淺析CFM56—3發動機的防喘措施及常見故障

徐剛

摘 要：隨著航空技術的不斷發展，航空發動機的性能和可靠性也在不斷的改善和提高，但壓氣機喘振時常發生，對飛行安全造成極大威脅，同時，也造成了巨大的經濟損失。該文主要針對壓氣機喘振進行分析和討論，結合CFM56-3發動機，對其防喘機構的典型故障進行了分析，并給出了典型故障的維護建議。

關鍵詞：喘振 CFM56-3發動機 防喘機構 故障分析

中圖分類號：V263 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（b）-0047-02

發動機喘振故障時常發生，據統計，每年喘振故障發生大約60起，對壓氣機及發動機的工作具有很大危害性，造成了極大的經濟損失。

1 壓氣機喘振的根本原因

壓氣機喘振的根本原因是氣流分離而導致的氣流攻角過大，這種分離是由于壓氣機工作狀態嚴重偏離了設計工作狀態而引起的。因此，分析喘振的形成過程，應從分析氣流分離入手。

氣體流過壓氣機葉柵時，是否會發生分離？氣流分離后，是否會繼續發展？這要由氣流進入葉輪時的相對速度W①的方向而定，而相對速度的方向取決于工作葉輪進口處的絕對速度在發動機軸線上的分量C①a和工作葉輪旋轉的切向速度u的比值，這個比值叫做流量系數，用D表示，即：

根據相關實驗可知，當流量系數大于或小于設計值時，在渦輪發動機壓氣機進口處會產生氣流分離現象，但是流量系數過大所形成的渦流區不易于繼續擴大，而流量系數過小時所形成的渦流區則會繼續擴大，從而在葉輪旋轉的作用下，產生強烈的分離，引起喘振。

2 CFM56-3發動機的工作狀態和防喘措施

（1）發動機的工作狀態

在CFM56-3發動機啟動或者加減速瞬態工作期間，發動機容易發生喘振。

在發動機加速過猛時，多噴燃油，高壓渦輪前燃氣溫度升高，由于低壓轉子慣性矩較大，高壓轉子慣性矩比較小，所以低壓轉子轉速增加較慢，高壓轉子轉速增大較快，因此高壓轉子的流量系數減小較多，因此高壓壓氣機很有可能首先進入喘振區；

當發動機減速過猛時，少噴燃油，一方面，壓氣機前后各級的圓周速度均要減?。涣硪环矫?，還要引起壓氣機增壓比減小。壓氣機增壓比減小，對各級軸向速度有兩個影響：一是空氣流量減小，使各級軸向速度減??；二是從壓氣機第一級開始氣流軸向速度要逐級增大。這樣，壓氣機的第一級的軸向速度減小，以后又逐級增大，從而前面幾級氣流軸向速度減小，后面幾級氣流軸向速度增大。

由于發動機的空氣流量大致與增壓比成正比，也就是說壓氣機增壓比的迅速降低，導致了空氣流量也迅速減小，氣流軸向速度的迅速減小，流量系數迅速減少，此外，有詳細計算表明，發動機的空氣流量減小的程度比轉速減小的程度要大一些。因此，壓氣機第一級的軸向速度比圓周速度下降的要快，流量系數減小，使葉輪進口處氣流相對速度W1的方向變陡。由于氣流軸向速度要逐級增大，到中間某一級時，軸向速度與圓周速度下降的程度相同，流量系數正好等于設計值，相對速度W1的方向保持不變。到后面幾級，軸向速度比圓周速度下降得慢，于是流量系數大于設計值，相對速度W1的方向變平。

從上面的分析中可以看出，當發動機減速過猛，轉速下降偏離設計值過多時，壓氣機前幾級因相對速度方向變得過陡而進入喘振狀態；后幾級則因相對速度變得過平而進入“渦輪”狀態，即通常所說的“前喘后渦”。

