A320飞机选装发动机性能及使用比较

A320飞机选装发动机性能及使用比较
A320飞机选装发动机性能及使用比较

A320飞机选装发动机性能及使用比较

(Analysis on A320 Engines)

空客A320飞机选装的发动机主要是CFM56-5B和V2500-A5。本文对它们各自的性能特点、市场优势和使用效果与成本进行了比较,为航空公司选用发动机提供一定的参考,并为飞行员和机务人员了解相关发动机的性能和操作提供帮助,以降低运营成本,保障飞行安全。

A320是空客系列飞机中最具代表性的机型,也是目前服役的单通道飞机中唯一与波音737系列相抗衡的飞机。为满足竞争的需要,空客对发动机提出了较高的要求。

一、两种选装发动机简介

1、CFM56-5B发动机

CFM56-5B发动机由CFMI公司研制,是唯一一种能用于A320系列各型飞机的发动机。

CFM56-5B发动机的高可靠性,较长的在翼时间和低维护成本使其倍受全球租赁公司和航空公司的青睐。

CFM56-5B发动机的整流锥短,弧度大,不易吞水,水进入内涵道的可能性减小,发动机停车率进一步降低,更加保障了飞行安全。

另外,CFM56-5B发动机采用双环腔燃烧室技术,这一技术有效地降低了发动机的氮氧化合物的排放量,使CFM56-5B发动机在技术可靠的基础上,更加环保。

2、V2500-A5发动机

V2500-A5发动机由IAE公司研制。V2500-A5发动机较高的排气温度裕度,低的燃油消耗以及更好的环保性能,使其成为航空市场上较为突出的一款发动机,在A320系列飞机的发动机选型上与CFM56-5B发动机展开了激烈的竞争。

V2500最引人注目的特点之一就是它的无凸台宽弦空心叶片和"浮壁"燃烧室。叶片以极轻的重量获得极大的强度,可以一定程度地抗击外来物的击伤。"浮壁"燃烧室提高了冷却效率,减少了维修费用。

二、两种选装发动机基本性能比较

V2500-A5及CFM56-5B均为高涵道比涡轮风扇发动机,根据市场需求情况和航空业发展趋势,公司在发动机结构设计上进行了改进和优化,使其发动机性能得到进一步提升,在市场竞争中拥有各自的优势,下面将对这两型发动机进行性能和使用方面的比较。

1、使用数据比较

1)可靠性

衡量航空发动机可靠性指标的主要有空中停车率(IFSR),送厂维修率(SVR)和航班签派率(DR)。

根据CFMI公司和IAE公司提供的发动机使用数据可以看出,CFM56-5B发动机的空中停车率为0.002,送厂维修率为0.015,航班签派率为0.98,均优于V2500-A5发动机。因此,CFM56-5B的可靠性要高于V2500-A5。

2)通用性

良好的通用性有利于航材的储备和人员的培训,从而降低维护成本,减少维护周期。

CFM56-5B发动机使用时间较早和装机数量较多,并且是唯一能用于A320系列各型飞机的发动机,使其通用性较V2500-A5发动机占优。

在先进的核心机基础上,CFM56-5与-2,-3和-7形成发动机系列,更加提高其通用性,使得装机数量和市场份额与其他发动机相比,占有绝对优势。

3)技术担保比较

根据两家公司分别提供的技术担保可以看出,CFMI的技术担保要优于IAE。某航空公司曾要求IAE达到相同的技术担保条款,但IAE认为达不到,这也从另一个侧面反映出CFM56-5B发动机在部分性能方面的领先优势,主要的技术担保条款见表1。

4)环境污染比较

航空发动机对环境的污染主要表现在两方面:噪声污染(一般用有效感觉噪声级EPN dB衡量)和排气污染(氮氧化合物NOx,一氧化碳CO,不完全燃烧碳氢化合物UHC/VOC等)。

为了降低航空发动机的环境污染,国际民航组织和世界各国相继出台相应法规,限制航空发动机的污染排放量,并作为该发动机是否取得适航许可证标准之一。

可以看出,在排气污染方面,V2500-A5发动机除氮氧化合物NOx 较CFM56-5B发动机略高以外,其他指标都明显优于CFM56-5B,对

环境的影响也较小。

在噪音污染方面,选装V2500-A5发动机的飞机产生的噪声均低于选装CFM56-5B发动机的飞机。

4)排气温度裕度EGTM裕度比较

排气温度裕度(EGTM)定义为红线温度与全功率时测出的排气温度之差值,即:

