LEAP-1A發(fā)動機燃油噴嘴設計缺陷及在翼解決措施

梁勇 孫軍軍

摘要：本文介紹了LEAP-1A發(fā)動機燃油噴嘴的設計缺陷，分析了故障特點、原因，提出了解決措施及技術(shù)展望。

關(guān)鍵詞：LEAP-1A發(fā)動機；燃油噴嘴；解決措施

Keywords：LEAP-1A engine；fuel nozzle；solutions

0 引言

LEAP-1A型發(fā)動機由CFMI公司生產(chǎn)的新型民用航空發(fā)動機。從2016年投入商業(yè)運營至2021年7月已生產(chǎn)了2123臺，裝備于965架A320neo飛機。該型發(fā)動機與其同型號發(fā)動機（-1B、-1C）是下一個十年世界民用航空機隊的主力發(fā)動機。

LEAP-1A型發(fā)動機在設計過程中，CFMI公司的母公司美國GE公司和法國賽峰公司投入了大量先進技術(shù)，使其相比CFM56型發(fā)動機在工作效率、燃油耗量、安全性以及改善碳排放、NOx排放量等方面都有顯著提高，但由于過度強調(diào)節(jié)油性，該型發(fā)動機的燃油噴嘴存在重大設計缺陷。本文介紹了LEAP-1A型燃油噴嘴的結(jié)構(gòu)，分析了設計缺陷的原因，介紹目前廠家給出的在翼解決方案，并提出改進思路，為設計、維護該類型發(fā)動機提供借鑒。

1 燃油噴嘴簡介

LEAP-1A型發(fā)動機燃油噴嘴是3D打印構(gòu)件，每臺發(fā)動機有19個噴嘴，均布在燃燒室機匣前端。與傳統(tǒng)機加方法生產(chǎn)的燃油噴嘴相比結(jié)構(gòu)更復雜，重量更輕（見圖1）。

燃油噴嘴有兩個進油口，其中與燃油次級總管相連的是噴嘴副值班油路（fuel pilot secondary circuit），與燃油主級總管相連的進油口在噴嘴內(nèi)部分為噴嘴主油路（fuel main circuit）和主值班油路（fuel pilot primary circuit），副值班油路和主油路內(nèi)有單向活門（check valve）和流量活門（flow divider valve）（見圖2）。

受電子發(fā)動機控制組件（EEC）的控制，燃油噴嘴在不同的工作狀態(tài)下有不同的工作油路和供油量，慢車、滑行、下降時，主油路不工作，主值班油路、副值班油路中供油量；起飛、爬升、巡航、反推工作時，主油路高供油量，主值班油路、副值班油路低供油量；進近時，主油路不工作，副值班油路高供油量，主值班油路低供油量。

2 燃油噴嘴主要故障

燃油噴嘴發(fā)生故障的原因包括：設計上油路狹小，工作不連續(xù)；工作在高溫高壓區(qū)域；未考慮不同油品對油路的影響等。最典型的故障表現(xiàn)是燃油噴嘴油路內(nèi)部的燃油高溫結(jié)焦，結(jié)焦后的污染物堵塞油路或造成活門卡死。

2.1 主油路堵塞

燃油結(jié)焦后將堵塞部分燃油噴嘴的主油路，為達到發(fā)動機所需目標功率，其他未堵塞的燃油噴嘴供油量增大，對應的高壓渦輪靜子葉片局部高溫燒蝕，損壞脫離，打傷下游葉片，嚴重時將導致發(fā)動機空中停車（已造成一起空停）。

另外，主油路堵塞后，噴嘴前燃油壓力增大，該壓力會使燃油泵在高功率時旁通，導致潛在的燃燒室熄火。

2.2 流量活門卡阻

燃油結(jié)焦后將流量活門卡阻在打開位，低功率時，超量的燃油流量噴出，對應的高壓渦輪靜子葉片局部高溫燒蝕，損壞脫離，打傷下游葉片，嚴重時導致發(fā)動機空中停車（已造成一起空停和一起N1轉(zhuǎn)子高振動返航）。

