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enginestartingprocessanalysistheconditionofhighplateau
分类号
V235.13
编号
20070812110
UDC
密级
公开
中国民航飞行学院
毕业设计（论文）
题目
高高原条件发动机启动程序分析
Enginestartingprocessanalysisthe
conditionofhighplateau
作者姓名
专业名称
热能与动力工程
指导教师姓名及职称
副教授
提交日期
20年月日
答辩日期
20年月日
答辩委员会主任
评阅人
20
年
月
日
高高原条件发动机启动程序分析
学生：
指导老师：
摘要
中国是世界上拥有高原机场较多的国家之一，其中西藏邦达机场是全球海拔最高的民用机场。
高原机场由于独特的地理条件导致飞机和发动机性能较差，早些年曾是“飞行的禁区”，近年来随着飞机性能的提高、地面设备的投入使用以及从业人员素质的加强。
中国陆续开通了高原机场的航线。
但高原机场一直以来仍是飞行安全的大敌，随着西部大开发步伐的加快和经济的不断发展，新建的高原机场必然越来越多，高原机场的航线必然越来越繁忙，因此分析高高原飞机发动机启动程序的特点，采取相应的措施保障飞行安全具有非常重要的意义。
关键词：
涡扇发动机，高高原，启动程序。
Enginestartingprocessanalysistheconditionofhighplateau
Abstract:
Chinaisoneofthecountrieswithmoreoftheplateauairportintheworld,includingtheTibetandagringairportisoneoftheworld'shighestcivilianairport.Duetotheuniquegeographicalconditionsoftheplateauairportaircraftandengineperformanceispoorer,theearlyyearswasa"flying"ofthearea,inrecentyears,withtheimprovementofaircraftperformance,groundequipmentputintouse,andthestrengtheningofpersonnelquality.Chinahasopenedarouteplateauairport.Buthasalwaysbeenoftheplateauairportisstillthefoeofflightsafety,thequickeningpaceofthewesterndevelopmentandeconomicdevelopment,thenewplateauairportwillbemoreandmore,theplateauairportroutesmustbemoreandmorebusy,thereforeanalyzingthecharacteristicsofthehighplateauofaircraftenginestartingprocess,takecorrespondingmeasurestoguaranteetheflightsafetyhasveryimportantsignificance.
Keywords:
turbofanengine,EGTover-temperature,EGTmargin,EGTprevention,over-temperatureanalysis.
目录
引言1
第一章EGT超温的概述2
1.1高高原机场的特点2
1.2EGT的测量2
1.3EGT超温的定义5
第二章EGT超温的危害7
2.1涡轮叶片的工作条件7
2.1.1高热负荷7
2.1.2大离心力7
2.1.3燃气交变应力8
2.2EGT超温的危害9
2.2.1高温蠕变断裂9
2.2.2热损伤10
2.2.3叶尖磨损11
2.2.4断裂叶片的二次损伤12
第三章EGT超温的原因13
3.1故障的原因13
3.1.1滑油系统故障13
3.1.2发动机控制、燃油、空气系统故障14
3.1.3压气机喘振20
3.1.4其他故障21
3.3人为因素致EGT超温21
3.3.1维护人员的因素21
3.3.2机组成员的因素21
3.4外界环境引起EGT超温分析25
3.4.1高原机场起飞25
3.4.2外界大气条件变化26
第四章EGT超温的预防27
4.1飞行使用中预防EGT超温27
4.1.1防止发动机喘振27
4.1.2发动机最大状态连续使用时间不能超过规定31
4.1.3防止发动机引气量过多31
4.1.4起飞前暖机31
4.2提高恢复EGT裕度以预防EGT超温31
4.2.1EGT裕度的定义31
4.2.2提高恢复EGT裕度的常用方法32
4.3加强发动机维护和飞机管理34
4.3.1加强航前航后的检查维护34
4.3.2合理计划航线结构和布局34
4.3.3估算起飞EGT裕度35
第五章总结38
参考文献39
第1章我国高高原机场分布及环境特点
高高原机场的定义海拔高度在2438米或8000英尺及以上的机场，由于高高原机场运行环境比一般机场复杂得多，所以我国民航管理部门对高高原机场运行极为严格。
世界范围内主要高高原机场主要在中国、尼泊尔、秘鲁、玻利维亚、厄瓜多尔等国。
1.1我国高高原机场分布情况
我国高高原机场分布情况表
海拔排名
机场名称
所在省、区
海拔（米）
跑道长度（米）
通航时间
2011年吞吐量（人）
1
那曲机场
西藏那曲
4436
待定
预计2015
无
2
稻城亚丁机场
四川甘孜州
4411
4200
预计2013
无
3
邦达机场
西藏昌都
4334
5500
1995年
85213
4
阿里昆莎机场
西藏阿里
4272
4500
2010.7.