（2）發動機的防喘措施

為了防止發動機喘振，在發動機啟動或者加減速瞬態工作期間，CFM56-3常用的方法是采用VBV以及VSV。

當發動機轉速降低時，防喘放氣機構使VBV打開，部分壓縮空氣沿放氣活門流出，相當于在壓氣機的通道中多開了一條通路，有效減小了壓氣機空氣通路的阻力，壓氣機進口空氣流量得以顯著增加，所以前級壓氣機氣流的軸向速度C①a和流量系數D便可顯著增大，從而避免了壓氣機前級喘振狀態；同時壓氣機后級空氣流量由于放氣分流而減小，氣流的軸向速度減小，從而使壓氣機后級流量系數回落，使壓氣機后級避免堵塞狀態。

VSV通過減小進氣流攻角使喘振線移動，在低攻角下喘振發生于較低的流量系數值。VSV通過調整葉片位置，從而調整氣流攻角，可以使得同樣的進口相對氣流攻角發生在較低的軸向速度值。這意味著失速攻角將發生在較低的質量流量或較低的流量系數。

總而言之，VBV與VSV的共同點是防止喘振擴大發動機穩定工作范圍，提高發動機性能。它們的不同點則是VSV通過改變氣流攻角來實現，VBV通過改變壓差來實現。VSV與VBV協調工作，從而使得發動機獲得較寬的穩定工作范圍。

3 故障分析

根據CFM56-3發動機在使用中常見的故障，進行分析。

（1）作動機構發生卡阻

某航空公司一架飛機航后飛行員反映飛行中聽到右發放炮聲。維護人員打開發動機檢查，發現九點半鐘位置，一根連接VBV活門的柔性軸絞斷，檢查VBV活門有卡阻現象，對發動機做內窺鏡檢查未見異常，于是更換VBV活門以及柔性軸，故障排除。

VBV活門發生卡阻，造成柔性軸絞斷，使一半VBV活門不能關閉或者打開。

在發動機增推力時，壓縮空氣從VBV活門溢到外涵道，氣流量偏小，使高壓壓氣機的工作葉輪進口處絕對速度在發動機軸向分量偏小，由公式D=C①a/u可知，流量系數偏小，氣流攻角變大，氣流在葉背處發生分離，當這種氣流分離嚴重擴展至整個葉柵通道時候，將使高壓壓氣機發生喘振。

在減推力時，多余的壓縮氣流不能全部排出核心機，通過高壓壓氣機的氣流量偏大，使工作葉輪進口處絕對速度在發動機軸向分量上升，由公式D=C①a/u可知，流量系數偏大，氣流在葉盆處發生分離，使葉片通道變小，從而造成渦輪狀態，出現喉道而發生堵塞，從而使低壓壓氣機的氣流量減小，造成低壓壓氣機的攻角變大，使氣流在葉背處發生分離，當這種氣流分離嚴重擴展至整個葉柵通道時候，將發生喘振。endprint

（2）作動筒發生漏油

某航空公司機隊中，VSV作動筒以及VBV作動筒均發生過漏油，并導致多次航班延誤或者取消，影響到公司聲譽和盈利。

①VSV作動筒發生漏油，將會導致VSV處在不正確的位置。

在發動機增推力時候，由于VSV作動筒漏油，VSV偏關，VBV偏開，氣流量偏小，使高壓壓氣機的工作葉輪進口處絕對速度在發動機軸向分量偏小，由公式D=C①a/u可知，流量系數偏小，氣流攻角變大，氣流在葉背處發生分離，當這種氣流分離嚴重擴展至整個葉柵通道時候，將使高壓壓氣機發生喘振。

