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关于PW4460发动机的启动悬挂问题的研究——发动机启动悬挂及其相关问题分析 作者：张元 东航工程技术公司 工程技术部
第二章 发动机的启动和悬挂
2.1 发动机的启动
一，发动机启动
发动机启动可分为：启动机带转阶段，点火燃烧阶段，启动机协助发动机加速阶段，发动机自行加速阶段和慢车阶段。在进入慢车前的所有阶段，发动机涡轮发出的功率与启动机发出的功率之和必须大于发动机加速所消耗的功率，发动机才会加速，否则就出现启动悬挂。发动机启动时由高压空气驱动的启动机通过外部高速齿轮箱带动高压转子N2转动，并由高压压气机将空气吸入并压缩后送进涡轮部分驱动低压转子N1转动。在发动机供油点火成功后，发动机则由从发动机燃烧室进入涡轮的燃气驱动涡轮进一步带动两个转子(N1,N2,)转动，启动机协助发动机加速到N2=50%，最后发动机靠自身燃气驱动加速到慢车。
二，PW4460发动机正常启动
PW4460发动机正常启动时所有系统电门放自动位，APU引气选择开，先选择点火，所有PACK OFF，确认引气压力在30-35PSI，拔出启动电门，连通启动机的启动活门随之打开，此时压力不得低于25PSI。启动机带动N2上升至23%，提起燃油手柄，EAD（发动机警告数据显示组件）上会有点火信号、FF（燃油流量）指示、EGT（发动机排气温度）上升，启动机和燃气共同带动N2转速上升致47+-2%，MSC（杂相系统控制器）关闭启动活门，启动电门灯灭，且点火系统被切断点火信号消失，启动电门弹入。（此时FF约420～460KGS/HR，燃油压力约50～60PSI）启动机脱开后，发动机靠自身的高温、高压燃气使N2进入慢车。在慢车稳定后FF约680～720KGS/HR(无引气输出时)，供气时FF约780KGS/HR，燃油压力约110～120PSI。
2.2发动机的悬挂
一，发动机悬挂的定义
发动机从停车的静止状态进入到慢车的启动过程中如果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上升很快而转速不上升则为热悬挂。若EGT和转速都不上升则为冷悬挂。启动悬挂多发生在启动机协助发动机加速阶段和发动机自行加速阶段。其本质为发动机涡轮发出的功率与启动机发出的功率之和小于发动机加速所消耗的功率。在高海拔地区，大气压力下降空气密度减少。流经发动机的空气流量比平原地区显著减少，流经涡轮的冷却空气量也随着减少。如果启动时供油量调整不当，会使油气比变得相对富油易引起启动悬挂。在高海拔地区，压气机增压比下降还会使涡轮输出功率下降，也易导致启动悬挂。发动机的启动过程是相当复杂的，是发动机的过渡工作阶段。
二，悬挂的危害
启动悬挂有以下危害：
1）加剧启动机损坏，连续多次启动尝试增加了启动机负荷降低了其使用寿命。
2）加剧发动机老化和性能下降，连续多次启动尝试增加了发动机在非设计工作状态下的工作时间加剧了发动机的磨损和老化。
3）增加启动操作风险，尤其是增加了启动超温和发动机喘振的概率。
4）可能影响航班正点，多次启动尝试浪费时间及采用发动机交叉启动受机场停机坪条件的限制都会影响航班正点。
5）可能降低发动机高空再启动的成功率。
6）故障隐患概率加大，易发生故障的叠加。
下面我们就针对启动悬挂的相关问题进行阐述。
第三章 发动机启动悬挂问题的分析
3.1 概述