9350
5
康定机场
四川甘孜州
4242
4000
2007.10.
27616
6
玉树巴塘机场
青海玉树州
3905
3800
2009.8.
75838
7
日喀则和平机场
西藏日喀则市
3782
5000
2010.9
11463
8
拉萨贡嘎机场
西藏贡嘎
3600
4000
1965.
1581538
9
红原机场
四川阿坝州红原县
3535
3600
2013
无
10
九寨黄龙机场
四川阿坝州松潘县
3448
3400
2003.9
1717603
11
泸沽湖机场[
云南丽江
3294
3400
预计2013
12
迪庆机场
云南迪庆
3288
3600
1999.4.
374710
13
林芝米林机场
西藏林芝
2949
3000
2007.9
143793
14
格尔木机场
青海格尔木市
2842
4800
1974
70502
表1-1我国高高原机场分布情况
1.2我国高高原机场环境特点
1.2.1高高原海拔高，空气稀薄，气压偏低
海拔高，空气稀薄而使含氧量偏低，会导致发动机热效率低，启动时易超温。
此外，相同的起飞、着陆重量，飞机的真空速要比平原大很多，在高高原机场运行，发动机的推力明显减小，空气动力变差，飞机的机动能力降低，飞机的爬升和越障能力变差，飞机空中加速、减速所需距离增长，转弯半径增大，飞机起飞和滑跑距离增加等，对飞机的操纵品质要求增高。
其中可以很清楚地看到，海拔越高，机场跑道的长度就越长。
另外，发动机反推效率降低，刹车组件吸收更多热能，温度高，需要足够的冷却时间到下次起飞。
同时，为了降低发动机负担，要加强空调系统的工作状态监控。
气压偏低会导致液压死穴和冲击现象严重，会引起局部液压冲击，不仅会产生噪声和振动，还会引起汽蚀，使液压元件工作性能变坏，寿命大大缩短。
同时也会导致APU性能下降。
1.2.2高高原昼夜温差大，气象复杂多变
高高原机场昼夜温差大易导致积冰，尤其是在冬季。
如果飞机在本场过夜，一次启动的成功性就被大大降低。
高高原机场气象复杂多变，有明显的时间差异，还存在地域性和局部性特征。
1.2.3高高原机场海拔高，高空风通常很大
高高原机场由于高空风通常很大，接近地面的空气因太阳照射导致向阳和背阴方向的受热不均匀，加上地形对风的阻挡、加速，使得高高原机场经常出现大风，风速、风向变化也很大，极易形成乱流、颠簸和风切变。
1.2.4高高原气候干燥，植被少，土层干，多大风和沙尘
高高原多大风和沙尘，大风和沙尘会导致机场灰尘较多，在设备冷却管路、风扇和滤网等地方易形成灰尘聚集阻塞使流量降低。
灰尘易进入飞机上运动关节处的注油嘴，过多风沙、粉尘会依附会使润滑脂变质或污染，甚至成为“研磨剂”，加剧运动关节处的损，造成卡阻或系统失效，也会加速发动机气路部件磨损。
灰尘进入天线底座，遇到雨天或潮气会产生“缝隙腐蚀”、“化学腐蚀”、“电化腐蚀”，使天线的发射和接收信号品质降低，影响通信质量。
1.2.5高高原机场地形复杂，机场周围净空条件差
高高原机场往往处在地形复杂的地方，因而机场周围净空条件差，导航设施设置困难，导致飞机起降、复飞操纵难度大。
中国多数高高原机场需要编制专门的单发复飞程序。
另外，高高原机场可用的机动空域和机动高度很少，飞机空中调配较为困难。
1.2.6高高原机场的特殊地形对飞机通信造成影响
由于受地形的遮蔽和反射，高高原机场无线电波产生多路径干扰；地面通信作用距离短，信号微弱；机场甚高频全向信标台/测距仪作用距离、覆盖范围较小，指示不稳定，仪表着陆系统在某些方位会有假信号产生。
1.2.7高高原特点对高高原机场运行的飞行员造成心理影响
由于高高原机场存在以上诸多困难，再加上飞机在高高原机场飞行操纵难度加大、机动性能较差，飞行员在高高原机场飞行易产生畏惧心理。
第2章高高原条件下影响发动机启动的因素
2.1高高原条件下产生的复杂因素
由于高高原机场的运行环境相对于一般机场要复杂得多，包括天气、地形、气压和人员高原反应等多方面因素。
所以中国民航局对高高原机场的运行限制极为严格，运行中必须是具有较好高原性能的高原型飞机并且采用双机长的机组搭配，运行时间一般限制在白天。
2.1.1气温、气压和密度随高度的变化关系
空气的密度、温度和压强是确定空气状态的三个主要参数。
飞行中影响飞机的空气动力的大小和飞行性能的好坏都与这些参数有关。
空气的密度、温度、压力这三者存在着相互制约的关系。
如一小团气体由地面上升时，它的压力减小，体积增大和温度降低是同时发生的。
在ll000m以下，高度升高，气压是降低的。
就平均而言，高度每升高1000m气温下降约6．50C（即每升高l000ft，气温降低约20c）。
在这一层大气中，为什么高度升高，气温会降低呢?