在發動機減推力時候，由于VSV作動筒漏油，VSV偏開，VBV偏關，氣流量偏大，使工作葉輪進口處絕對速度在發動機軸向分量上升，由公式D=C①a/u可知，流量系數偏大，氣流在葉盆處發生分離，使葉片通道變小，從而造成渦輪狀態，出現喉道而發生堵塞，從而使低壓壓氣機的氣流量減小，造成低壓壓氣機的攻角變大，使氣流在葉背處發生分離，當這種氣流分離嚴重擴展至整個葉柵通道時候，將發生喘振。

②VBV作動筒發生漏油，將會導致VBV處于不正確的狀態。

在發動機增推力時候，由于VBV作動筒漏油，VBV偏開，壓縮氣體溢流到外涵，氣流量偏小，使高壓壓氣機的工作葉輪進口處絕對速度在發動機軸向分量偏小，由公式D=C①a/u可知，流量系數偏小，氣流攻角變大，氣流在葉背處發生分離，當這種氣流分離嚴重擴展至整個葉柵通道時候，將使高壓壓氣機發生喘振。

在發動機減推力時候，由于VBV作動筒漏油，VBV偏關，進入內涵的氣體偏多，氣流量偏大，由公式D=C①a/u可知，流量系數偏大，氣流在葉盆處發生分離，使葉片通道變小，從而造成渦輪狀態，出現喉道而發生堵塞，從而使低壓壓氣機的氣流量減小，造成低壓壓氣機的攻角變大，使氣流在葉背處發生分離，當這種氣流分離嚴重擴展至整個葉柵通道時候，將發生喘振。

（3）VBV反饋鋼索阻力檢查不正確

VBV反饋鋼索阻力檢查的作用是保證必要的力以移動VBV反饋鋼索并不超過一個特定的限制。當VBV反饋鋼索阻力檢查不正確，將會使VBV反饋不正確，或者偏大或者偏小。當反饋偏大時候，將會使VBV偏關，會引起氣流量偏大，使工作葉輪進口處絕對速度在發動機軸向分量上升，由公式D=C①a/u可知，流量系數偏大，氣流在葉盆處發生分離，使葉片通道變小，從而造成渦輪狀態，從而使后面幾級的氣流量減小，造成后面幾級的攻角變大，使氣流在葉背處發生分離，當這種氣流分離嚴重擴展至整個葉柵通道時候，將發生喘振。

當反饋偏小的時候，將會使VBV偏開，造成啟動和加速慢，一般不會出現喘振。

4 結語

針對防喘措施的典型故障分析，結合典型故障的影響因素，提出維護工作建議如下：

（1）對于CFM56-3發動機來說，VBV、VSV作動筒漏油是常見故障，針對該故障，飛機維修人員在檢查工作中應加強監控發動機燃油排放桅桿上是否掛有燃油，如果有泄漏燃油，必要時候隔離漏油部件，及時更換，減少航班延誤。此外，對于發動機左右風扇包皮接縫處的燃油更要小心，這極有可能是發動機風扇區域燃油管路發生破裂導致的。

（2）CFM56-3防喘機構也經常出現卡阻、實際位置超出范圍、柔性軸絞斷、活門卡死在關閉位或者打開位等故障，針對這些典型故障，建議飛機維護人員將VBV、VSV系統作為常規定期檢查項目，在航線上做VBV、VSV系統相關工作時應該加強對這些系統的檢查，檢查調節所有VBV活門在基準關閉位，檢查VBV止動機構在關閉位，目視檢查VBV活門、VSV活門、活門封嚴以及柔性軸無損壞，使用專用工具從人工轉動VBV、VSV，確信VBV、VSV工作流暢、自如、無卡阻現象。

（3）在進行CFM56-3發動機的防喘機構的安裝作業時，嚴格按照飛機維護手冊，需用專用工具設定止動機構、VBV活門位置，確保止動機構、VBV活門在全關位置。

（4）由于發動機工作時外涵道壓力明顯低于內涵道壓力，因此VBV活門容易出現故障，針對這種情況，維護人員可在地面多次進行操作測試，可能需要反復多次，故障才會再現。

最后，在預防故障過程中，維護人員要按照工卡對飛機進行仔細檢查，并加強對發動機參數的監控，如果發現故障，結合防喘機構的工作原理和功用，分析在檢查調試中出現的工作現象，利用飛機上已有的系統實時監控活門的位置，從易到難，逐步隔離，準確定位故障件，從而縮短排故時間。

參考文獻

[1] 楊燕萍.淺析CFM56-5B發動機的可調放氣活門（VBV）的故障[OL].中國民航維修網，2009.