发动机的启动过程是相当复杂的，是发动机的过渡工作阶段。它涉及到飞机气源、飞机燃油、发动机燃油控制、空气流量控制、启动和点火，以及发动机本体结构等多个系统的工作。也跟发动机的使用、维护情况和使用环境密切相关。发动机启动悬挂往往是发动机设计、制造、使用等多个环节存在问题和发动机/飞机多个系统工作性能下降导致的综合故障，需要多方面采取措施才可能彻底排除。
3.2可能导致悬挂的相关部件分析及其工做原理
影响发动机启动悬挂的主要因数可以从可观察参数方面和航线可更换件LRU两方面进行分析方面：
一、从可观察参数方面分析
1，发动机转数 N2
在启动机带转阶段，（发动机在启动机带动N2上升至23%前不供油）最大发动机干转转数N2，由启动机供气压力，供气流量，启动机性能，发动机转动阻力和压气机负荷决定。高的发动机干转转数表明启动机带转能力强，发动机转动阻力小，压气机负载小，有利于发动机启动加速和得到适量的空气进入燃烧室供点火燃烧和冷却，减少启动悬挂/热启动的可能性。在高海拔地区，APU引气压力比低海拔地区低，这就会直接影响到最大发动机干转转数N2。采用发动机交叉启动增加驱动力和在发动机启动过程中暂时脱开发动机驱动液压泵减小发动机转动阻力的方法，都可提高最大发动机干转转数N2从而改善发动机启动性能。
另外，观察发动机N2转数是我们判断故障的重要依据，可以根据N2在达到的转数范围对故障进行归类例如，没有N2指示或者N2指示不稳，可能引起的原因是，指示系统故障、气路损坏、过紧的高压压气机叶片或者启动机本体和联合部位出现问题。要求要进一步对故障隔离判断！
2，燃烧室供气压力Pb
进入核心机燃烧室的空气流量由N1、N2、压气机流量控制机构和压气机效率决定。其中约25%的空气参与燃烧，在主燃区形成约1：15的油气比，另外75%作为第二股气流由火焰筒壁上开的小孔进入燃烧室，用于降低空气速度，补充燃烧，与燃气参混，稀释并降低燃气温度，满足涡轮对燃气的需要。
但在高海拔机场，空气密度较低使压气机增压比下降，这样会导致进入燃烧室的空气流量不足形成相对富油，并使冷却空气量减少导致EGT上升较快。压气机增压比下降还导致了涡轮输出功率下降，进一步加剧了启动悬挂。若压气机效率下降，问题则更突出。往往导致启动悬挂或热启动。供气压力偏低是引起发动机高原启动悬挂故障的重要因素。提高的发动机干转转速可提高燃烧室供气压力，减少启动悬挂的机率。
Pb的大小可在EAD中读出。如果Pb感压管出现渗漏或堵塞，都会使EEC判断发动机状态的实际参数发生变化，所以对Pb管路的检查是十分必要的。
3，供油量 FF 及燃油压力
供油量通过装在发动机上的FF（燃油流量传感器），可在EAD上读出。通过FF数据我们可以分析发生问题的原因，因为往往启动过程中初始供油量不稳定是导致启动悬挂的主要因素。初始供油量由EEC根据特定供油程序确定，再由大气环境压力P2、 P0，大气环境温度T2,发动机转数N2，燃烧室进气压力Pb,滑油温度Toil，启动前发动机排气温度EGT,通过FMU（燃油计量组件）对供油量进行一定的调整。
在启动点火成功后的启动机协助加速阶段，供油量主要由燃烧室压力Pb决定。启动点火成功后若EGT过高，EEC会自动调低供油量以降低EGT，这会导致供油不足,使发动机启动悬挂 。供油量偏多还会导致压气机喘振，转动阻力增大和进气量减少，从而加剧启动悬挂。当然和燃油相关等问题，如密度低同样也会引起发动机供油不足，燃烧不充分，导致发动机产生悬挂，这就要具体问题具体分析了。
4，点火时间/时机
在点火燃烧阶段,能否点火成功取决于正确的油气比,燃油汽化质量,点火性能。正确的油气比由燃烧室供气压力和供油量决定。燃油压力，温度，燃油喷嘴性能都会影响燃油汽化。
