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关于涡轮风扇发动机的使用讨论

 2020-03-24 来源:民航资源网 作者:陈志远  [投稿排行榜]
2020-03-24 11:46:44

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      涡轮风扇发动机用途广泛、市场巨大,对国民经济发展、国防建设和科技进步具有重大推动作用和战略意义。涡轮风扇发动机(简称涡扇发动机)的优点是推力大、推进效率高、噪音低、燃油消耗率低、飞机航程远。尤其大涵道比涡扇发动机,其性能与适航要求更高、经济性与环保性更好。

      一.涡扇发动机工作原理

      图:涡扇发动机工作原理示意图

      空气经过风扇后分成两路:一路是内涵气流进入发动机经压气机压缩,对气体做功使气体的压力升高、容积减小,空气被压缩的越厉害会使发动机产生的热效率越高。如果是两级压缩机的高压压气机,其压缩进入核心发动机的空气,在燃油被加入到核心发动机后与核心发动机的压缩空气混合,同时被点燃并燃烧。混合气体燃烧过程中温度升高,压力基本不变,体积迅速增大,产生的燃气进入涡轮中持续膨胀,膨胀的气体到达喷管后继续膨胀。在整个气体膨胀过程中,涡轮要从燃气中提取部分能量,剩下的热能一部分转化为动能,使燃气高速喷出,还有一部分热能随燃气排掉,这一过程中的压力和温度下降,体积不断增加。另一路是外涵气流,风扇后空气经外涵道直接排入大气或同内涵燃气一起在喷管排出。涡扇发动机的推力就是利用从尾喷口出来时的气体完全膨胀的情况获得的。

      风扇的转速提供N1发动机参数,高压转子的转速提供N2发动机参数(如果是三个压气机的N2代表中压转子转速,N3代表高压转子转速),其中N1和N2参数以百分比显示当先转速(见图1)。

      二.涡扇发动机主要组成

      涡扇发动机包括风扇、进气道、低压压气机、高压压气机燃烧室、驱动压气机的高压涡轮、驱动风扇的低压涡轮、尾喷管(见图2~3)、附件传动系统、燃油系统、点火和起动系统、滑油系统、全权数字发动机控制FADEC、空气系统、反推系统等。

      图:罗罗三转子的涡扇发动机示意图

      图:Trent700    A330的发动机

      三.介绍FADEC工作情况

      全权数字式发动机控制系统FADEC(Full Authority Digital Engine Control System)是一个数字控制系统,FADEC的功能是可以执行完整的发动机管理,包含两个冗余通道,一个通道生效而另一个通道备用。如果一个通道失效,另一个自动接替控制。以空客330的FADEC为例:

      气体生成控制(控制燃油流量,加速及减速计划,可调节叶片/可调节入口导向叶片和引气活门程序安排,控制涡轮间隙,慢车调定值);

      发动机超过极限保护(N1、N2超速保护,涡轮超速,在地面发动机起动期间的发动机排气温度EGT监控);

      推力管理(自动控制发动机推力等级,自动恢复到N1状态,推力参数极限计算,基于推力手柄位置的手动推力管理,推力自动管理);

      发动机自动起动顺序(控制:起动活门、高压燃油活门、燃油流量、点火,N1、N3、燃油量和EGT监控,起始起动中止和循环,自动重新点火和快速重新点火功能);

      人工起动发动机顺序(被动监控发动机,控制:起动活门、高压燃油活门、点火);

      反推控制(作动阻流器整流早,反推操作时的发动机设定);

      传给驾驶舱指示器的发动机参数及发动机监控信息(主要发动机参数,起动系统的状态,反推系统的状态,FADEC系统的状态,次发动机参数);

      计算已用的燃油(燃油流量整合);

      发动机热度管理(控制涡轮机匣、轴和齿轮箱冷却);

      FADEC冷却;

      失效的探测、隔离和记录;

      风扇失速保护(起飞调整发动机加速程序:该逻辑保证在起飞滑跑过程中自动设置一个逐渐大的推力,失速该出逻辑:当检测到风扇失速,触发由燃油流量减少和变距定子叶片重新组成的恢复逻辑);

      保护区域外逻辑(在地面当速度低于80节时,为了防止风扇不稳定,该逻辑避开1.16~1.28EPR范围内稳定的发动机操作,而在N1速率方式下,避开区域取决于外界条件)。

      发动机起动模式在人工方式时,飞行员使用推力手柄来设置推力;起动模式在自动方式下由FMGS设置推力;FADEC在人工和自动方式下防止推力超过推力手柄位置的额定极限。

      四.发动机滑油系统的监控

      滑油限制数据里面的最高、最低温度主要是监控传动系统的润滑情况是否正常。如果滑油温度过低或粘度过大均会增加传动力矩,严重时还会损坏发动机轴承等零部件;滑油温度过高表示可能有滑油泄漏或传动部件损坏等,滑油温度是监控发动机轴承运转是否正常的重要指标。