2.3 單向活門卡阻

燃油結(jié)焦后將單向活門卡阻在打開位。低功率時，超量的燃油流量噴出，其對應的高壓渦輪靜子葉片局部高溫燒蝕。

由于單向活門結(jié)焦卡阻，某航司已出現(xiàn)一起發(fā)動機關(guān)車后尾噴口區(qū)域發(fā)現(xiàn)明火的情況。原因為：發(fā)動機關(guān)車后，單向活門應處于關(guān)閉位，但由于活門結(jié)焦卡阻，導致發(fā)動機關(guān)車后活門未完全關(guān)閉，殘留在供油管路中的燃油繼續(xù)經(jīng)過燃油噴嘴流向燃燒室，當達到適合的油氣比并遇到熱回浸（發(fā)動機關(guān)車后燃燒室散熱形式之一）所致的部件局部高溫時，造成燃燒室內(nèi)部形成局部明火，隨著空氣流動到發(fā)動機后部，在尾噴區(qū)域出現(xiàn)明火。

2.4 主值班油路堵塞

燃油結(jié)焦堵塞噴嘴主值班油路后，對于低EGT裕度的發(fā)動機，在高外界溫度時會發(fā)生熱起動或起動懸掛。

2.5 副值班油路堵塞

燃油結(jié)焦堵塞噴嘴副值班油路后，發(fā)動機加速時，噴嘴前壓力增長會使燃油泵旁通，導致潛在的熄火或懸掛。

2.6 后隔熱屏損壞

燃油噴嘴后隔熱屏（AHS）為陶瓷涂層結(jié)構(gòu)，由于熱腐蝕以及涂層和結(jié)構(gòu)強度原因，損傷形式主要為徑向裂紋、周向裂紋、涂層剝離、氧化、熱變形等（見圖3）。

損傷超過極限后，會發(fā)生掉塊、漏氣等嚴重安全問題。

3 燃油噴嘴堵塞原因分析

燃油噴嘴堵塞的原因是發(fā)動機關(guān)車后殘留在燃油噴嘴中的燃油受高溫烘烤結(jié)焦造成噴嘴堵塞。每個循環(huán)的結(jié)焦率與發(fā)動機關(guān)車后的溫度有關(guān)。從宏觀方面統(tǒng)計目前影響噴嘴結(jié)焦的因素有以下幾方面。

3.1 燃油屬性

世界機隊數(shù)據(jù)表明，不同地區(qū)或不同的細分區(qū)域的燃油屬性不同，結(jié)焦率和結(jié)焦模式也不同。歐洲區(qū)用戶在所有模式下的結(jié)焦率都很低，北美用戶主油路堵塞快于其他地區(qū)，亞洲區(qū)的一個小細分區(qū)的活門卡阻率很高。世界機隊普遍存在因主值班油路堵塞而更換整套燃油噴嘴的情況。

3.2 停場時間

發(fā)動機關(guān)車后，大概有30min的時間發(fā)動機溫度高于結(jié)焦溫度，熱回浸時間甚至在發(fā)動機關(guān)車后幾小時仍然存在。停場時間越長（如每天最后一個航后），高溫時間越長，積炭生成越多；停場時間越短（如45min的短停），積炭生成越少。

3.3 環(huán)境溫度

環(huán)境溫度越高，發(fā)動機冷卻時間越長，停留在結(jié)焦溫度的時間就越長，積炭生成越多，這也是南方的噴嘴更換率高于北方的主要原因。

3.4 航段影響

積炭是在發(fā)動機關(guān)車后生成的，航段的長短對積炭影響不大，但長航段通常對應長的短停時間，會有更多結(jié)焦，不過長航段每日的飛行總時長一般較短，因此如按日歷日計算，結(jié)焦時長短。

3.5 發(fā)動機關(guān)車前的溫度情況

發(fā)動機關(guān)車前，慢車時間長，可以保持發(fā)動機的熱穩(wěn)定性，有助于降低積碳生成率。

綜上，燃油噴嘴結(jié)焦率主要與高溫時間有關(guān)，上述因素雖都能影響結(jié)焦率，但無法判斷哪種因素起主要作用。

4 生產(chǎn)廠家的解決措施

對于燃油噴嘴結(jié)焦問題，CFMI公司認為目前最重要的措施是及時發(fā)現(xiàn)是否有燃油噴嘴堵塞，并在情況沒有進一步惡化前采取措施。

4.1 監(jiān)控排氣溫度（EGT）差值

LEAP-1A發(fā)動機有8個排氣溫度（EGT）探頭，可以測量發(fā)動機局部排氣溫度（見圖4）。將各探頭的EGT值進行差值運算，如果在一定的時間間隔內(nèi)出現(xiàn)差值超過門限值的情況，則表明有燃油噴嘴堵塞，需要在規(guī)定的期限內(nèi)采取措施。

