CFM56—5B發(fā)動機燃油系統(tǒng)典型故障分析

王天義

摘要： 當今航空業(yè)和民用飛機中使用的高新技術(shù)越來越多。為了提高客機的遠距離飛行和載客量，航空發(fā)動機性能不斷提高，發(fā)動機產(chǎn)品不斷升級換代，原理和結(jié)構(gòu)也變的更加復雜，這些都為航空發(fā)動機的維護和故障的排除帶來更大的挑戰(zhàn)。本文主要以民航燃氣渦輪發(fā)動機為例，對民用航空燃氣渦輪發(fā)動機的工作原理、基本結(jié)構(gòu)以及相互之間的氣壓流動和平衡進行了討論。接著筆者通過調(diào)研文獻和查閱書籍，對基于CFM56-5B系列發(fā)動機的飛機發(fā)生滲漏典型故障時的特征進行了了解，如發(fā)生燃油滲漏的主要原因包括由于氣溫的變化、部件的磨損和航線機務維護不當?shù)仍颉７治隽巳绾慰焖贉蚀_診斷出發(fā)生故障的零件。最后討論了發(fā)生某種故障時的應急措施和針對該系列發(fā)動機燃油系統(tǒng)的預防措施。

Abstract： Nowadays， increasingly new technologies are used in aviation and civil aircraft. In order to improve the long distance flight and passenger capacity of aircraft， the performance of aircraft engines has been continuously improved， the engine products have been constantly upgraded， and principles and structures have become more complex， which have brought more challenges for the aero engine maintenance and removal of faults. In this paper， based on the civil aviation gas turbine engine， the working principle and basic structure as well as the pressure flow and balance between each other are discussed. Then through researching literatures and looking for books， the author conducted an understanding on the characteristics of the typical faults of leakage of CFM56-5B series engine aircraft， such as the main causes of fuel leakage including temperature changes， component wear and improper route maintenance， and analyzed how to quickly and accurately diagnose the fault parts. At last， it discussed the emergency measures and the preventive measures against the fuel system faults.

關(guān)鍵詞： 燃氣渦輪發(fā)動機；燃油系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)；預防措施

Key words： gas turbine engine；basic structure of fuel system；preventive measures

中圖分類號：V235.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）13-0097-03

0 引言

自2000年以來我國主要省會城市、部分地級市和大型旅游景點所在地都成功建設了自己的機場。乘坐航班出行已經(jīng)成為尋常百姓的主要選擇交通工具，但近年來因為飛機故障而導致的航班延誤和取消的事例常有發(fā)生。例如發(fā)動機燃油系統(tǒng)工作狀態(tài)不正常，會直接導致航空公司航班的延誤或取消，最終會影響到航空公司的聲譽和盈利。飛機燃油系統(tǒng)的供應是最為重要的，因此研究發(fā)動機燃油系統(tǒng)常見故障現(xiàn)象和對應的應急措施具有重要的現(xiàn)實意義和理論價值。

飛機的發(fā)動機在執(zhí)行某個航班任務時，燃油系統(tǒng)較常見的問題之一，便是燃油滲漏故障，尤其是在冬季低溫地區(qū)運營時，這種現(xiàn)象出現(xiàn)的機率會增加，對保障航班的正常完成任務是至關(guān)重要的。發(fā)動機啟動是指利用啟動機將發(fā)動機從靜止狀態(tài)加速到能夠保持轉(zhuǎn)速的慢車工作狀態(tài)這一過程。它主要用于發(fā)動機的地面啟動、發(fā)動機的冷轉(zhuǎn)（干、濕兩種冷轉(zhuǎn)）和發(fā)動機在空中調(diào)整飛行高度時的重啟動。由于飛機發(fā)動機啟動過程中機身受壓會發(fā)生劇烈變化，因此也是發(fā)動機等重要系統(tǒng)事故多發(fā)期。

1 燃氣渦輪發(fā)動機的主要結(jié)構(gòu)

發(fā)動機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理（圖1）。

燃氣渦輪發(fā)動機的部件包括進氣道、風扇、壓氣機、燃燒室、渦輪、噴管以及附件傳動部分，其中壓氣機、燃燒室和渦輪組成核心發(fā)動機。航空燃氣發(fā)動機大體分為四種類型，渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪風扇發(fā)發(fā)動機、渦輪螺旋槳發(fā)動機和渦輪軸發(fā)動機。這些發(fā)動機的共同點是都有核心機部分，故統(tǒng)稱為燃氣渦輪發(fā)動機。

