基于QAR的CFM56-5B发动机高高原冷发启动困难研究

付尧明，孟德印

(中国民用航空飞行学院 航空工程学院，四川 广汉 618307)

基于QAR的CFM56-5B发动机高高原冷发启动困难研究

付尧明，孟德印

(中国民用航空飞行学院 航空工程学院，四川 广汉 618307)

CFM56-5B发动机作为运行高高原机场的主力发动机，其启动过程中常出现启动失效即冷发启动。基于QAR数据，从高高原与平原、冷发与热发、冬季与夏季三个角度出发，对比正常发动机同一参数的正常趋势，得出高高原冷发启动常见的故障模式，如启动失速、点火故障和启动悬挂，最后分析得出高高原冷发启动困难的原因并提出改进措施，为高高原发动机启动提供参考。

CFM56-5B发动机；高高原；冷发启动；QAR；故障模式

0 引言

在我国，高海拔机场和复杂航线几乎全部集中在了西南、西北地区。高高原机场多位于地形复杂、气候多变的地区，海拔高、空气稀薄、含氧量低，并且昼夜温差大、民用航空运输难度大，这对执飞高高原机场的空客A319飞机冷发启动提出了更高的要求。

随着我国航空运输的发展和2010年1月民航局《关于促进西藏民航事业发展的若干意见》的出台，高原-高原机场航线结构的变化以及飞机在高高原机场过夜在航空公司营运中的常态化，发动机在使用过程中常出现不能正常启动，如出现启动超温、启动失速、点火故障及启动悬挂等故障，都将加速发动机性能的衰退，为航空公司带来高昂的维护成本[1]，影响航空公司和民用机场自身的发展和经济效益的实现，还关系到整个民航事业的发展。因此，研究高高原机场冷发启动困难，对确保飞行安全有着极其重要的意义。

1 高高原发动机启动故障模式

据国内某航空公司统计，自2012年2月开始在拉萨机场安排飞机过夜，截止2014年2月的两年时间内，共计停放过夜飞机788架次，其中每年10月至次年5月(冬春季)共计停放342架次。在冬春季过夜停放的342架次中，首班发动机启动不成功277次，累计因发动机启动不成功造成航空公司航班延误201次，平均延误时间达27分钟，严重影响了航空公司的正常运营。同时高高原机场启动困难还伴随着虚假的点火故障信息，容易造成误换件，也给航空公司造成不小的经济损失。

通过报文和QAR(Quick Access Recorder)译码数据得出高高原机场发动机启动常见故障模式主要有以下三种。

(1)启动失速。通常是在N2(高压转速)达到40%左右，EGT(排气温度)较快上升但相应的N2转速上升较慢时触发“START STALL”报文(06)，无ECAM(飞机电子集中监控)警告和故障信息。如图1所示。

(2)点火故障。根据报文终端处理统计，“ENG 1(2)IGN A(B)FAULT”故障信息通常是当发动机开始点火供油后，ECU(电子控制组件)未探测到EGT明显上升时触发。如图2所示。

(3)启动悬挂。发动机从停车的静止状态进入慢车的启动过程中，如果N2转速上升缓慢甚至停止，则视为启动悬挂。若发动机排气温度EGT上升很快而N2转速不上升则为热悬挂。若EGT和N2转速都不上升则为冷悬挂[2]。主要出现在高高原机场过夜飞机的首个航班的自动启动阶段，冬季居多。据统计，启动失败，ECAM警告通常是N2转速达到50% 此时起动机脱开，N2掉转速(ROLL BACK)或者加速缓慢。严重时，ECAM出现“ENG 1(2)START FAULT”警告信息，发动机关车。典型启动悬挂情况汇总如表1所示。

表1 启动悬挂情况汇总

2 QAR译码软件

2.1 QAR定义与功用

QAR是一种快速存取记录器，通过机载设备采集记录航班上各类数据，经由地面译码软件解析，对机组操纵、飞机运行等情况进行监控，提升飞行品质，加大安全裕度。在大数据时代，QAR数据是航空公司十分宝贵的数据资产，利用QAR的数据监控，航空公司可以及时发现飞行各个阶段的安全隐患，找出原因并采取措施。同时在飞行时间统计、飞机故障排查辅助、飞行程序分析、燃油监控等方面也均有广泛地应用。

2.2 QAR译码软件的使用

QAR数据的收集来源于国内某航空公司，提供了庞大的高高原运行数据库。QAR数据译码软件是空客飞机机载飞行数据采集器的生产厂家TELEDYNE公司提供的译码软件TDRS。针对大数据首先进行预处理，筛选出发动机启动相关数据，如高高原与平原、冷发与热发、冬季与夏季三种情况下的启动困难与正常启动的数据以及相应的参数，如TAT(外界大气温度)、压力高度、N1(低压转速)、N2(高压转速)、FF(燃油流量)和EGT(排气温度)等。