点火供油时，若供油过早N2太低,进入发动机的空气少，易造成热启动和启动悬挂。一般应在达到最大干转转速23%N2时再开始供油点火。
5，排气温度 EGT
排气温度ＥＧＴ，由供油量ＦＦ、进入核心发动机的冷却空气量和涡轮效率决定。冷却空气多，排气温度下降就多。涡轮效率高，参与做功的燃气膨胀降温就多，同时也可提高发动机压气机转数，使更多冷却空气进入，进一步降低ＥＧＴ。而涡轮叶片与机匣间的间隙是影响涡轮效率的关键因素。随着发动机使用时间的增加涡轮叶片与机匣间的间隙也增大，涡轮效率也随着降低。所以观察EGT的温度，一方面考虑EGT热电偶的性能，另一方面是涡轮机匣冷却控制组件TCC的性能是否下降，并及时更换。
二、从航线可更换件LRU方面分析
1，APU
APU（辅助动力组件）性能下降会导致的供气压力和流量降低，直接影响启动机的启动能力。这个可由APU供气压力、APU排气温度EGT和发动机最大干转转速的降低来判断。采用发动机交叉启动，可消除APU性能下降带来的负面影响。引气大小可在MCDU中的MSC/APU中或SD的AIR页面中读出
2，启动机
启动机本体性能下降也会直接影响到最大干转转速和启动机带转及协助发动机加速的能力。可由发动机最大干转转速的降低来判断。
3，可变导向叶片VSV ，可变放气活门 VBV，2.9级防气系统
VSV（VARIABLE STATOR VANE）开度不足或VBV（VALIABLE BLEED VANE），2.9级放气活门工作不正常会直接影响进入核心机燃烧室的空气流量，还会引起压气机喘振，导致热启动或启动悬挂。
压气机的空气流量控制机构由可变静子导向叶片VSV，放气活门VBV及2.9级放气系统组成。在发动机启动的时候，VSV处于全开启位置，直到发动机达到15%N2，然后VSV关闭。EEC通过感受N1，N2，T2的信号来调节VSV的开度。VBV在发动机启动阶段处于全开位，当达到70%N2时，VBV开始关闭，在84%N2时完全关闭。在快速的发动机减速，反推或可能引起喘振的情况下VBV被命令开启。2.9级放气系统由启动放弃活门（右）和稳定放气活门（左）组成，通过对高压级压气机进行放气调节压气机内的空气流量，来实现稳定的增压比和所需功率的。这些机构主要用于发动机的防喘上，但在启动过程中我们也不能忽视他们的作用，如果发生悬挂问题，也应该对相关机构进行细致的检查。
4，点火能量，电嘴质量，电嘴安装深度均会影响点火性能
点火电嘴、高压导线、点火激励器，这三项故障都会引起点火时间增加或点火失败。紧接下的点火可能在发动机存在大量燃气的情况下进行极易发生热启动和启动悬挂。
5，Pb感压管
Pb信号是通过位于发动机燃烧室进口的感压传输管路，感受发动机燃烧室进口气体压力，并将这个压力信号传给EEC，Pb感压管进水，堵塞，破裂都是造成启动悬挂的原因，应细致检查。
6，TT2（低压压气机进口总温）和TT3（高压压气机出口总温）
EEC通过FMU的燃油流量活门位置来控制燃油流量。对于不同状态的发动机，EEC会采用不同的供油量来启动发动机。流量活门的位置是根据Wf/Pb 和N2c2.5的对应值所决定的。（Wf/ Pb燃油流量/扩散机匣压力，单位PPH/Psia ，N2c2.5为N2的真实转速，单位rmp）
1）当TT2和TT3的温度差大于66.7摄氏度时， EEC会采取热启动计划。
2）当TT2和TT3的温度差小于44摄氏度时， EEC会采取正常启动计划。