      参见运输类飞机适航标准CCAR25第25.1011条总则:(a)每台发动机必须有独立的滑油系统,在不超过安全连续运转温度值的情况下,能向发动机供给适量的滑油。(b)可用滑油量不得小于飞机在临界运行条件下的续航时间与同样条件下批准的发动机最大允许滑油消耗量的乘积,加上保证系统循环的适当余量。

      所以发动机运转过程中要注意监控滑油温度、滑油压力和滑油量指示是否在限制范围内。

      五.常见发动机故障

      发动机常见的故障有压气机失速、压气机喘振、起动悬挂、起动超温或热起动、冷起动等。

      压气机失速  指压气机叶片因气流分离导致的失速(STALL)现象。当发动机压气机叶片失速,失速的叶片不能将发动机前部的气流压缩至发动机的后部。在某些情况可能会出现气流中断,压气机末端的高压气流反向流动并从发动机的前部排出。如果该情况出现,可能会立即出现推力的严重损失。

      压气机失速可能的原因:压气机性能降级(例如,压气机叶片破裂,或严重磨损),吸入外来物或冰,引气系统故障,发动机操作系统故障。

      发动机失速的现象:一次或几次巨响,瞬间失去推力导致偏转,发动机参数波动,EGT偏高,发动机振动指示偏高,在发动机进口和尾喷管可能看见火焰,驾驶舱有刺鼻的气味。

      压气机喘振  是指气流沿压气机轴线发生的低频率、高振幅(强烈的压力和空气流量波动)的气流振荡现象。喘振会造成工作叶片振动,如果剧烈振动,在叶片产生很大的应力,造成工作叶片和静子叶片的疲劳断裂。喘振时由于气流倒流,使进入燃烧室的空气减少,会造成排气温度升高或超温,从而损坏燃烧室和涡轮叶片。

      压气机喘振的原因:是压气机的空气流量不能与压气机转速相适应。

      喘振的现象:会造成发动机振动,转速不稳定,有时会出现发动机熄火,有时在发动机进口处会出现气流吞吐现象,有时会发出低沉的噪音、严重时会有放炮声。

      起动悬挂  是转速未达到慢车之前,发动机转速不增加或增加缓慢。

      造成起动悬挂的原因很多:剩余功率不够(起动机气压太低、起动活门关闭早),压气机负荷太大,燃油系统供油出现问题,压气机外物损伤叶片导致气流不足,高压压气机和可变静子控制计划不正确,低转速位置的叶片角度偏差太大导致空气流量过低。

      悬挂现象:可以看到起动过程中点火伴随着异常缓慢的加速,转子转速稳定在慢车以下。

      起动超温或热起动  是指发动机起动过程中,排气温度过高或超过最大允许值。

      排气温度偏高的原因:压气机失速或喘振(这造成进入燃烧室的空气减少引起排气温度升高),压气机的放气活门或可调静子叶片的位置不合适(比如放气活门没有关闭造成过多的气体被放掉,而进入燃烧室的空气减少,或可调静子叶片没有在合适的开度造成进入压气机的空气减少),燃油系统的问题(发动机起动时注入太多的燃油引起燃油控制系统故障),起动前发动机的排气温度过高,起动机空气压力太低(导致转子的转速太低以至于不能提供足够的压气机气流),发动机在起动过程中吸入了另一台的热排气。

      湿(冷)起动   当喷射的燃油没有被点燃时导致的点火失败,其结果是起动程序中止并且大量注入的燃油在燃烧室以液态形式留存。原因是点火系统存在故障,由于发动机地面起动通常只用其中一个点火系统,当出现湿(冷)起动时飞行员应该意识到点火系统存在故障。

      六.发动机使用中注意事项

      飞行中常常遇到起动好发动机后,有的飞行员为了尽快起飞就加大油门甚至超过40%N1或者飞机很快进入跑道起飞的情况,另外飞机落地后很快滑到停机位关车或者脱离跑道后立即关闭一台发动机单发滑行。表面上这样操作发动机都没有问题,运行手册和标准操作程序也仅仅提示滑行速度、提示使用大推力时注意飞机后方安全,厂家提供的手册里并没有说明暖机或冷机时间限制。关于暖机和冷机时间主要是考虑部件材料的热胀冷缩,每个发动机都有要求,正常情况下在慢车状态下暖机2~3分钟或冷机2~3分钟,这主要涉及寿命问题,因为发动机厂给出的发动机寿命都是有条件的。如果遇到紧急状态,则无需考虑暖机或冷机。由于有了FADEC的帮助,使发动机的工作一般不会超过轴速限制和排气温度(EGT)限制,每款发动机都有类似的规定,在发动机手册里有详细说明。发动机各种工作状态下通常都有对应的EGT限制值。虽然发动机厂家都会留出一定的余量,但是超过发动机限制值后必须报备并进行专项的检查。总之任何操作均应严格遵守发动机手册中的规定。

      除了正常的地面起动之外还有空中起动,即当发动机空中熄火后进行的再次起动。发动机都有自己的空中起动包线,发动机熄火后需要检查当时发动机起动包线的范围,在起动包线之内可完成再次起动。在起动包线内还有两种情况:一种情况是需要起动机带转发动机才能完成的起动;另一种情况是不需要起动机,发动机在风车转速下直接起动。

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