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CFM56-5B型发动机启动原理和启动中常见故障分析

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  摘  要:CFM56-5B型发动机是一种常见的民航发动机,广泛安装在波音737系列飞机和空客A320系列飞机上。文章就该型号的发动机启动原理,启动方法的分类进行了详细阐述,并作了横向比较。介绍了自动启动、人工启动、干冷转和湿冷转四种启动方法。并且对发动机启动过程中容易出现的一些故障及其原因进行了阐述。
  关键词:发动机;启动;冷转
  中图分类号:V263.6 文献标志码:A         文章编号:2095-2945(2019)11-0101-02
  Abstract: The CFM56-5B engine is a common civil aviation engine, widely installed in Boeing 737 series aircraft and Airbus A320 series aircraft. In this paper, the starting principle of this type of engine and the classification of starting methods are described in detail, and the transverse comparison is made. This paper introduces four starting methods: automatic start, manual start, dry and cold turn and wet and cold turn. Some faults that are easy to occur in the process of engine start-up and their causes are described.
  Keywords: engine; start-up; cold rotation
  1 啟动过程中的关键部件
  1.1 点火系统
   CFM56-5B型发动机有两套独立的点火系统:包含两2个高能点火激励器,2个点火嘴,2条带屏蔽的同轴电缆,以及发动机控制组件ECU。点火系统能够在起飞、着陆、恶劣气候运行中以及发动机接口组件EIU时效的情况下,提供连续稳定的点火。点火嘴产生的高压电弧能够在地面或者空中发动机启动中,点燃燃烧室的油气混和气。点火嘴是一个高能易损部件,在每次点火过程中,ECU会选择一套点火系统,另一套系统作为备用,这样可以延长点火系统的寿命。点火激励器位于风扇机匣外表面,可以将飞机上115V,400Hz的交流电转换成22000V到26000V的高压电,供点火嘴使用[1]。每个点火系统的选择通过ECU控制,为了避免隐藏的故障和点火激励器过早磨损,在相继的启动中FADEC自动交替使用点火器,顺序如下:FADEC 通道A,点火器A;FADEC通道B,点火器A;FADEC通道A,点火器B;FADEC通道B,点火器B。连续点火分为人工选择和自动选择。人工选择是指当在地面上或在飞行中发动机运行时,放置模式选择电门在IGN/START位置。自动选择是指在发动机正常运转时,如果出现EIU失效、熄火、启动过程中点火延迟、发动机防冰等,ECU根据不同的情况做出连续点火的决定。
  1.2 起动机
   利用高压地面起源车引气,另一台发动机引气或者APU引气驱动起动机转动,通过附件齿轮箱,带动发动机高压转子N2转动。起动机供气由起动机关断活门SOV控制,当N2 转速到达50%的时候,SOV自动关断起动机,起动机内部的离合器自动脱开工作。位于驾驶舱中控台上115VU面板的发动机启动主电门和位于头顶板的ENG/MAN START人工启动电门控制起动机的启动和停止。任何时候,只要将发动机启动主电门切换到OFF位时,可以绕过FADEC全权限式数字控制计算机,直接将发动机启动中止,高压燃油关断活门也会被切断。
  1.3 发动机燃油系统
   离心式低压燃油泵将燃油从油箱抽到燃油滑油热交换器FCOC,再经过高压燃油泵和油滤,分两股到达HMU液压机械组件。大部分燃油会通过HMU的控制流经燃油流量计,到达燃烧室处的20个环形燃油喷嘴,用做燃烧。小部分燃油流到HMU内部起伺服燃油的作用,用来给主动涡轮间隙控制作动筒,以及VBV 可变放气活门和VSV可调静子叶片的作动筒提供伺服燃油。这部分伺服燃油会流经IDG综合驱动发电机的滑油冷却器,到达低压燃油泵,最后回到燃油箱。
  1.4 FADEC全权限式数字发动机控制系统控制发动机
   在发动机运转过程中,FADEC获取子系统反馈的稳定状态和连续的发动机参数,FADEC系统是一个双通道交互式系统并且有监控故障的能力。当FADEC探测到故障状态时,FADEC电门会从故障通道切换到另一个正常通道。