EGTM=EGT(红线)-EGT(测试)。

EGTM是衡量发动机性能好坏的较为直观的最重要的技术参数之一。对初始使用的发动机和经过维修厂修理的发动机,EGTM或EGTM的目标值增大,意味着以下几个方面的意义:

发动机使用范围增大,能够满足各种航线对发动机的要求,尤其是高温高原机场发动机的使用。

能够降低燃油消耗率(SFC),提高发动机使用的经济性。

发动机送厂维修率降低,具有最大EGTM的发动机的翻修率应最低;对经过维修厂修理的发动机,EGTM的目标值增大,意味着发动机的维修质量高。

发动机使用寿命高。

实际飞行中,EGT是影响发动机安全工作的最主要参数。尤其是在发动机起动、加速过程中或在高温、高原机场工作时应特别注意监控EGT温度,不允许EGT温度超过各发动机状态下的限制值。EGT 裕度大小则给发动机提供了安全空间,裕度越大安全系数越高。

CFM56-5B在海平面高温条件下的EGT极限值为950℃,平均值

为841℃,平均EGT裕度为109℃,而在3700至4300米的标高上(拉萨,邦达机场),EGT限制值仍为952℃,但平均EGT温度只有831℃,平均EGT裕度比海平面高出10℃,使发动机更不易超温。

通过V2500-A5和CFM56-5B两型发动机在海平面,温度15℃环境条件下的EGT温度裕度对比图,可以看出无论是在15吨还是在14吨和10吨的额定功率条件下V2500-A5发动机的EGT裕度都要高于CFM56-5B发动机的EGT裕度。

5)使用成本分析及比较

通过以上数据的比较,不仅可以看出两台发动机的区别,同时也可以证明这两台发动机都拥有先进可靠的性能,作为航空公司在保证飞行安全的前提下,考虑到公司的现状、未来发展趋势及经济效益,则将发动机的经济性能作为其相应机型选装的重要指标。

这一指标可以通过发动机的使用成本来分析。发动机的使用成本体现在采购阶段和实际使用阶段,即分为资金成本和运营成本,资金成本包含装机发动机的采购,首批航材及工装设备的购买。运营成本包括燃油消耗、滑油消耗、维护成本、寿命件、可靠性成本(包括返厂大修、外物打伤、空中停车、航班延误及取消)以及备发租赁。 a)资金成本比较

资金成本中,装机发动机及备用发动机的购买,两家公司由于市场竞争都作了较大幅度的让利。

首次航材及工装设备的购买,则涉及到发动机的通用性。以国内某航空公司为例,该公司拥有的CFM56系列发动机为:CFM56-3B/C、

CFM56-5C、CFM56-7B,而CFM56-5B发动机与以上型号发动机有很大的通用性。例如:CFM-5B/P与-3发动机有相同的可调放气阀(VBV)和可调静子叶片(VSV)系统,相同的燃油喷嘴,相同的1号、4号、5号轴承,高压压气机的3级盘,4~9级鼓都相同;-7B 与-5B有相同的核心机,低压涡轮及附件齿轮箱。通用性的优势主要体现在以下几个方面:所有CFM56发动机具有相同的航线维护程序及车间维护程序;相同的航线备件及车间备件;通用及类似的工具;通用的运输底架-不同的托架;类似的发动机手册;相同的支援系统及人员;类似的排故程序;类似的修理程序。

b)运营成本比较

资金成本作为一个相对固定的指数,对发动机拥有成本的影响有限,而运营成本则体现在飞机投入使用之后,对航空公司的利益影响深远。发动机的运营成本重点体现了发动机的经济性。V2500最先采用全数字控制的发动机之一,燃油消耗率非常低。例如,在一架典型的A321飞机的运营中,V2500可比竞争者减少4%的燃油,相当于每年每架飞机可节省5500桶的燃油。V2500采用碳环封严,而CFM56-5B采用气封严,在发动机低速时性能不好,特别是在起动和冷转时,所以滑油消耗量偏大。

通过以上比较,可以看到两型发动机各有优势,在可靠性、通用性和担保条款内容涉及方面CFM56-5B占优。V2500-A5发动机在EGT裕度控制、燃油消耗率、滑油消耗率和环境污染方面具有优势。

