冬季高原复杂机场对CFM56-7B发动机的起动影响研究

发表时间:2020/7/22   来源:《科学与技术》2020年2月第6期   作者:赵广山
[导读] 飞机发动机是飞机起动的重要动力
         摘要:飞机发动机是飞机起动的重要动力,关系着飞机是否能够顺利起动的问题,在高原地带的复杂机场中,尤其是冬季,CFM56-7B发动机频繁出现初次启动故障,本文对故障的诱发因素进行探究,并制定应对策略,以期降低该类别发动机的起动故障,提升航班正点率。
         关键词:CFM56-7B发动机;冬季航班运行;高原机场;发动机启动

         前言:发动机故障会导致飞机无法正常起航,从而导致该次航班无法按照规划起航时间起航,造成航班延误。而且在发动机起动阶段,该次航班乘客已经结束相关登机流程,在飞机中等待旅程开始,发动机起动异常造成航班延误,影响乘客的出行计划,造成航空服务客户满意度下降,影响航空公司信誉与口碑。
1故障表现
1.1操作排查
         在CFM56-7B发动机出现起动故障时,一般提拉手柄阶段并无异常,N2>25%状态下,将起动手柄提拉到预定位置,常规燃油流量指示并无异常,而EGT显示出现异常,其上升幅度过低,区间显示为1~5摄氏度,甚至出现未上升现象。这种情况下,电控系统会停止执行起动任务,导致发动机起动中断。
1.2外在表现
         当该发动机起动出现故障时,会存在外在表现方面的可见异常,在此时站在地面角度观察,将发现在飞机的尾喷部位,有异常白烟出现,并且可在对该位置进行排查时可在该部位发现燃油痕迹。
2故障排查
         遇到起动故障,应先排查电控系统,经过专业测试之后,若确定该部位无异常,则应对点火系统进行排查。若点火系统也无异常表现,则应实施电控系统作动器测试。测试无误后,更换液压组件,该问题并未得到切实解决。经过译码分析手段,未发现故障诱因。经过进一步排查,最终确定故障来自于燃烧室中的燃油喷嘴,将其一一替换完成后,成功解决发动机故障,发动机得以正常起动,飞机得以成功起航。
3故障发生原因
3.1发动机故障
         CFM56-7B发动机发生故障的主要部位为燃油喷嘴。燃油喷嘴处于燃烧室中,其数量为20个,此外还有点火嘴部件,其数量为2个。负责供油的部件为喷嘴,喷嘴分布于点火嘴左右两方,其数量为4个。在适宜的油气比情况下,发动机会顺利完成点火,并维持无波动的燃烧状态,油气比过高或者过低都会造成点火失败,或者燃烧中发生异常波动。
         在燃油嘴中,存在两条供燃油经过的通道。以120psi为界限值,在该界限以上时,燃油将先流经燃油喷嘴内部构造的计量活门,然后再流过次级通道,最终流到目的地燃烧室;在该界限以下时,燃油的行动轨迹为从通道流向单向活门,然后途经初级通道,最终来到目的地燃烧室。在燃油喷嘴中有一扇活门,其制式为内插装式,活门上安装有O型封圈,该封圈处于初级与次级通道之间,起到隔离二者的作用,然后通过评估燃油压力值,安排燃油流向。


         长时间服役的发动机,因为其慢车冷却所得到的时长不足以使其冷却,所以当发动机TSN高于15000FH,以及CNS高于7000CY时,在燃烧室中,因为长期遭到回温的高温伤害,其上半圈的O型封圈性能会出现退化显现,失去应有的密封性能。在冬季,因为气温较低,受到热胀冷缩现象影响,封圈失效,低压燃油错误地流进次级通道。
         封圈失效的情况下,燃油流向异常,主次两个通道在同一时间为燃油室供油,此时若HMU供油固定,则上半圈喷嘴会有一定量的燃油喷出,导致上下两个半圈燃油供给不平衡的情况。若上半圈喷嘴喷油功能出现异常,则会造成燃油在上下两部分流量不均衡的情况。在CFM56-7B发动机的燃烧室中,其下半部分存在两个点火嘴,却不是发动机的主要燃油供给部分,而是由上部的喷嘴负责履行这一职能。因为这两者之间的油供应和气供应比例失衡,没有达到平衡的状态,所以就容易出现点火失败的情况。
3.2自然环境影响
         高原复杂机场中,飞机运行的基地情况较为特殊,与其他机场跑道相比,其跑道一般较短。因为处于这种起飞环境中,所以在发动机起动过程中,由发动机高功率状态,过渡到抵达指定位置关车,该过程中慢车时长不足,所以发动机也未能得到足够的时间来完成冷却,未冷却的发动机温度造成燃油喷嘴损伤,导致发动机在下次工作时无法正常起动。因为航线长度不足,飞机在此环境中运行,发动机的小时/循环比水平偏低,会加速其性能退化过程。高原地区空气相对稀薄,尤其是在气温偏低的冬季,发动机清晨起动时,在夜间低温中被冷却而出现收缩的内部封圈无法再起到密封作用,导致飞机当日初次起动故障发生。
4故障应对策略
4.1多次冷转起动
         当CFM56-7B发动机出现起动故障,无法顺利起动时,若该故障发生季节为冬季,则很大概率是受低温影响。面对此种问题,可采用多次冷转的方式进行起动调试。即应通过多次冷转,使发动机处于做工状态,在冷转中N2的转动速度会不断上升,当其转动速度在27%~28%区间时,即可二次提拉起动手柄,试验发动机是否可以顺利起动。一般经过此种调试,可以顺利起动飞机发动机。
4.2保证冷却时间
         为保证CFM56-7B发动机能够正常发挥其职能,应注重平时使用该发动机时,采用正确的使用方法。在平时发动机执行其任务时,运转中的发动机具有较高功率,在使用后需要等待发动机自行冷却三分钟或者三分钟以上。之所以要给发动机以足够的冷却时间,是因为发动机回温时温度较高,若不予冷却,温度较高的发动机极易使喷嘴内封圈受到高温伤害,而冷却之后该危害已经降低,可以避免封圈因为该因素而缩减服役时间。
4.3及时更换部件
         为了减少故障的发生,保证CFM56-7B发动机得以降低故障发生风险、提升整体初次起动水平,应加强对CFM56-7B发动机的日常维护,及时更换其老化部件,例如燃油喷嘴,在燃油喷嘴已经不符合当前发动机需要时,应在故障实际发生前就预测到该隐患,更换适配燃油喷嘴,当发动机需要检修返厂时,应通知厂方更换升级燃油喷嘴。
结论:综上所述,CFM56-7B发动机作为CFM56系列发动机的重要款型之一,在当前飞机中得到了广泛应用。该发动机具有众多的应用性能,但在技术应用方面也存在着一些客观薄弱点,若机场为高原复杂机场且恰逢气温极低的冬季,则容易发生起动故障,分析故障原因,科学维护应对,方可保证飞机准时起航。
参考文献:
[1]江民节,王嘉一.某民用飞机发动机空中起动时间对比分析[J].民用飞机设计与研究,2017(04):84-87.
[2]李涛,蔡伟健,汤鸿等.发动机起动过程实时建模与仿真[J].中国科技信息,2017(18):27-29+12.
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