2.3 QAR使用注意事项

利用QAR记录的大量有关飞行品质和状态的监控数据，能够准确反映发动机参数的关联性，再现故障形式，确定故障特征，帮助机务工程师快速准确地排除故障。但也对机务工程部门和机务工程师提出了更高要求。对于机务工程部门而言，首先需要全程严格、高效地收集、管理QAR译码数据，加强QAR系统维护，确保其能够可靠工作，并且能够承担数据对比和分析的任务，为机务人员排故提供有力的技术支撑。同时机务工程师不仅要对飞机运行系统有深刻了解，注重排故经验的总结和交流，更需要掌握QAR提供的参数特性，分析数据背后的故障成因，培养利用QAR排故的意识和技能[3]。

3 高高原冷发启动困难分析

3.1 启动失速

将飞机上的PC卡取下，放入读卡器中，电脑会弹出一个文件夹，打开MSG.DAT文件，查找发动机启动失速的信息。如图1所示，可以看出飞机机型为空客A319，日期是12月17日，执飞航段：拉萨-重庆，TAT为-3℃，气压高度为11288英尺以及启动失速信息。将所有启动失速报文整理并汇总，由此来分析高高原机场发动机启动失速的原因。表2为部分发动机启动失速情况汇总。

表2 启动失速情况汇总

由表2可知，高高原启动失速多发生在APU引气阶段。由表2第一个例子可知，启动活门打开时引气压力为18PSI，而正常启动时要求引起压力在25～55PSI之间。这样会导致N2转子转速下降，进而高压压气机引气量下降，轴向气流速度下降，形成正攻角。正攻角使气流在叶背分离，严重时会导致压气机失速。这就解释了为何启动失速多发生在APU引气阶段。同时，表2第三、四个例子的QAR译码数据也能表征发动机启动失速。

利用专业软件对QAR数据译码，结果发现发动机启动失速问题主要发生在高高原机场热发启动，而冬季高高原冷发启动失速相对较少。本文重点选取高高原热发启动失速进行分析。

3.1.1 高高原与平原对比(见图3)

(a)N2变化曲线图

由图3中N2转速随时间变化曲线图，可以看出冬季平原热发启动N2转速上升较快，而冬季高高原热发启动N2转速上升缓慢，启动时间接近两分钟，大约是平原启动时间的3倍。高高原与平原的燃油油量差异更明显，高高原启动供油时间更晚，而且供油量趋于平缓，供油量明显少于平原启动。转速上升缓慢，燃油切断6秒左右，导致启动失速。

3.1.2 冷发与热发对比(见图4)

同在夏季高高原机场，冷发与热发启动之间差异略小，启动时间都较长，供油量变化率较小，但差异体现在热发启动过程中，燃油切断6秒，结合QAR数据，发现热发启动前EGT余温较高，没有留出一定的时间冷却，导致排气温度上升较快，而转速上升缓慢，启动时间加长。

(a)N2变化曲线图

3.1.3 冬季与夏季对比(见图5)

(a)N2变化曲线图

结合QAR译码数据分析图5可知，夏季高高原热发启动N2转速从40%到42%上升缓慢，同时供油量偏低，并且燃油切断6秒左右，燃油流量为零，排气温度降低，转速下降，再次供油，发动机启动成功。

3.2 点火故障

QAR数据表明无论高海拔或低海拔机场的用户都只在当天的首次发动机启动时遇到点火故障问题。自2012年3季度以来，交付的800台发动机中50台有发动机地面点火故障的报告。数据表明有两种故障模式：发动机供油后正常点火，但EGT上升达不到42℃的门限值；发动机供油后未能正常点火，如图6所示。

图6 点火故障报告

从译码数据可以看到，在时间大约23秒时开始供油，15秒后由于EGT并未上升超过42℃(ECU通过探测EGT的变化率，CFM56-5B变化量大约为42℃来判定点火是否成功)，ECU判断点火失败于是自动中断点火和供油。此时按照设定的自动启动逻辑，干冷转发动机30秒。在发动机干转过程中，ECU在第25秒启动双点火，在第30秒恢复供油，发动机尝试第二次启动，在上图69秒时二次启动成功[4]。

分析图6，燃油油量初始供油阶段，在N2转速达到27.6% 时刻供油量突增，油量过多，再加上高高原环境的特殊性，空气稀薄，氧气含氧量不足，余气系数减小，导致富油，同时温度低影响燃油的粘性导致燃油雾化效果差，最终造成点火失败。

根据机务工程师的工作经验，更换多个 LRU(航线可更换件)(ECU,exciters,igniters,fuel nozzles,HMU 等等)，所有部件返厂但都未发现故障。另外，点火系统测试显示当前生产的激励器和电嘴都在工作范围内并有足够的裕度。