但是V2500-A5发动机共有25个寿命件(LLP),而CFM56-5B

发动机只有18个寿命件,这无疑会增加V2500-A5发动机的修理费用和每循次LLP的费用。同时航空公司在选择发动机的时候还会考虑到其通用性,也就是该型发动机在本公司的使用历史,以减少人员培训时间及费用,减少岗位设置,降低管理费用。

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EGT影响因素分析及提高EGT裕度的措施

Analysis of EGT and Measures to Increase the EGTM argin

贺尔铭宋力涛

随着发动机可靠性及其维护手段的提高,世界各大航空公司目前都采用视情维修方式来代替以往发动机的定期维修。实现发动机视情维修的基础是对发动机的主要性能参数进行实时监控,而最能反映航空发动机运行状况的性能参数当属排气温度EGT。

EGT超温现象是发动机外场维护中的常见故障,且原因复杂、危害较大,给排故工作带来了较大难度。因此,对影响EGT的各主要因素进行深入分析和研究,归纳出降低排气温度、提高EGT裕度的技术措施和工作步骤,对提高发动机性能、延长发动机使用寿命、增加飞机飞行的安全性等具有较高的实用价值。

EGT影响因素分析

本文所指的排气温度为低压涡轮出口处的温度(T*4),由周向均布安装在低压涡轮排气机匣上的4~6个热电偶探头测量,各热电偶的引出线并接在一起,给出的EGT为一个平均温度,可以防止因探头位置差异及个别探头失效导致的误信号。影响发动机排气温度的因素太多,可归纳为以下5点:

(1)核心机气路的原因。指气流通过压气机、燃烧室及涡轮时,由于个别单元体的效率下降,或者由于整个核心机随使用时间增加而导致效率下降,从而引起排气温度升高。

压气机效率下降,使通过压气机的空气流量减少,导致推力下降。为满足推力要求,就需增大耗油量,直接导致EGT升高。压气机的效率损失主要表现为:

●叶型损失,包括附面层内气体摩擦损失和分离损失、尾迹损失、尾迹区与主流区的掺混损失及激波损失等,主要受叶型改变(如叶片损伤)及叶片表面光洁度的影响;

●级间损失,主要由后面级向前面级的倒流所致;

●叶端损失,主要由于径向间隙过大导致叶端区的倒流及潜流损失。

燃烧室富油燃烧(油气比f>0.068时)会直接导致EGT升高。如油门杆位置误差或供油系统故障导致富油;喷嘴或旋流器有积炭致使局部富油;燃烧室外形变形使冷却不均的局部富油;以及外来物损伤叶片、压气机喘振、放气活门未能关闭等空气流量下降形成富油燃烧等等,都会使EGT升高。

涡轮的效率损失与压气机类似,仅漏气损失与压气机不同。因涡轮进口压力高于出口压力,气流从径向间隙中流过没有产生轮缘功,致使涡轮效率下降,因此控制间隙、确保封严是减少涡轮损失的关键。

(2)燃油系统的原因。由于燃油系统故障,如喷嘴安装位置误差或积炭致使雾化不良造成局部超温;燃油计量装置故障使EEC感受错误信息致使油量增大等等都可造成EGT超温或局部超温现象。

(3)故障方面原因。指发动机处于故障状态工作时引起的EGT超温,比如鸟撞或外来物致叶片损失、起飞滑跑时发生喘振、起动过程中提早关闭放气活门或不该打开时打开放气活门等都可能使EGT超温。

(4)人为因素致EGT超温。实践证明,发动机起动超温大多数是人为原因造成的。如机组人员违反操作规程使油门杆推动过快引发EGT超温;维护人员的漏操作也可能使EGT超温。例如,1998年8月13日,一架中国国际航空公司的B2552上JT9D-7R4E发动机在9000m高空发生喘振,导致 EGT超温20℃,关机落地后经检查发现,故障原因是由于维护人员忘打保险,致使3.0放气活门操作臂上一螺栓脱落,防喘不起作用引起EGT超温,这是一起典型的人为造成的EGT超温案例。

(5)外界环境变化引起EGT超温。如高海拔低气压地区,严寒条件下起动,或空气中水分、盐分及微尘含量过高等,要么起动缓慢,涡轮负荷加大,或形成富油燃烧,或使叶片腐蚀和封严破坏致核心机效率下降等都会使排气温度升高。

