起动，起动成功。通过这里的研究主要得到以下结论：

（1）无论冷发还是热发，发动机起动第一阶段，起动机均需要单独带动发动机运转较长时间，达到30%N2左右转速，发动机才开始供油，且整个发动机起动过程时间较长。（2）由于燃油雾化质量差，冷发起动比热发起动着火时间明显增长；冷发供油到着火这段时间，发动机供油规律为脉动式；受制于EGT的限制，冷发起动第三阶段供油量基本维持不变，N2转速未上升，造成起动悬挂。（3）热发比冷发供油量多，但是热发EGT温度比冷发高，而且未燃碳氢化合物和一氧化碳的排放浓度较小，证明热发的燃油燃烧更充分。（4）无论热发还是冷发，启动阶段氮氧化物排放量均较低，在起动机脱开后其排放量达到最大。