CFM56-3發動機N2轉速管理系統原理

陳俊逸

深圳航空有限責任公司維修工程部，深圳 518128

CFM56-3發動機N2轉速管理系統原理

陳俊逸

深圳航空有限責任公司維修工程部，深圳 518128

CFM56-3系列發動機是由美國通用電氣公司（GE）和法國國營航空發動機研制公司（SNECMA）組成的國際公司（CFMI）研制生產的為波音B737-300/400/500型航空器翼吊發動機；其N2轉速管理系統為飛機提供精確的燃油控制功能以防止發動機超速及失速情況的發生。N2轉速管理系統主要通過接受發動機的核心轉子轉速（N2）和動力角（PLA）來控制燃油流量使發動機實際轉速與目標轉速相符。

N2轉速管理系統；燃油計量活門FMV；核心轉子轉速N2；伺服活塞作動筒；伺服活塞作動筒流量控制閥；離心飛重；蓄能彈簧

N2 speed governing system；fuel metering valve；the physical core speed (N2)；governor servo piston；limit pilot valve；governor flyweight；governor restoring spring

引言

根據發動機原理可知，發動機N2和N1轉子的轉速分別取決于高低壓渦輪提供的渦輪功及N2和N1轉子需要的壓氣機功。若渦輪提供的渦輪功大于壓氣機當時轉速下所需要的壓氣機功，那么轉速會上升，直到壓氣機所消耗的壓氣機功等于渦輪所提供的渦輪功。此時，轉子將穩定在這一較高的新轉速下穩定工作，這就是發動機的穩態。同理當渦輪提供的渦輪功低于該轉速下壓氣機所需要的壓氣機功，轉速將下降，直到壓氣機所消耗的壓氣機功等于渦輪所提供的渦輪功。此時，轉子將穩定在這一較低的新轉速下。

既然已經知道了轉速改變的根本原因，即渦輪功與壓氣機功大小，那么又是什么決定了渦輪功和壓氣機功的大小呢？在此，將對此作簡要分析。壓氣機轉動，對進入發動機的氣體進行壓縮，以提高燃燒效率，這勢必會消耗功，這部分功正是由渦輪提供的。壓氣機消耗功的大小取決于壓氣機的轉速和進口氣流的參數，如流量、壓力和溫度。而渦輪提供的功取決于發動機供油量。正常情況下，壓氣機所消耗的壓氣機功是不會突然改變的，因為大氣參數較穩定。因此，可以通過改變發動機供油量，控制渦輪提供的渦輪功的大小，從而改變發動機轉速，繼而改變推力，實現對發動機的基本控制。而CFM56-3系列發動機流進燃燒室的燃油流量由FMV（燃油計量活門）控制，其流過的燃油總量決定了發動機的實際推力同時也決定了核心轉子的轉速（N2）。燃油計量活門根據目標值的需要通過一個液壓機械連接的伺服活塞作動筒驅動旋轉控制燃油口的流量大小；而伺服活塞作動筒的延伸或縮進是由N2轉速管理器控制的。在N2轉速管理控制器中的活塞流量控制閥將根據CIT（壓氣機進氣溫度）、CBP（壓氣機引氣壓力）、CDP（壓氣機排氣壓力）、可調靜子葉片位置反饋及可調放氣活門位置反饋所給定的彈簧壓力與離心飛重的作用力調節內部閥門的移動；從而確定伺服油量流進或流出伺服活塞作動筒桶。根據發動機設定的核心轉子目標轉速與實際轉速的比較將N2轉速管理器里的活塞流量控制閥工作狀態分為：等速、超速及欠速三種情況。

N2轉速管理系統通過與核心轉子機械連接的離心飛重間接獲得核心轉子的轉速N2；其離心力通過機械機構轉換為活塞流量控制閥芯向上的作用力。蓄能彈簧根據各種選定的參數：PLA（動力角）、地面慢車、PS12（風扇進氣壓力）、空中慢車、FIT（環境溫度）及力矩馬達對活塞流量控制閥芯施加了一個向下的反作用力。N2轉速管理系統通過比較發動機的實際轉速與目標轉速來確定活塞流量控制閥門的閥芯位置。