EGT值記錄在ACMS巡航報文和起動報文中，生成后會自動上傳至CFMI網(wǎng)站，由后臺程序進行處理。CFMI公司安排了專門的性能工程師監(jiān)控數(shù)據(jù)，向客戶發(fā)出報警。

為了保障故障判斷的及時性，CFMI對數(shù)據(jù)上傳有完整度要求，如果因設備問題無法及時上傳數(shù)據(jù)，需要人工下載數(shù)據(jù)或硬時限更換燃油噴嘴。

4.2 在翼洗滌劑清洗燃油噴嘴

2018年CFMI公司推出在翼洗滌劑清洗，用專門的清潔設備將特殊洗滌劑噴入燃油噴嘴中，浸泡一段時間后用水清潔。清潔后測試證明對主油路有效，但對值班主油路無效或效果不明顯。目前CFMI已放棄該項研究。

4.3 在翼高壓熱空氣清潔

2018年CFMI公司還推出了高壓熱空氣清潔法，將熱空氣流從燃油噴嘴前端吹入，將堵塞值班主油路噴油口的積炭吹出噴嘴，結(jié)果表明清潔效果不好。目前CFMI已放棄該項研究。

4.4 整套燃油噴嘴更換

對于有結(jié)焦情況的燃油噴嘴，CFMI公司目前采用的辦法是發(fā)給客戶通知信函（CNR），客戶根據(jù)CNR的推薦期限更換整套燃油噴嘴。

該方法簡單有效，但工作量大，需要拆裝的部件多，工時長，飛機停場時間長，容易發(fā)生人為原因的不安全事件（已發(fā)生與燃油噴嘴更換相關(guān)的空停）。

4.5 停機位干冷轉(zhuǎn)

CFMI公司在2019年開展了停機位干冷轉(zhuǎn)的試驗：每天至少一次，飛機停穩(wěn)后干冷轉(zhuǎn)至少120min，對減緩燃油噴嘴結(jié)焦有一定益處，但由于停機位長時間干冷轉(zhuǎn)涉及到機位、運營、人員安排等復雜問題，后續(xù)沒有航空公司采納。

4.6 定期放燃油箱沉淀

CFMI公司認為航空公司油品雜質(zhì)不同，燃油噴嘴結(jié)焦的程度也不同，因此定期放出燃油箱中的雜質(zhì)沉淀可以有效減緩噴嘴結(jié)焦。

2019年CFMI在部分航空公司開展至少每36h放一次油箱沉淀的試驗。試驗證明該方法對減緩燃油噴嘴結(jié)焦有一定益處，但效果不明顯。該措施已經(jīng)停止推進。

4.7 關(guān)車后通風冷卻燃油噴嘴

CFMI公司通過研究發(fā)現(xiàn)，燃油噴嘴內(nèi)部結(jié)焦的原因有兩種：

1）飛行中，不工作的油路內(nèi)部殘留燃油遇高溫焦結(jié)；

2）發(fā)動機關(guān)車后，高溫的大型結(jié)構(gòu)件熱量傳導至燃油噴嘴，使其內(nèi)部殘留的燃油遇高溫焦結(jié)。

試驗數(shù)據(jù)證實，發(fā)動機關(guān)車5min后，燃油噴嘴溫度開始上升；30min后，升至結(jié)焦溫度，開始焦結(jié)（見圖5）。

基于上述研究，CFMI計劃推出在翼關(guān)車后通風冷卻燃油噴嘴系統(tǒng)的措施（見圖6）。

該系統(tǒng)由連接風扇外涵出口的冷卻管、風扇、單向活門、引氣管等組成，發(fā)動機停車后開啟風扇，將外涵空氣通過管路引入擴散機匣，吹向燃油噴嘴，給噴嘴降溫。該系統(tǒng)工作長達1h以上，使燃油噴嘴溫度始終處于結(jié)焦溫度以下（見圖7）。

目前，該系統(tǒng)已完成在翼試驗階段，計劃于2022年年中推出。

4.8 采用新型后涂層的燃油噴嘴

為解決后涂層早期脫落問題，CFMI公司推出新型G05噴嘴。該噴嘴改進了涂層材料，使涂層具有更好的熱應變能力；增加了涂層材料厚度，以降低燃耗率；減少了軸向溫度梯度，增加了熱循環(huán)壽命；改進了噴嘴局部結(jié)構(gòu)形狀，減少了部件熱應力集中（見圖8）。