[2] 敖良忠.CFM56-5B發動機VBV系統故障分析[J].中國民航飛行學院學報，2005，16（5）.endprint

（2）作動筒發生漏油

某航空公司機隊中，VSV作動筒以及VBV作動筒均發生過漏油，并導致多次航班延誤或者取消，影響到公司聲譽和盈利。

①VSV作動筒發生漏油，將會導致VSV處在不正確的位置。

在發動機增推力時候，由于VSV作動筒漏油，VSV偏關，VBV偏開，氣流量偏小，使高壓壓氣機的工作葉輪進口處絕對速度在發動機軸向分量偏小，由公式D=C①a/u可知，流量系數偏小，氣流攻角變大，氣流在葉背處發生分離，當這種氣流分離嚴重擴展至整個葉柵通道時候，將使高壓壓氣機發生喘振。

在發動機減推力時候，由于VSV作動筒漏油，VSV偏開，VBV偏關，氣流量偏大，使工作葉輪進口處絕對速度在發動機軸向分量上升，由公式D=C①a/u可知，流量系數偏大，氣流在葉盆處發生分離，使葉片通道變小，從而造成渦輪狀態，出現喉道而發生堵塞，從而使低壓壓氣機的氣流量減小，造成低壓壓氣機的攻角變大，使氣流在葉背處發生分離，當這種氣流分離嚴重擴展至整個葉柵通道時候，將發生喘振。

②VBV作動筒發生漏油，將會導致VBV處于不正確的狀態。

在發動機增推力時候，由于VBV作動筒漏油，VBV偏開，壓縮氣體溢流到外涵，氣流量偏小，使高壓壓氣機的工作葉輪進口處絕對速度在發動機軸向分量偏小，由公式D=C①a/u可知，流量系數偏小，氣流攻角變大，氣流在葉背處發生分離，當這種氣流分離嚴重擴展至整個葉柵通道時候，將使高壓壓氣機發生喘振。

在發動機減推力時候，由于VBV作動筒漏油，VBV偏關，進入內涵的氣體偏多，氣流量偏大，由公式D=C①a/u可知，流量系數偏大，氣流在葉盆處發生分離，使葉片通道變小，從而造成渦輪狀態，出現喉道而發生堵塞，從而使低壓壓氣機的氣流量減小，造成低壓壓氣機的攻角變大，使氣流在葉背處發生分離，當這種氣流分離嚴重擴展至整個葉柵通道時候，將發生喘振。

（3）VBV反饋鋼索阻力檢查不正確

VBV反饋鋼索阻力檢查的作用是保證必要的力以移動VBV反饋鋼索并不超過一個特定的限制。當VBV反饋鋼索阻力檢查不正確，將會使VBV反饋不正確，或者偏大或者偏小。當反饋偏大時候，將會使VBV偏關，會引起氣流量偏大，使工作葉輪進口處絕對速度在發動機軸向分量上升，由公式D=C①a/u可知，流量系數偏大，氣流在葉盆處發生分離，使葉片通道變小，從而造成渦輪狀態，從而使后面幾級的氣流量減小，造成后面幾級的攻角變大，使氣流在葉背處發生分離，當這種氣流分離嚴重擴展至整個葉柵通道時候，將發生喘振。

