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LEAP-1A发动机燃油喷嘴设计缺陷及在翼解决措施

2024年1月1日发(作者：acne studios什么档次)

作者：梁勇孙军军

来源：《航空维修与工程》2021年第11期

摘要：本文介绍了LEAP-1A发动机燃油喷嘴的设计缺陷，分析了故障特点、原因，提出了解决措施及技术展望。

关键词：LEAP-1A发动机；燃油喷嘴；解决措施

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

0 引言

LEAP-1A型发动机由CFMI公司生产的新型民用航空发动机。从2016年投入商业运营至2021年7月已生产了2123台，装备于965架A320neo飞机。该型发动机与其同型号发动机（-1B、-1C）是下一个十年世界民用航空机队的主力发动机。

LEAP-1A型发动机在设计过程中，CFMI公司的母公司美国GE公司和法国赛峰公司投入了大量先进技术，使其相比CFM56型发动机在工作效率、燃油耗量、安全性以及改善碳排放、NOx排放量等方面都有显著提高，但由于过度强调节油性，该型发动机的燃油喷嘴存在重大设计缺陷。本文介绍了LEAP-1A型燃油喷嘴的结构，分析了设计缺陷的原因，介绍目前厂家给出的在翼解决方案，并提出改进思路，为设计、维护该类型发动机提供借鉴。

1 燃油喷嘴简介

LEAP-1A型发动机燃油喷嘴是3D打印构件，每台发动机有19个喷嘴，均布在燃烧室机匣前端。与传统机加方法生产的燃油喷嘴相比结构更复杂，重量更轻（见图1）。

燃油喷嘴有两个进油口，其中与燃油次级总管相连的是喷嘴副值班油路（fuel pilot

secondary circuit），与燃油主级总管相连的进油口在喷嘴内部分为喷嘴主油路（fuel main

circuit）和主值班油路（fuel pilot primary circuit），副值班油路和主油路内有单向活门（check

valve）和流量活门（flow divider valve）（见图2）。

受电子发动机控制组件（EEC）的控制，燃油喷嘴在不同的工作状态下有不同的工作油路和供油量，慢车、滑行、下降时，主油路不工作，主值班油路、副值班油路中供油量；起飞、

爬升、巡航、反推工作时，主油路高供油量，主值班油路、副值班油路低供油量；进近时，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 燃油喷嘴主要故障

燃油喷嘴发生故障的原因包括：设计上油路狭小，工作不连续；工作在高温高压区域；未考虑不同油品对油路的影响等。最典型的故障表现是燃油喷嘴油路内部的燃油高温结焦，结焦后的污染物堵塞油路或造成活门卡死。

2.1 主油路堵塞

燃油结焦后将堵塞部分燃油喷嘴的主油路，为达到发动机所需目标功率，其他未堵塞的燃油喷嘴供油量增大，对应的高压涡轮静子叶片局部高温烧蚀，损坏脱离，打伤下游叶片，严重时将导致发动机空中停车（已造成一起空停）。

另外，主油路堵塞后，喷嘴前燃油压力增大，该压力会使燃油泵在高功率时旁通，导致潜在的燃烧室熄火。

2.2 流量活门卡阻

燃油结焦后将流量活门卡阻在打开位，低功率时，超量的燃油流量喷出，对应的高压涡轮静子叶片局部高温烧蚀，损坏脱离，打伤下游叶片，严重时导致发动机空中停车（已造成一起空停和一起N1转子高振动返航）。

2.3 单向活门卡阻

燃油结焦后将单向活门卡阻在打开位。低功率时，超量的燃油流量喷出，其对应的高压涡轮静子叶片局部高温烧蚀。

由于单向活门结焦卡阻，某航司已出现一起发动机关车后尾喷口区域发现明火的情况。原因为：发动机关车后，单向活门应处于关闭位，但由于活门结焦卡阻，导致发动机关车后活门未完全关闭，残留在供油管路中的燃油继续经过燃油喷嘴流向燃烧室，当达到适合的油气比并遇到热回浸（发动机关车后燃烧室散热形式之一）所致的部件局部高温时，造成燃烧室内部形成局部明火，随着空气流动到发动机后部，在尾喷区域出现明火。