这是因为这层空气受热的直接热源是地面。
也就是说这层空气是被晒热的地面烤热的，越靠近地面，空气受热就越多。
反之，离地面越高，气温越低。
随着高度的升高，气压如何随高度变化呢?
我们知道，在大气层中，任何一处的气压都和该高度上空的大气汞柱的重量相等。
高度升高，大气汞柱的高度变短，其重量减轻。
所以随着高度升高，大气压力总是减小的。
随着高度的升高，空气密度总是减小的。
这是因为：
高度升高，气温降低要使空气密度增大；而高度升高，气压降低又要使空气密度减小。
由于气温降低的变化率要比气压降低的变化率大，因此，高度升高，空气密度总是减小的。
2.1.2高海拔与高温的关系
从以上分析我们得知，随着高度的升高，空气密度将减小。
也因为空气的热胀冷缩。
随着温度的升高，空气的密度也将减小。
我们所说的高原机场指的是高度在1500m以上的机场；高温机场指的是温度高于30。
C时的情况。
因此，在研究对飞行性能的影响时，在很大程度上它们是一致的。
2.2影响发动机启动的因素
在发动机启动过程中，起动机和发动机涡轮发出的功率使发动机转动，而压气机则消耗功率来压缩空气，启动的速率是由起动机、涡轮发出的功率减去压气机消耗功率的剩余功率决定的。
影响发动机启动的主要因素有：
（1）启动气源的压力；
（2）发动机涡轮功率与压气机功率之差，涡轮功由发动机控制，但尽可能减少压气机消耗功率是可能的，如飞机迎风停放，减少出口反压等；（3）启动过程的各种保护模式，保护模式作为发动机启动的安全手段是有很大作用的，但反之也可能带来启动的困难'如失速的错误探测或探测过于敏感等。
图3-6发动机启动过程
第3章发动机启动程序分析
发动机启动时一个非常重要的过程，它是飞机能进入正常工作的一个前提。
而飞机启动性能是衡量飞机综合性的一个指标。
特别高高原机场的启动性能对飞机的安全保障尤为重要。
3.1启动程序的过程
启动过程是发动机启动是指利用启动机将发动机从静止状态加速到能够保持转速的慢车工作状态的过程。
它主要用于发动机的地面启动、发动机的冷转（干冷转和湿冷转）和发动机的空中重启动。
启动系统的不正常工作会导致航空公司航班的延误或取消,影响到航空公司的声誉和盈利。
根据CFMI公司的统计,目前在安装CFM56-5B发动机中,启动系统（空气启动机和启动空气活门）故障占所有影响飞机派遣可靠率因素的12%。
3.1.1启动系统的简介
启动系统的组成CFM56-5B发动机的启动系统包括空气启动机、启动空气活门、空气管路和控制启动系统工作的ECU（电子控制组件）及启动电门。
图3.1启动空气活门
3.1.2启动系统的工作原理
正常启动或冷转发动机时,将驾驶舱中的模式选择旋钮扳到/IGN/START0或/CRANK0位或按压人工启动电门,启动信号便以ARINC429的数据格式通过EIU传到ECU中的启动控制逻辑部分,然后ECU向启动空气活门SAV供电,SAV上的电磁活门会使得活门中相应机构的位置发生变化,从而在空气压力的作用下打开蝶形活门,将压力空气供入到启动机。
进入到空气启动机的增压空气冲击启动机中的空气涡轮作功,增压空气的压力势能转换为转动动能,从而带动发动机的高压压气机转动。
在正常启动过程中,当N2达到50%时,ECU会自动将启动空气活门关闭,而且启动机中的离合器会将启动机从附件齿轮箱传自动脱开。
所以启动机在N2超过50%后会停止工作。
在非正常启动时,如出现热启动、启动悬挂,由于CFM56-5B发动机是FADEC控制的发动机,FADEC系统会对发动机的各个参数进行实时监控,并且对发动机提供保护,所以ECU会自动关掉启动空气活门,中断发动机的启动,然后给出故障报告。
当然机组也可以在ECU自动中断之前拉回启动手柄,强行中断发动机的启动。
3.2FADEC系统对发动机启动的控制