當反饋偏小的時候，將會使VBV偏開，造成啟動和加速慢，一般不會出現喘振。

4 結語

針對防喘措施的典型故障分析，結合典型故障的影響因素，提出維護工作建議如下：

（1）對于CFM56-3發動機來說，VBV、VSV作動筒漏油是常見故障，針對該故障，飛機維修人員在檢查工作中應加強監控發動機燃油排放桅桿上是否掛有燃油，如果有泄漏燃油，必要時候隔離漏油部件，及時更換，減少航班延誤。此外，對于發動機左右風扇包皮接縫處的燃油更要小心，這極有可能是發動機風扇區域燃油管路發生破裂導致的。

（2）CFM56-3防喘機構也經常出現卡阻、實際位置超出范圍、柔性軸絞斷、活門卡死在關閉位或者打開位等故障，針對這些典型故障，建議飛機維護人員將VBV、VSV系統作為常規定期檢查項目，在航線上做VBV、VSV系統相關工作時應該加強對這些系統的檢查，檢查調節所有VBV活門在基準關閉位，檢查VBV止動機構在關閉位，目視檢查VBV活門、VSV活門、活門封嚴以及柔性軸無損壞，使用專用工具從人工轉動VBV、VSV，確信VBV、VSV工作流暢、自如、無卡阻現象。

（3）在進行CFM56-3發動機的防喘機構的安裝作業時，嚴格按照飛機維護手冊，需用專用工具設定止動機構、VBV活門位置，確保止動機構、VBV活門在全關位置。

（4）由于發動機工作時外涵道壓力明顯低于內涵道壓力，因此VBV活門容易出現故障，針對這種情況，維護人員可在地面多次進行操作測試，可能需要反復多次，故障才會再現。

最后，在預防故障過程中，維護人員要按照工卡對飛機進行仔細檢查，并加強對發動機參數的監控，如果發現故障，結合防喘機構的工作原理和功用，分析在檢查調試中出現的工作現象，利用飛機上已有的系統實時監控活門的位置，從易到難，逐步隔離，準確定位故障件，從而縮短排故時間。

參考文獻

[1] 楊燕萍.淺析CFM56-5B發動機的可調放氣活門（VBV）的故障[OL].中國民航維修網，2009.

[2] 敖良忠.CFM56-5B發動機VBV系統故障分析[J].中國民航飛行學院學報，2005，16（5）.endprint

（2）作動筒發生漏油

某航空公司機隊中，VSV作動筒以及VBV作動筒均發生過漏油，并導致多次航班延誤或者取消，影響到公司聲譽和盈利。

①VSV作動筒發生漏油，將會導致VSV處在不正確的位置。

在發動機增推力時候，由于VSV作動筒漏油，VSV偏關，VBV偏開，氣流量偏小，使高壓壓氣機的工作葉輪進口處絕對速度在發動機軸向分量偏小，由公式D=C①a/u可知，流量系數偏小，氣流攻角變大，氣流在葉背處發生分離，當這種氣流分離嚴重擴展至整個葉柵通道時候，將使高壓壓氣機發生喘振。

在發動機減推力時候，由于VSV作動筒漏油，VSV偏開，VBV偏關，氣流量偏大，使工作葉輪進口處絕對速度在發動機軸向分量上升，由公式D=C①a/u可知，流量系數偏大，氣流在葉盆處發生分離，使葉片通道變小，從而造成渦輪狀態，出現喉道而發生堵塞，從而使低壓壓氣機的氣流量減小，造成低壓壓氣機的攻角變大，使氣流在葉背處發生分離，當這種氣流分離嚴重擴展至整個葉柵通道時候，將發生喘振。

②VBV作動筒發生漏油，將會導致VBV處于不正確的狀態。

在發動機增推力時候，由于VBV作動筒漏油，VBV偏開，壓縮氣體溢流到外涵，氣流量偏小，使高壓壓氣機的工作葉輪進口處絕對速度在發動機軸向分量偏小，由公式D=C①a/u可知，流量系數偏小，氣流攻角變大，氣流在葉背處發生分離，當這種氣流分離嚴重擴展至整個葉柵通道時候，將使高壓壓氣機發生喘振。