2.4 主值班油路堵塞

燃油结焦堵塞喷嘴主值班油路后，对于低EGT裕度的发动机，在高外界温度时会发生热起动或起动悬挂。

2.5 副值班油路堵塞

燃油结焦堵塞喷嘴副值班油路后，发动机加速时，喷嘴前压力增长会使燃油泵旁通，导致潜在的熄火或悬挂。

2.6 后隔热屏损坏

燃油喷嘴后隔热屏（AHS）为陶瓷涂层结构，由于热腐蚀以及涂层和结构强度原因，损伤形式主要为径向裂纹、周向裂纹、涂层剥离、氧化、热变形等（见图3）。

损伤超过极限后，会发生掉块、漏气等严重安全问题。

3 燃油喷嘴堵塞原因分析

燃油喷嘴堵塞的原因是发动机关车后残留在燃油喷嘴中的燃油受高温烘烤结焦造成喷嘴堵塞。每個循环的结焦率与发动机关车后的温度有关。从宏观方面统计目前影响喷嘴结焦的因素有以下几方面。

3.1 燃油属性

世界机队数据表明，不同地区或不同的细分区域的燃油属性不同，结焦率和结焦模式也不同。欧洲区用户在所有模式下的结焦率都很低，北美用户主油路堵塞快于其他地区，亚洲区的一个小细分区的活门卡阻率很高。世界机队普遍存在因主值班油路堵塞而更换整套燃油喷嘴的情况。

3.2 停场时间

发动机关车后，大概有30min的时间发动机温度高于结焦温度，热回浸时间甚至在发动机关车后几小时仍然存在。停场时间越长（如每天最后一个航后），高温时间越长，积炭生成越多；停场时间越短（如45min的短停），积炭生成越少。

3.3 环境温度

环境温度越高，发动机冷却时间越长，停留在结焦温度的时间就越长，积炭生成越多，这也是南方的喷嘴更换率高于北方的主要原因。

3.4 航段影响

积炭是在发动机关车后生成的，航段的长短对积炭影响不大，但长航段通常对应长的短停时间，会有更多结焦，不过长航段每日的飞行总时长一般较短，因此如按日历日计算，结焦时长短。

3.5 发动机关车前的温度情况

发动机关车前，慢车时间长，可以保持发动机的热稳定性，有助于降低积碳生成率。

综上，燃油喷嘴结焦率主要与高温时间有关，上述因素虽都能影响结焦率，但无法判断哪种因素起主要作用。

4 生产厂家的解决措施

对于燃油喷嘴结焦问题，CFMI公司认为目前最重要的措施是及时发现是否有燃油喷嘴堵塞，并在情况没有进一步恶化前采取措施。

4.1 监控排气温度（EGT）差值

LEAP-1A发动机有8个排气温度（EGT）探头，可以测量发动机局部排气温度（见图4）。将各探头的EGT值进行差值运算，如果在一定的时间间隔内出现差值超过门限值的情况，则表明有燃油喷嘴堵塞，需要在规定的期限内采取措施。

EGT值记录在ACMS巡航报文和起动报文中，生成后会自动上传至CFMI网站，由后台程序进行处理。CFMI公司安排了专门的性能工程师监控数据，向客户发出报警。

为了保障故障判断的及时性，CFMI对数据上传有完整度要求，如果因设备问题无法及时上传数据，需要人工下载数据或硬时限更换燃油喷嘴。

4.2 在翼洗涤剂清洗燃油喷嘴

2018年CFMI公司推出在翼洗涤剂清洗，用专门的清洁设备将特殊洗涤剂喷入燃油喷嘴中，浸泡一段时间后用水清洁。清洁后测试证明对主油路有效，但对值班主油路无效或效果不明显。目前CFMI已放弃该项研究。