提高EGT裕度的措施研究EGT的影响因素是为了提高EGT的裕度,从而延长发动机的使用寿命提高其经济性。EGT裕度定义为红线温度与全功率时排气温度EGT之差值,所以提高EGT裕度可以从这两方面入手。

红线温度的制定是根据涡轮部件材料所能承受的温度负荷而确定的,各发动机生产厂家都给出了这一允许值。生产厂家可以选择新型耐高温材料制造涡轮部件或采用更为有效的冷却系统,使红线温度上升,从而在使用条件不变的情况下提高EGT裕度。也可采用耐高温涂层或更合理的气路油路设计,使发动机能长时间地高效工作来提高EGT裕度。

作为发动机用户的各航空公司主要采用降低排气温度的方法来提高EGT裕度,目前能有效降低EGT温度的措施有下面5个方面:

1.高压涡轮主动间隙控制技术

由前面分析可知,压气机或涡轮的动叶叶尖径向间隙是影响单元体效率及EGT的重要因素之一,如何使径向间隙能始终处于最佳位置,是 80年代发展起来的“高压涡轮主动间隙控制技术”所解决的问题。这是一种在涡轮机匣上设有环腔,并在环腔中通以可控温度的气体,从而保证机匣和动叶尖部在不同飞行条件下和发动机不同运行工况下,均有最佳间隙及最高效率。CFM56-3发动机采用此技术彻底改变了冷发动机起飞时高压涡轮间隙过大的问题,降低起飞EGT 超调值达15℃,这对提高发动机性能,延长寿命意义重大。

2.减功率起飞

根据飞机的负载及其他情况,在一般大气温度下采用热天(43℃3)起飞推力起飞,可使涡轮前总温T*下降、延长热部件寿命。如在15℃时按43℃3起飞推力起飞,可使不同发动机的T*下降约40~45℃,而T*每下降22℃3可使热端部件寿命延长一倍,同时T*下降可直接使EGT 下降,从而大大增加EGT裕度,这项措施有较高的实用价值。

3.发动机冲洗

通过对发动机进气道、风扇叶片及整个核心机气路用一定压力的水(或溶剂)冲洗,一般可获5~10℃的EGT裕度,个别可达15℃之多。此法简单省时收效快,是维护手册中唯一推荐的延长机上发动机使用寿命的航线维护方法。尤其对机群航线分布在沿海地区或多沙尘地区的发动机,此法效果显著。但是,当每次清洗获得的EGT裕度过小时就不应再用此法。虽然每次清洗后都要及时试车、排水,还是会引起部件生锈、腐蚀等副作用。

4.风扇叶片及防磨带检查

目前常用涡扇发动机风扇产生推力占总推力的80%左右,一旦风扇效率下降对推力影响较大,且直接影响到燃油消耗率和EGT。因此,加强对风扇叶片及防磨带检查,可提高风扇效率从而降低排气温度。

5.大修中EGT裕度改进

当发动机大修时,根据各单元体对EGT影响程度的不同,可分别制订不同的维修方案,采用重点部件重点维修,一般也可获得20~35℃的EGT裕度改善。

结束语

EGT是发动机性能参数中最为重要的一个,通过对其分析,可监控、预测发动机运行状态,对快速排故有很大帮助。应对发动机建立故障档案,并进行追踪分析,才能提出最为有效的改进和预防措施来提高EGT裕度、提高发动机的利用率和可靠性,使之产生更大的经济价值和社会价值。□

作者及单位:

贺尔铭西北工业大学

宋力涛北京飞机维修工程公司

排气温度(EGT, Exhaust Gas Temperatures)裕度是现代民用涡扇发动机在使用和维护中一个十分重要的性能参数.EGT裕度的大小从多方面影响着发动机使用和航空公司营运的经济性.据资料表明,CFM56-3系列发动机的EGT裕度每下降10℃,发动机的燃油消耗率将增加1%;为防止发动机超温,航空公司经常安排EGT裕度较小的发动机飞起飞不超温的航线,或者限制该发动机的使用季节,或者减小飞机起飞重量;对于在翼发动机,EGT裕度衰退快,使发动机的大修率增加,备份数量以及每次大修费用都增加.另外,发动机EGT裕度衰退快,发动机在使用过程中出现事故的可能性也会增加,对航班的正点率和飞行安全也会造成影响.

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