等速狀態時，發動機的實際轉速與目標設定轉速相等；離心飛重作用在活塞流量控制閥門向上的作用力與蓄能彈簧提供的反作用力達到平衡，閥芯在停留在“零位”，伺服活塞作動筒內的活塞靜止不動，燃油計量活門保持均衡油量輸出，見圖1。

圖1

超速狀態時，發動機的實際轉速大于目標設定轉速；活塞流量控制閥門失去“零位”狀態。離心飛重在離心力的作用下向外擴伸，并將離心力轉換為活塞流量控制閥門向上的作用力同時克服蓄能彈簧的作用力使閥芯向上移動，打開回油油路使伺服活塞作動筒回油縮進，燃油計量活門依靠自身復位彈簧的作用順時針旋轉減少活門開口大小，從而減少供油量使發動機的實際轉速下降至目標值使閥芯重新達到平衡，見圖2。

圖2

欠速狀態時，發動機的實際轉速小于目標設定轉速；離心飛重的離心作用力小于蓄能彈簧的作用力。活塞流量控制閥門的閥芯在蓄能彈簧的作用下向下移動打開壓力油路，壓力油流進伺服活塞作動筒驅動活塞伸出并克服燃油計量活門內復位彈簧的作用力而逆時針旋轉使計量活門開度增大；從而增大供油量使發動機轉速增加直至與目標轉速平衡，活塞流量控制閥門重新達到“零位”，見圖3。

圖3

N2轉速管理系統在發動機運行的過程中通過接受發動機的核心轉子轉速（N2）和動力角（PLA）來提供精確的燃油流量控制，從而使發動機實際轉速與目標轉速相符；是防止發動機失速、超速及低燃油流量安全飛行的關鍵系統。

結論

如圖4MEC內部的主體結構如圖中的虛線框所示。燃油調節器，簡稱燃調，是供油量大小的最終決定部件。它由調節器伺服活塞驅動，而伺服活塞由調節器分油活門控制，控制著它的運動方向。向左和向右運動即對應著供油量的增大和減小。分油活門又與離心飛重機械相連，離心飛重由N2轉子帶動，并被轉速給定彈簧壓緊。離心飛重的運動方向由離心力和彈簧力的大小決定。在穩態，離心力與彈簧力相等，離心飛重保持不動，此時與之相連的分油活門也處于中立位，不會改變供油量。當轉速增加時，離心飛重受到的離心力變大，原先給定的彈簧力小于離心力，故飛重將向上運動，同時帶動了分油活門向上運動。分油活門一旦向上運動，就會打開減速油路，使伺服活塞向左運動，讓燃油調節器減小供油量。由于供油量的減小，轉速不然下降。當轉速下降到原來的數值時，飛重的離心力又與原先給定的彈簧力相等，離心飛重和分油活門都回到中立位。給定彈簧與油門桿機械連接，駕駛員操作油門桿到一定角度時，就對應地給彈簧設定了一個彈簧力。當飛重的離心力增大到這一給定值時就會穩定在給定的轉速下工作。因此，MEC不僅能夠控制發動機的轉速，還能穩定發動機的轉速，對偏差進行糾正。

圖4

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The principle of the N2 Speed Governing System to the CFM56-3 series engine

Chen Jun Yi

Department of Aerocraft Repair Engineering ,Shenzhen Airlines ,ShenZhen 518128

The CFM56-3 series engine is designed for the Boeing B737-300/400/500 aircraft as wing hoisting engine by the CFMI. The N2 speed governing system provides the correct amount of fuel to the engine for operation under different operating conditions. It protects the engine from stalling or over speeding. The N2 speed governing system senses the physical core speed (N2) and the power lever angle (PLA) and adjusts the fuel flow that is necessary to maintain the desired speed setting established by the PLA.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.09.064