4.3 在翼高压热空气清洁

2018年CFMI公司还推出了高压热空气清洁法，将热空气流从燃油喷嘴前端吹入，将堵塞值班主油路喷油口的积炭吹出喷嘴，结果表明清洁效果不好。目前CFMI已放弃该项研究。

4.4 整套燃油喷嘴更换

对于有结焦情况的燃油喷嘴，CFMI公司目前采用的办法是发给客户通知信函（CNR），客户根据CNR的推荐期限更换整套燃油喷嘴。

该方法简单有效，但工作量大，需要拆装的部件多，工时长，飞机停场时间长，容易发生人为原因的不安全事件（已发生与燃油喷嘴更换相关的空停）。

4.5 停机位干冷转

CFMI公司在2019年开展了停机位干冷转的试验：每天至少一次，飞机停稳后干冷转至少120min，对减缓燃油喷嘴结焦有一定益处，但由于停机位长时间干冷转涉及到机位、运营、人员安排等复杂问题，后续没有航空公司采纳。

4.6 定期放燃油箱沉淀

CFMI公司认为航空公司油品杂质不同，燃油喷嘴结焦的程度也不同，因此定期放出燃油箱中的杂质沉淀可以有效减缓喷嘴结焦。

2019年CFMI在部分航空公司开展至少每36h放一次油箱沉淀的试验。试验证明该方法对减缓燃油喷嘴结焦有一定益处，但效果不明显。该措施已经停止推进。

4.7 关车后通风冷却燃油喷嘴

CFMI公司通过研究发现，燃油喷嘴内部结焦的原因有两种：

1）飞行中，不工作的油路内部残留燃油遇高温焦结；

2）发动机关车后，高温的大型结构件热量传导至燃油喷嘴，使其内部残留的燃油遇高温焦结。

试验数据证实，发动机关车5min后，燃油喷嘴温度开始上升；30min后，升至结焦温度，开始焦结（见图5）。

基于上述研究，CFMI计划推出在翼关车后通风冷却燃油喷嘴系统的措施（见图6）。

该系统由连接风扇外涵出口的冷却管、风扇、单向活门、引气管等组成，发动机停车后开启风扇，将外涵空气通过管路引入扩散机匣，吹向燃油喷嘴，给喷嘴降温。该系统工作长达1h以上，使燃油喷嘴温度始终处于结焦温度以下（见图7）。

目前，该系统已完成在翼试验阶段，计划于2022年年中推出。

4.8 采用新型后涂層的燃油喷嘴

为解决后涂层早期脱落问题，CFMI公司推出新型G05喷嘴。该喷嘴改进了涂层材料，使涂层具有更好的热应变能力；增加了涂层材料厚度，以降低燃耗率；减少了轴向温度梯度，增加了热循环寿命；改进了喷嘴局部结构形状，减少了部件热应力集中（见图8）。

新型喷嘴目前尚未正式推广，仅在部分机队在翼测试。

5 解决措施

航空公司面临的压力包括因燃油喷嘴结焦导致的延误、空停的风险，以及更换燃油喷嘴可能发生的人为不安全事件，因此提出以下解决措施。

1）重点发动机重点管控

航空公司性能监控工程师应每日监控发动机监控数据，尤其是对于EGT温差较大的发动机应重点监控。可利用现有的计算机技术设置高于厂家标准的门限值，以监控发动机的健康状况。如已达到CFMI公司规定的门限值但仍未收到CNR，可主动询问厂家原因，避免遗漏。

2）空地交流避免恶性延误

燃油喷嘴主副值班油路堵塞都可能造成起动不成功、起动悬挂、起动超温、慢车熄火等故障。工程师应利用空地交流的机会，向空勤人员介绍故障现象和故障原因。对于判断符合油路堵塞造成故障的情况，可采用重新尝试起动、交输引气起动方式起动发动机，避免因长时间排故造成恶性延误。