如果TT2和TT3传感器指示出现误差，同样会影响发动机启动，促使Wf/Pb对应N2c2.5的供油量的减小，致使N2转速上升缓慢。
图3.1
7，燃油泵FP和燃油计量组件FMU
发动机燃油系统工作是否正常决定了发动机的性能，是解决悬挂问题的关键部分。往往发动的悬挂出现是由发动机燃油系统的问题引起的。
燃油从飞机上的油箱通过增压泵到达发动机燃油泵（FP），首先通过发动机燃油泵中的第一级离心泵（boost stage）进行增压，然后通过燃滑油冷却器FOC，回到燃油泵的第二级高压齿轮泵（main stage）进行增压，通过旁通活门维持到合适的燃油温度,再将燃油供到燃油计量组件FMU,FMU接受EEC的指令，通过控制正确的燃油量来控制发动机的转数。
图3.2 燃油系统方块图 EEC是通过控制FMU内部司服活门（servo valve）的扭距马达（TM）来实现燃油量调节的，但如果扭距马达TM的相关机构出现卡阻或者FMU内部任何一活门和控制部件出现性能衰减，都会引起计量不准，供油出现偏差，甚至造成启动悬挂。
而燃油泵的增压能力，也决定着是否有足够的燃油压力到燃油喷嘴来达到标准雾化程度，我们可以通过读取燃油压力的具体值来加以判断。 8，燃油喷嘴
燃油喷嘴会影响喷油雾化质量从而影响点火成功。可通过孔探检查喷嘴积碳和损伤发现。
9，综合驱动发电机IDG 性能衰减
PW4460发动机的IDG包含一个恒速传动装置（CSD）和一台2级交流发电机，它们安装在同一壳体内，其中CSD将4500~9000转/分钟变化的发动机附件齿轮箱输入转数，转换为恒定的12000转/分钟转数输出到交流发电机。从而保证稳定的400Hz，115V交流电输出。
CSD液压机械式恒速传动装置主要由差动游星齿轮系、液压泵—液压马达组件、调速系统、滑油系统和保护装置五部分组成。
恒装工作原理，恒装的输出转速主要由两个转速决定，一是发动机经游星齿轮架直接传递过来的转速，该转速随发动机转速的变化而变化；二是液压泵—液压马达组件通过环形齿轮传递过来的转速，该转速用来补偿发动机转速的变化，以保持恒装的输出转速不变。
图 3.3 液压机械式恒速传动原理示意图 恒速装置调速是通过离心飞重靠CSD的转速克服弹簧力来带移动配活门的位置，改变了液压油流量，从而使伺服作动筒左右移动，控制可变斜盘的角度。可变斜盘的角度改变带动液压柱塞泵的工作补偿发动机转速。其中GCU又通过接受发电机输出频率的反馈值与400Hz进行比较，将检测到的频率差信号进行放大后对离心飞重的分配活门进行调节，更进一步的起到双重调节作用，保证了恒装的稳定工作。 恒装的故障，离心飞重、可变斜盘及游星齿轮系的卡阻都会造成IDG性能下降，甚至故障，同时作为发动机负载的一部分，直接的影响了发动机的性能，尤其在刚刚启动进入慢车时尤为显著。所以需要对CFDS进行故障回顾，并即使的参照手册对IDG进行系统检查和勤务。
10，发动机本体
发动机本体压气机转子过紧、涡轮效率下降都会导致升高增加启动悬挂的概率。可通过孔探确认，并通过监控排气温度ＥＧＴ裕度的下降来做出判断。
以上两大方面所分析的可观察参数和航线可更换件LRU是相互关联的标本关系。参数异常可认为是航线可更换件故障和性能下降的结果和现象，这就要求我们，按照实际情况，有选择的把问题分类，按照模块去解决问题。
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发表于 2010-6-25 02:18:52
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