发动机启动是发动机工作过程中很重要的阶段，也最容易出现异常情况，启动失速、超温是发动机启动阶段的主要故障，处置怠误会损伤发动机，甚至造成毁灭性灾难的故障如何防止这类故障的发生，是发动机启动控制的技术关键，传统发动机控制系统采用工^监控的方式保护发动机免受失速、超温的影响．而CFM56发动机的FADEC系统则提供自动保护模式使发动机免受失速、超温的影响。
即启动过程的失速保护和超温保护。
一般分为自动启动和人工启动。
3.2.1自动启动
自动启动为发动机的正常启动方式，它通过ECU接受启动指令并控制启动的全过程，实现完全自动地、不受干预的启动控制，ECU提供启动过程的超温保护和失速保护。
图3.2发动机自动启动过程
3.2.2人工启动
人工启动为发动机的备用启动方式，它也是ECU控制的启动方式，只需部分输入控制。
而且只提供超温保护不提供失速保护。
这个过程中需人工控制供油时间。
图3.2发动机人工启动过程
3.3外界环境引起EGT超温分析
现代民航客机都是采用的自动油门装置调节供油，以维持最大油门保持位置（最大油门保持位置是根据场压、场温、起飞总重等确定的），直到进入爬升阶段。
因此。
高原机场起飞时，N1及EGT均较海平面机场的高，容易出现超温现象。
同时，大气条件对EGT也有重要影响。
考虑到现代民航运输机要在世界各地飞行，就要保证从海平面机场到高温高原机场飞行或满足特殊的航线要求，应重视外界大气条件对发动机性能引起的变化，严格按照飞行手册的规定实施飞行，还要注意对发动机仪表的监控，使发动机各个参数始终维持在一个合适的范围，延长发动机的使用寿命，减少不必要的人为差错而造成的发动机损坏，保障飞行安全。
3.4.1高原机场起飞
所谓高原机场，是指机场标高超过5000英尺，机场场压低的机场。
如西藏的昌都机场、四川的康定机场等。
发动机在这些机场起动、试车、起飞时，由于高原机场外界大气条件的限制，在使用相同的N1转速时，发动机的推力下降，要达到与平原机场拥有相同的推力，就需要更多的燃油和更高的排气温度（EGT），这样就更容易造成发动机超温，使发动机的寿命减少。
表1列出同一天，在北京与昆明两机场起飞时（起飞重量基本相同），发动机N1转速及EGT的比较[15]。
表3-1云南航空公司Boeing737-300起飞数据比较（1990年4月30日）
起飞机场
场压（mm汞柱）
场温（℃）
起飞总重（t）
N1（%）
EGT（℃）
昆明
603
14
54
左：
94.2
右：
95.2
897
906
北京
761
14
53.5
左：
89.3
右：
89.2
802
789
昆明
609
12
54
左：
96.0
右：
96.4
896
898
北京
764
13
57
左：
89.8
右：
89.6
816
812
由此可见，在场温、起飞总重基本相同的情况下，由于昆明机场场压比北京低20%左右，为保证发动机获得足够的起飞功率，在昆明起飞时，N1要比在北京起飞时高5～7%，EGT高60～70%（考虑其它因素后）。
由于每次起飞均在较高的EGT下工作，因此与在平原机场起飞的发动机相比，性能衰退快。
据统计，新发动机使用到4000-5000h，翻修发动机使用到2500-3500h，性能衰退现象就比较明显突出了，再加上，现有的主动间隙控制ACC方案是使涡轮叶尖间隙在起飞时保持较大的数值，带来起飞时涡轮效率较低。
由于这两个因素的作用，在某些情况下，性能己衰退的发动机（例如大气温度较高等），在起飞时就容易出现超温（EGT允许最大温度为930℃）
3.4.2外界大气条件变化
实际飞行使用中所说的外界大气条件，主要是指外界大气温度、大气压力、大气湿度、空气中的盐分和微尘含量等。
大气温度T0对EGT超温影响最大。
由CFMI公司提供的数据，场温T0每升高1℃,EGT上升3.1℃。
