LEAP-1A型发动机燃油系统和燃油喷嘴工作原理分析

舒毅

北京飞机维修工程有限公司 北京 100621

引言

LEAP-1A发动机是由CFM公司设计生产的，高涵道比轴流式双转子涡扇发动机。该型号发动机适用于中短程窄体客机，是针对空中客车公司的A320neo系列飞机而设计制造，最大推力为24400～32900ibs。LEAP-1A发动机的设计理念是具有低噪音、低排放、高可靠性和高效率的特点。本文主要是介绍该型号发动机的燃油系统，并对燃油喷嘴结构和工作原理以及燃油结焦故障进行详细分析。

1 LEAP-1A发动机概述

LEAP-1A发动机是双转子发动机，低压压气机包括1级风扇，3级低压压气机，7级低压涡轮；高压转子包括10级高压压气机和2级高压涡轮。其燃烧室构型为双环预混旋流器燃烧室。增压系统包括了1级风扇，3级低压和10级高压压气机。低压压气机则是由7级的低压涡轮驱动，高压压气机则是由2级的高压涡轮驱动，附件齿轮箱由高压压气机带动。发动机的两根转子轴是通过5个轴承进行支撑。

2 发动机控制系统组件概述

发动机控制系统组件位于飞机的驾驶舱内部（头顶面板和中央控制台），操纵杆组件（TCA）和发动机电门组件位于中央控制台，在驾驶舱正副驾驶座椅的中间位置。操纵杆（TCA）组件是机组用于控制发动机推力和指令反推，发动机电门组件用于控制发动机启动模式和级别。控制杆组件的下部是操纵杆控制机构，其位于中央控制台的下部，一台发动机对应一套控制机构[1]。控制机构的功能是将控制杆的倾斜角度转化为发动机电子控制组件（EEC）可以接收的解析电信号。

3 燃油控制组件概述

发动机燃油系统的功能主要是提供燃烧室内部燃烧、供给各种伺服作动器作动和冷却滑油。发动机燃油控制系统包括了传输、控制和显示三套子系统，这些部件分别位于风扇框架的7点钟到12点钟位置、风扇机匣的1点钟至4点钟位置；高压压气机（HPC）的6点钟位置以及燃烧室机匣的一周位置。燃油控制系统的功能是计算产生指令推力所需要的燃油，计量并传送燃油至燃烧室，提供燃油压力至各种控制活门和作动器，为飞机显示系统和发动机控制系统提供数据，支持故障监控和诊断。