3.3 启动悬挂

基于大量的QAR数据，发现发动机启动悬挂问题主要发生在冬季高高原冷发启动时。将冬季高高原冷发启动悬挂与冬季高高原冷发启动正常进行对比，分析两者总体趋势图的差异，如图7-8所示。从图7可以看出，发动机正常启动情况下，起动机脱开后即N2转速达到50%，自行加速到慢车状态(N2达到60%)用时大约30秒，启动时间91秒。而发动机启动悬挂情况下，燃油供油略早，当N2转速达到50% 起动机脱开之后，燃油流量上升非常缓慢，N2掉转速，如图8所示。N2曲线略弯曲下沉，历时75秒达到慢车转速，此时发动机启动失败。同样是冬季高高原冷发启动，QAR译码数据显示，后者发动机没有提前冷转导致启动困难。

图7 发动机正常启动N1/N2/PS3/EGT/FF变化曲线图

将冬季高高原冷发启动悬挂与冬季高高原热发启动正常、冬季高高原冷发启动悬挂与冬季平原冷发启动正常、冬季高高原冷发启动悬挂与夏季高高原冷发启动正常分别进行对比，选取关键参数N2、FF、PS3，对比正常发动机的同一参数的正常趋势，如图9所示。

(a)N2变化曲线图

由图9(b)可知，在冬季高高原机场发动机冷发启动供油时间比正常启动稍晚一点，供油量偏低，同时供油量的变化率很小，导致N2转速达到慢车转速用时较长。由(c)可知，在冬季高高原机场发动机冷发启动过程中，起动机大约在66秒脱开，高压压气机出口压力PS3走势趋于平缓，表明压气机增压比下降，压气机效率下降，压气机消耗的功率增大，导致涡轮输出功率不足[5]。另外两种类型的对比，原理同上。

导致启动悬挂的原因比较复杂，冬季高高原机场大气温度低、燃油粘度增大、雾化质量差、燃烧效率降低，导致涡轮功率不足。同时，空气密度低、等质量气体体积变大，从而压气机消耗的功率增大，再加上涡轮功率不足，使得剩余功率进一步减小，从而导致启动悬挂。

4 结语

基于QAR数据对高高原发动机冷发启动困难进行分析，提出以下综合改进措施。

(1)发动机启动前干冷转。冬季高高原机场过夜后的首个航班，发动机启动前执行2分钟干冷转。这样做实际上是为了暖机从而能够降低滑油粘度，减少发动机启动时阻力，同时干冷转能够减小发动机气动间隙，提高发动机压气机、涡轮效率，有效地减少发动机启动悬挂故障的发生。

(2)采用交输引气启动。高高原机场，当一台发动机启动成功后，使用交输引气启动另外一侧发动机，这样可以确保起动机启动功率充足，避免由于APU引气导致的启动失速情况。

(3)采用人工方式启动。高高原机场虽然更改了自动启动逻辑，可以大幅度提升首次启动成功率。但根据发动机厂家及空客公司建议采用人工方式启动发动机，即当起动机带动发动机至最大转速时再点火供油。人工方式使用双点火，同时点火供油时机推迟到起动机带动的最大转速，这样能确保点火成功率，更利于发动机启动成功。

为了提高启动成功率，建议全部优化执飞高高原航线的发动机，包括软件的升级以及ECU软件控制逻辑。采取延迟供油，点火成功后采用双点火并增加10%供油量的措施，减少启动时间，降低高高原机场发动机启动问题发生的概率。

[1] 敖良忠，钱锋.CFM56-5B发动机高高原冷发起动困难的研究[J].西安航空学院学报,2015,33(3)：3-6.

[2] 张元.发动机的启动悬挂问题的研究[J].航空维修与工程,2010(5):43-45.

[3] 郑波.基于QAR数据的民航发动机排故方法研究[J].中国民航飞行学院学报,2015,26(1)：47-49.

[4] Customer Training Center.CFM56-5B Training Manual[M].Courcouronnes:Snecma,2007:28.

[5] 谭燕.CFM56-7B发动机的热启动及启动悬挂[J].中国民航飞行学院学报,2011,22(4)：24-26，29.

[责任编辑、校对：李 琳]

On the Difficult Cold Start of QAR-based CFM56-5B Engine on High Plateaus

FUYao-ming,MENGDe-yin

(Aviation Engineering Institute,Civil Aviation Flight University of China,Guanghan 618307,China)

CFM56-5B engine,as the main engine on airports of high plateau,often encounters failure at cold start.Based on QAR data,and from the three angles of high plateau-plain,cold start-hot start,and winter and summer,the paper presents the common failure modes of high plateau cold start by the comparison with the normal trend of the same parameter of normal engines,such as start stall,ignition failure,and start hanging.Finally,the paper concludes the reasons for the difficult cold start at high plateaus through analysis, and proposes some measures for improvement, which can provide references for the high plateau engine start.

CFM56-5B engine;high plateau;first cold start;QAR;failure mode

2016-11-03

中国民用航空飞行学院研究生创新项目(X2015-11)

付尧明(1970-)，男，四川绵竹人，教授，主要从事航空发动机故障诊断与状态监控研究。

V263.6

A

1008-9233(2017)01-0016-09