新型噴嘴目前尚未正式推廣，僅在部分機隊在翼測試。

5 解決措施

航空公司面臨的壓力包括因燃油噴嘴結(jié)焦導致的延誤、空停的風險，以及更換燃油噴嘴可能發(fā)生的人為不安全事件，因此提出以下解決措施。

1）重點發(fā)動機重點管控

航空公司性能監(jiān)控工程師應每日監(jiān)控發(fā)動機監(jiān)控數(shù)據(jù)，尤其是對于EGT溫差較大的發(fā)動機應重點監(jiān)控。可利用現(xiàn)有的計算機技術(shù)設置高于廠家標準的門限值，以監(jiān)控發(fā)動機的健康狀況。如已達到CFMI公司規(guī)定的門限值但仍未收到CNR，可主動詢問廠家原因，避免遺漏。

2）空地交流避免惡性延誤

燃油噴嘴主副值班油路堵塞都可能造成起動不成功、起動懸掛、起動超溫、慢車熄火等故障。工程師應利用空地交流的機會，向空勤人員介紹故障現(xiàn)象和故障原因。對于判斷符合油路堵塞造成故障的情況，可采用重新嘗試起動、交輸引氣起動方式起動發(fā)動機，避免因長時間排故造成惡性延誤。

該措施更適于短停航班。

3）推廣標準施工經(jīng)驗避免人為差錯

CFMI公司針對更換燃油噴嘴過程中的各種問題給出了標準施工經(jīng)驗，航空公司應向工作者普及推廣該經(jīng)驗，可有效避免因人為原因造成的嚴重差錯。

發(fā)動機工程師具有能接觸到最新行業(yè)信息的優(yōu)勢，應及時將各類人為差錯事件通報工作者，讓工作者了解薄弱環(huán)節(jié)和差錯原因，有效避免犯同類錯誤。

例如，2019年10月某航空公司在更換燃油噴嘴時，未正確安裝瞬時放氣封嚴（TBV），導致飛行中熱空氣泄漏至短艙觸發(fā)火警，發(fā)動機人工關(guān)車（見圖9）。該信息傳達至工作者后，工作者在安裝類似封嚴時吸取了經(jīng)驗教訓減少了差錯率。

6 結(jié)束語

截至目前，LEAP-1A型發(fā)動機世界機隊共發(fā)生空停事件24起，與燃油噴嘴相關(guān)的停車事件占4起，接近空停事件總量的五分之一，是該型發(fā)動機第一空停原因。

為解決燃油噴嘴相關(guān)問題，廠家、監(jiān)控工程師、發(fā)動機系統(tǒng)工程師、工作者需共同努力，管控好燃油噴嘴相關(guān)數(shù)據(jù)監(jiān)控、定期孔探以及拆裝過程中可能存在的薄弱環(huán)節(jié)等，不漏過任何征兆，早發(fā)現(xiàn)、早檢查、早解決，有效避免嚴重不安全事件。

廠家現(xiàn)有的通風冷卻在翼解決方案需加裝一套系統(tǒng)多個部件，將導致飛機大大增重，如果加裝的系統(tǒng)零件松動、脫落、飛離，將直接危及燃油噴嘴和燃燒室的安全，另外，系統(tǒng)管路眾多，存在潛在的漏氣風險以及引發(fā)短艙高溫的風險。因此，燃油噴嘴問題最終的廠家應直面其設計缺陷，如噴嘴內(nèi)部油路細小、對用戶油品雜質(zhì)含量預估不足、供油邏輯缺陷等，進而改進燃油噴嘴的結(jié)構(gòu)及供油邏輯，才能從根本上解決隱患。

參考文獻

[1] CFMI.LEAP-1A FUEL NOZZLE BEST PRACTICES [Z].

[2] Airbus. A320 AIRCRAFT MANTAINANCE MANUAL R97 [Z].

[3] CFMI.LEAP-1A CUSTOMER CONNECTION [Z]. 2020，7.

[4] CFMI.LEAP-1A CUSTOMER ANNUAL SYMPOSIUM [Z]. 2020，3.

[5] CFMI.LEAP-1A CUSTOMER CONNECTION [Z]. 2021，4.