4 燃油控制系统工作原理详解

燃油从飞机油箱通过主燃油泵（MFP）中的低压泵（离心泵）进行初次加压而形成低压燃油，一少部分燃油被传输至燃油返回活门（FRV），剩余的大部分低压燃油则经过整体驱动发电机（IDG）的滑油冷却器与滑油进行热交换，被加温后到达燃油计量组件（FMU）。在FMU内部的引射泵将会对燃油继续加压形成中压燃油，中压燃油的一少部分同样被传输至FRV用于燃油/滑油温度控制，当燃油温度过高时燃油返回活门（FRV）会接收EEC指令将热的燃油传输返回飞机油箱。其余大部分燃油将被传输至主热交换器（MHX）与发动机的滑油进行热交换，在FMU内部的压差传感器（FSDP）检测内部滤网油滤两端的压力差，当滤网堵塞时可以实现油滤旁通。经过热交换器的燃油传输回至主燃油泵（MFP）中的高压泵（齿轮泵）进行第三次加压形成高压燃油，高压燃油传输至主燃油滤（MFF），位于主燃油滤（MFF）上的压差传感器（FFDP）监测主燃油滤（MFF）两端的压力差，当油滤堵塞时可以实现油滤旁通。经过主燃油滤（MFF）的一部分燃油流向伺服燃油热交换器（SFH）进一步加温，然后作为伺服燃油受分控/伺服活门组件（SCU/SVA）控制用于各种伺服作动器的作动。其余大部分的燃油传输至燃油计量组件（FMU）内部的燃油计量活门（FMV），对参与燃烧的燃油进行控制计量，经过燃油计量组件（FMU）内部的高压燃油关断活门（HPSOV）流出至分控/伺服活门组件（SCU/SVA）中的先导计量活门（PMV），并接收发动机电子控制组件（EEC）的指令将燃油分配成三路：次值班油路 (Psec)、主值班富油油路（PPMe)和主值班非富油油路 (PPMne)，传输给燃油总管。从而保证在发动机的不同工况下，经过计量的合适燃油经过燃油喷嘴喷射进入燃烧室进行燃烧。在从燃油计量组件（FMU）至分控/伺服活门组件（SCU/SVA）传输通道上，还有燃油流量传感器（FF）和燃油温度传感器（FT），这两个组件将收集燃油的相应参数并提供给发动机电子控制组件（EEC），用于发动机控制和飞机驾驶舱相关参数显示。综上所述，发动机的燃油系统是一套较为复杂的控制系统，是由若干子部件组成的。飞行员通过驾驶舱的操作杆，将人工指令转换为电信号通过发动机电子控制组件（EEC）传输给发动机，再通过燃油系统将经过计量的燃油提供给燃烧室进行燃烧。整体上可以按照功能将燃油系统包括的部件分为三类[2]：第一类燃油分配包括，主燃油泵（MFP）、主燃油滤（MFF）、伺服燃油加热器（SFH）、燃油返回活门（FRV）、整体驱动发电机（IDG）滑油冷却器、燃油总管和燃油喷嘴；第二类燃油控制包括：燃油计量组件（FMU）、分控/伺服活门组件（SCU/SVA）、风扇进口温度（T12）传感器、压气机进口温度（T25）传感器、压气机出口温度（T3）传感器、燃油温度传感器（FT）、燃油总管压力传感器（FMP）和发动机电子控制组件（EEC）；第三类燃油指示：主燃油滤（MFF）压差传感器（FFDP）；燃油流量传感器（FUEL FLOW TRANSMITTER）和燃油计量组件（FMU）内部的滤网油滤压差传感器（FSDP）。

5 燃油喷嘴组件工作原理分析

LEAP-1A发动机共有19个燃油喷嘴，一周的均匀分部在发动机扩散机匣上。燃油喷嘴组件包括活门腔体、燃油进口端、带有安装座的根茎状腔体和燃油喷射头部。每个燃油喷嘴穿过扩散机匣壳体，安装至燃烧室外火焰筒前部。

如本文介绍，一共有三路燃油，次值班油路（Psec）、主值班富油油路（PPMe）和主值班非富油油路（PPMne）分别向19个燃油喷嘴提供燃油，每个燃油喷嘴都连接两根燃油总管。通过两根燃油总管进入燃油喷嘴的燃油被分成初始/主燃油和二级燃油，其中初始/主燃油包括主值班富油油路（PPMe）和主值班非富油油路（PPMne），二级燃油为次值班油路（Psec）。燃油喷嘴构型为双环预混合回旋式喷嘴，初始/主燃油中的主燃油通过位于燃油喷嘴端头的12个径向主孔口（MO）向燃烧室喷射燃油与空气进行预混合；初始/主燃油中的初始燃油和二级燃油通过燃油喷嘴头部的双环喷口将燃油雾化后与燃烧室内回旋气流混合，最终会在燃烧室内达到合适的油气混合比并进行燃烧。

次值班油路（Psec）、主值班富油油路（PPMe)和主值班非富油油路（PPMne）完全是受发动机电子控制组件（EEC）控制，通过先导计量活门（PMV）依据发动机的不同工况来向燃油喷嘴提供燃油。当发动机点火启动时，主值班富油油路（PPMe）和主值班非富油油路（PPMne）提供燃油到点火嘴附近的4个燃油喷嘴。但此时主值班富油油路（PPMe）的供油压力要大于主值班非富油油路（PPMne）的供油压力，实际上是在4个燃油喷嘴处形成富油燃烧，保证发动机快速稳定的点火。发动机点火启动成功后，指令先导计量活门（PMV）会依据发动机电子控制组件（EEC）的指令，使次值班油路（Psec）、主值班富油油路（PPMe)和主值班非富油油路（PPMne）这三路燃油形成不同的压力组合，以满足发动机不同工况的需求，从而使发动机高效、节能和环保的运转。