   FADEC系统的功能有:控制燃油流量、空气流量和正向推力以及反向推力需要的引气;发动机超限保护;自动启动能力;发动机间隙控制;广泛的诊断和维修能力;操控反推。
  2 启动模式
   发动机的启动分为四种模式:自动启动、人工启动、干冷转、湿冷转。
  其中,整个人工启动过程中,ECU不起监控作用,需要人工观察各发动机参数是否正常。而自动启动过程中,FADAC系统全程监控。所谓冷转,指的是发动机转子转动,但是燃烧室的点火嘴不工作。根据冷转过程中是否喷油,冷转又可以分为干冷转和湿冷转。干冷转,就是发动机转动过程中既不点火,也不喷油;湿冷转,指的是发动机转动过程中不点火但是喷油。
  3 自动启动
   自动启动过程中,将发动机方式选择器打到START位置,指令通过EIU送到ECU,ECU得到该信号,下ECAM上显示发动机系统页面。如果此时在用空调系统,流量控制活门会马上关闭,原因是在启动发动机,需要大量的空气,因此停止为空调系统供气。将发动机主电门打到ON位置,打开低压燃油关断活门,同时主电门的信号也会通过EIU送到ECU,ECU接到该信号后,打开起动活门。起动活门打开,起动机就可以工作,带动发动机转动。当N2转速达到16%转速的时候,指令点火组件开始点火。为了增加整个点火系统的寿命,FADEC自动交替使用点火器A和B。N2转速达到22%后,ECU指令计量活门计量燃油,高压燃油关断活门打开,燃烧室开始喷油,燃烧室开始工作。此时发动机一方面由起动机带动转动,另一方面由燃烧室工作后的冲击涡轮带动。在自动启动过程中ECU执行全程监控,如果有不正常的情况,比如说超温或者转速异常,ECU将会中止启动过程。当N2转速达到50%的时候,启动完成,ECU会指令起动活门关闭,同时点火结束,将发动机方式选择器打到NORM位置。发动机启动完成后,30s以后,空调组件就又可以重新得到引气。转速继续增加,直至达到慢车位稳定工作。   4 人工启动
  人工启动过程中,将发动机方式选择器打到START位置,下ECAM上有发动机页面显示,若空调系统在用引气,会停止为空调系统供气。人工启动电门打到ON位置,信号通过EIU送到ECU,ECU指令起动活门打开。起动活门打开,起动机开始工作,N2转速就开始增加。当N2达到20%左右时,把主电门打到ON位置,供油和点火才开始进行,低压燃油关断活门打开,同时信号通过EIU送到ECU,ECU指令点火开始。在人工启动过程中采用双点火,即点火器A和B同时点火。另外,ECU会指令燃油计量活门计量燃油,高压燃油关断活门打开,燃烧室开始喷油点火。当N2转速达到50%的时候,启动完成,将发动机方式选择器打到NORM位置。整个人工启动过程中,ECU不起监控作用,需要人工观察各发动机参数是否正常。
  5 干冷转和湿冷转
  干冷转的目的是检查发动机、起动机正常,把燃烧室里的余油吹除。在发动机停车、APU供气、FADEC有电的情况下,断开高压燃油关断活门的跳开关1KC1(2)以打开LP 活门,将旋钮打到CRANK位置,下ECAM上显示发动机的页面。将人工启动电门打到ON位置,指令通过EIU传向ECU,ECU控制起动活门打开,N2增加。为了保护起动机,冷转不能超过2分钟。
  湿冷转的目的是检查发动机燃油系统是否正常,在执行完湿冷转以后,需要执行干转,确保发动机、起动机运转正常,并吹干燃烧室及附近油路的余油。断开跳开关1JH、2JH1、3JH1,将旋钮打到CRANK位置,下ECAM上显示发动机页面。将人工启动电门打到ON位置,指令通过EIU传向ECU,ECU控制起动活门打开,N2增加。当N2转速达到15%到20%之间时,将发动机主电门打到ON位置,燃油流量增加。湿冷转时间不要太久,一般最多15秒,把主电门打到OFF位置。转动发动机60秒,弄干燃烧室及附近油路的余油。
  6 发动机启动过程中常见故障
   启动过程中,很容易出现一些故障,需要密切监视。如发动机启动过热、超温、点火不正常、启动转速悬挂、启动机不能自动脱开,以及发动机参数不正常、喘振、振动值过高等故障信息。在上述故障中,启动过热、启动转速悬挂、和点火系统不能正常工作尤为常见。[2]
   启动过热或者超温是指在启动过程中,EGT排气温度上升过快,接近或者超过EGT红线,需要中止启动。造成启动过热的原因有油气比过高或者过低、推油门杆过早、外界温度低等等。
   点火不正常是指燃烧室内的油气混合气体不能被正常点燃,表现为EGT上升缓慢,出现这种情况后,发动机控制计算机ECU会自动切斷点火,并先进行干冷转吹除燃烧室的残余燃油,尝试重新点火,如果重新点火几次还是不能顺利点火成功,则启动终止。
  参考文献:
  [1]A320 Aircraft Maintenance Manual,AIRBUS S.A.S,2002.
  [2]蒋陵平.燃气涡轮发动机(第二版)[M].清华大学出版社,2016.
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