在發動機減推力時候，由于VBV作動筒漏油，VBV偏關，進入內涵的氣體偏多，氣流量偏大，由公式D=C①a/u可知，流量系數偏大，氣流在葉盆處發生分離，使葉片通道變小，從而造成渦輪狀態，出現喉道而發生堵塞，從而使低壓壓氣機的氣流量減小，造成低壓壓氣機的攻角變大，使氣流在葉背處發生分離，當這種氣流分離嚴重擴展至整個葉柵通道時候，將發生喘振。

（3）VBV反饋鋼索阻力檢查不正確

VBV反饋鋼索阻力檢查的作用是保證必要的力以移動VBV反饋鋼索并不超過一個特定的限制。當VBV反饋鋼索阻力檢查不正確，將會使VBV反饋不正確，或者偏大或者偏小。當反饋偏大時候，將會使VBV偏關，會引起氣流量偏大，使工作葉輪進口處絕對速度在發動機軸向分量上升，由公式D=C①a/u可知，流量系數偏大，氣流在葉盆處發生分離，使葉片通道變小，從而造成渦輪狀態，從而使后面幾級的氣流量減小，造成后面幾級的攻角變大，使氣流在葉背處發生分離，當這種氣流分離嚴重擴展至整個葉柵通道時候，將發生喘振。

當反饋偏小的時候，將會使VBV偏開，造成啟動和加速慢，一般不會出現喘振。

4 結語

針對防喘措施的典型故障分析，結合典型故障的影響因素，提出維護工作建議如下：

（1）對于CFM56-3發動機來說，VBV、VSV作動筒漏油是常見故障，針對該故障，飛機維修人員在檢查工作中應加強監控發動機燃油排放桅桿上是否掛有燃油，如果有泄漏燃油，必要時候隔離漏油部件，及時更換，減少航班延誤。此外，對于發動機左右風扇包皮接縫處的燃油更要小心，這極有可能是發動機風扇區域燃油管路發生破裂導致的。

（2）CFM56-3防喘機構也經常出現卡阻、實際位置超出范圍、柔性軸絞斷、活門卡死在關閉位或者打開位等故障，針對這些典型故障，建議飛機維護人員將VBV、VSV系統作為常規定期檢查項目，在航線上做VBV、VSV系統相關工作時應該加強對這些系統的檢查，檢查調節所有VBV活門在基準關閉位，檢查VBV止動機構在關閉位，目視檢查VBV活門、VSV活門、活門封嚴以及柔性軸無損壞，使用專用工具從人工轉動VBV、VSV，確信VBV、VSV工作流暢、自如、無卡阻現象。

（3）在進行CFM56-3發動機的防喘機構的安裝作業時，嚴格按照飛機維護手冊，需用專用工具設定止動機構、VBV活門位置，確保止動機構、VBV活門在全關位置。

（4）由于發動機工作時外涵道壓力明顯低于內涵道壓力，因此VBV活門容易出現故障，針對這種情況，維護人員可在地面多次進行操作測試，可能需要反復多次，故障才會再現。

最后，在預防故障過程中，維護人員要按照工卡對飛機進行仔細檢查，并加強對發動機參數的監控，如果發現故障，結合防喘機構的工作原理和功用，分析在檢查調試中出現的工作現象，利用飛機上已有的系統實時監控活門的位置，從易到難，逐步隔離，準確定位故障件，從而縮短排故時間。

參考文獻

[1] 楊燕萍.淺析CFM56-5B發動機的可調放氣活門（VBV）的故障[OL].中國民航維修網，2009.

[2] 敖良忠.CFM56-5B發動機VBV系統故障分析[J].中國民航飛行學院學報，2005，16（5）.endprint