这是因为，当其它参数不变时，大气温度T。
对发动机推力R的影较大，其关系是:
（公式3-2）
其中:
R标----海平面标准大气条件的推力；
T标----海平面标准大气温度。
即T0越低，R越大。
当T0升高时，发动机推力降低，为维持飞机满载下的正常起飞，自动油门装置将多供油，以维持最大油门保持位置和发动机推力。
这样，燃烧室变富油，EGT易超温。
因此，发动机热天和在炎热地区起飞时，EGT易超温。
大气压力降低，会导致发动机起动缓慢，涡轮负荷加大，EGT易超温。
空气中水分、盐分及微尘含量过高，发动机及其叶片腐蚀会加剧，发动机封严破坏，核心机效率下降，也会使排气温度EGT升高。
3.2高高原机场飞机启动性能要求
发动机是一个飞机的核心相当于飞机的心脏，所以发动机的启动性能也是一个飞机安全性能和正常飞行的保障。
我国高原机场的飞机主发动机都采用的A319机型，所以一下是高原机场一些特殊的启动性能，根据高原机场的运行特点在性能保障上应采取如下措施。
3.2.1机场起飞着陆性能要求
机场起飞、着陆分析是性能计算中的重要部分，主要内容是根据各种限制并计人有关影响因素。
针对具体的机型、气象和机场情况确定最大允许的起飞重量和着陆重量，与飞行的安全性和经济性紧密相关。
高原机场起飞、着陆性能较差．为确保安全．该部分的性能计算和管理应更严格和科学。
（1）每种机型的飞行手册都规定了飞机起飞和降落的环境包线．在温度和气压高度超出范围的条件下进行起降。
飞机性能将达不到要求。
安全得不到保证。
一般情况下平原机场的条件都不会超出要求。
所以该限制往往被忽视，但高原机场特殊的情况使得该限制尤为重要，一定要严格执行手册规定，根据高原机场的气象数据和机场标高，检查是否满足环境包线的限制要求，若不满足，不能起飞和着陆。
（2）进行起飞、着陆分析计算，并优化飞机参数设置。
高原机场使用机型的最大允许起飞重量和着陆重量的准确性是保障飞行安全和提高航空公司经济效益重要项目。
高原机场由于标高较高，所以其最大允许起飞重量和着陆重量要比标高低的机场受到更多的限制。
下面为用PEP软件计算得到的A321—23l飞机分别在不同标高机场的最大允许起飞重量的计算结果（暂不考虑其他影响最大允许起飞重量的因素），如表1所示。
最大允许起飞重量计算结果表
3.2.2制定一发失效应急程序
3.2.3飘降要求
高原机场海拔高，山地较多。
飞机在巡航中一台发动机停车后，由于推力减小，飞机需要从原来的巡航高度降到较低的高度，为了保证安全，要检查降低高度过程中以及改平后的巡航高度能否越过航路上的障碍物（高山），这就需要做飘降分析。
航路的飘降分析是研究飞机在航路上发生单发后的安全飞行措施。
这里的“安全”是指飞机单发后的净航迹高度必须高出航路中心两侧各25km内所有障碍物高度2000ft，在改平点至少应高出1000ft。
为了使飞机飘降的下降梯度最小，改平高度较高。
规定按照以下操纵方法进行飘降：
当一台发动机停车后。
将工作的发动机推力改为最大连续推力．保持高度减速到飘降速度，即最大升阻比速度（空客称作绿点速度），开始下降直到开始改平的点为止。
飘降速度用最大升阻比速度可以得到最小的下滑角，同时需要的推力也最小。
3.2.4供养的要求
第4章高高原机场发动机启动的主要问题所采取的措施
高高原机场由于他特殊的地理环境和气候现象导致了他会出现一下这些主要问题启动富有燃烧，启动失败，启动失速。
这些问题在平原一般不会发生。
同平原一样，高原机场机组采用自动启动，发动机1次即启动成功；高原性能要求高原机场发动机自动启动无前述的3类故障现象，即无富油燃烧，无启动失败警告和故障信息，无启动失
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