LEAP-1A发动机的燃油喷嘴与目前的CFM56系列发动机不同，19个燃油喷嘴具有相同的件号，也就是说点火嘴附近的4个燃油喷嘴与其他15个燃油喷嘴构型一样，完全是依靠先导计量活门（PMV）的压力调节达到快速稳定的点火功能。同时，LEAP系列发动机的燃油喷嘴是3D打印制造，其明显的优点是重量轻，内部结构更加复杂从而更好地实现燃油控制；但其维护性差和成本高的缺点也显而易见。

6 燃油喷嘴结焦故障分析

随着发动机关车高压转子转速N2会迅速降为零，而此时燃烧室和高压涡轮区域的温度并没有快速降低，反而是由于发动机转速的迅速降低，而累计在上述区域的热量不能被迅速排出，燃油喷嘴则处在温度相对较高的区域。当发动机被指令关车时，在燃油计量组件（FMU）内部的高压燃油关断活门（HPSOV）会被指令关闭而切断向燃油总管的燃油供应。此时在燃油喷嘴内部会残留一定量没有被及时排出的燃油，在燃烧室高温加热的作用下会逐步到达焦化阈值温度以上而开始产生燃油结焦现象，经过长时间的反复累加而最终在燃油喷嘴内部形成焦炭。燃油结焦的速度和航班结构安排有着密切的关系，从上述燃油喷嘴结焦形成过程分析，可以看到在两段航班之间如果间隔的时间比较长，也就是说使残余的燃油在结焦阈值温度以上保持的热浸泡时间越长，则会更加剧燃油喷嘴结焦现象的产生。如前文所述，燃油喷嘴主要是通过头部外侧一周的12个径向主孔口（MO）和前端的双环喷口将初始/主燃油和二级燃油喷射进入燃烧室。燃油喷嘴结焦会堵塞主孔口（MO）和双环喷口，使燃油喷嘴供油不均和局部高温，从而导致燃油喷嘴的提前损坏。燃油喷嘴的结焦也会改变喷射燃油的角度等关键参数，从而会影响在燃烧室内达到最佳燃烧状态，不仅会影响发动机的工作效能也会导致热端部件的提前损坏。同时，发动机点火启动时是使用燃油喷嘴前端的双环喷口提供燃油，一旦结焦会直接影响到发动机的点火稳定性，甚至导致发动机点火失败。CFM公司针对该故障也在不断推出各种解决方案，通过监控燃油流量压力差值的漂移量和发动机排气温度探头（EGT）温度的异常变化，可以尽早发现燃油喷嘴结焦，通过视情更换燃油喷嘴可以提高零部件的稳定性和可靠性[3]。但上述手段都没有从根本上改变形成结焦的条件，从而避免该故障的发生。CFM公司近期又推出了在发动机外部增加鼓风机，当发动机停车后引入外界空气通过高压压气机10级引气位置进入发动机内部，用于加快燃烧室区域的冷却速度，相较于通常发动机关车后的冷转可以更加有效降低燃油喷嘴区域温度，从而减缓甚至避免达到燃油结焦的阈值温度。此套逆向引气系统（RBS）完全受飞机系统的自动控制，无须飞行员的额外操作。经过实验数据的测算验证，引气时间维持在60分钟以上可以有效降低燃油喷嘴区域的温度，使燃油喷嘴区域温度始终处于燃油结焦阈值温度以下。该项改装CFM公司计划将以服务通告的形式向航空公司颁布，其最终的效果还需要实际的航班运营进行验证。

7 结束语

LEAP-1A发动机在世界范围内的订单数已经超过6000台，航空公司需要在日常的使用和维护中不断关注该型号发动机的技术特点，并不断积累排故经验。发动机燃油控制系统是发动机的重要组成部分，是保障发动机稳定可靠运行的重要基础。其涉及的重要部件很多，由于本文的篇幅有限不能逐一进行详细介绍。随着发动机在翼运行时间的不断累加，相关部件的可靠性也逐步反映出一些问题，如目前普遍面临的燃油喷嘴结焦故障。CFM公司也在不断对运行中暴露出的问题进行持续工程分析，并颁发服务通告等工程文件对发动机性能和可靠性进行不断提升。对发动机各个系统和结构的充分了解，以及对重要部件工作原理的不断学习，也是航空公司保障该型号发动机安全稳定运行的基础。