發(fā)動機工作的原理是，渦輪噴氣發(fā)動機以空氣作為工質(zhì)，進氣道將所需的外界空氣以最小的流動損失送到壓氣機；壓氣機通過高速旋轉(zhuǎn)的葉片對空氣壓縮作功，提高空氣的壓力；空氣在燃燒室內(nèi)和燃油混合燃燒，將燃料化學能轉(zhuǎn)變成熱能，生成高溫高壓的燃氣；燃氣在渦輪內(nèi)膨脹，將燃氣熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，驅(qū)動渦輪旋轉(zhuǎn)，帶動壓氣機；燃氣在噴管內(nèi)繼續(xù)膨脹，加速燃氣，燃氣以較高速度排出，根據(jù)牛頓第三定律，產(chǎn)生推力。

2 CFM56-5B發(fā)動機燃油滲漏典型故障

2.1 CFM56-5發(fā)動機燃油系統(tǒng)介紹（圖2）

發(fā)動機燃油系統(tǒng)提供燃油流量（FF）進入燃燒室、伺服燃油控制壓縮機的空氣流量，發(fā)動機間隙制系統(tǒng)，給發(fā)動機滑油和整體驅(qū)動發(fā)電機（IDG）滑油冷卻，如圖2所示。來自飛機油箱的燃油通過低壓活門，然后經(jīng)過燃油滑油熱交換器（FOHE），冷卻滑油同時自身溫度得到升高。隨后燃油被燃油泵增壓，此時燃油被分成兩個油路：一部分燃油在從高壓燃油泵出來后到燃油計量活門，經(jīng)過高壓燃油關(guān)斷活門、燃油流量傳感器最終到達發(fā)動機燃油噴咀；另一部分燃油在燃油泵出來后經(jīng)過伺服燃油加熱器，到達HMU的伺服活門，在HUM中，伺服活門是由發(fā)動機的ECU的力矩馬達來實現(xiàn)控制的，進而控制發(fā)動機幾何外形。控制的對象有：

①瞬時放氣活門（TBV）；

②低壓渦輪間隙控制（LPTACC）；

③可調(diào)靜子葉片（VSV）；

④高壓渦輪間隙控制（HPTACC）；

⑤可調(diào)放氣活門（VBV）；

⑥燃油計量活門（FMV）。

伺服燃油和旁通活門的回油經(jīng)過IDG滑油冷卻器可以給IDG滑油進行冷卻，最后流經(jīng)燃油回油活門（FRV），F(xiàn)RV接受來發(fā)動機關(guān)車信號后，由ECU控制FRV關(guān)斷。

2.2 燃油滲漏的主要情況

燃油滲漏對于飛機或輪船艦艇等非陸地行使交通工具的危害是致命的。根據(jù)CFM國際公司的統(tǒng)計資料顯示，2008年以后，CFM56-5B發(fā)動機燃油系統(tǒng)滲漏成為最為多發(fā)的故障，其中活門伺服燃油漏油，又是高壓渦輪控制系統(tǒng)中易發(fā)生滲漏的部件之一，約占世界客運飛機每年非計劃拆更換活門總量的30%，且發(fā)生滲漏的活門的在翼服役時間從8000到15000飛行小時不等，近年來有縮短的趨勢。海航集團旗下的首都航空和西部航空共有空客A320系列飛機四十余架，根據(jù)海口基地總部技術(shù)組的統(tǒng)計，CFM56-5B發(fā)動機發(fā)生燃油滲漏的主要有以下幾個部件：

①HPTCC主要是由于HPTCC活門呈橘皮表面狀的活塞導致特氟龍封嚴磨損嚴重，從而引起燃油滲漏。

②VSV作動器，它主要是由于活塞桿端封嚴、活塞筒腔和活塞頭端封嚴處出現(xiàn)劃痕也會導致漏油的發(fā)生。

③VBV齒輪馬達由于天氣冷封嚴收縮導致漏油。

④HMU如果裝配不當，零部件表面不干凈未按照AMM手冊中規(guī)定的順序磅力矩，或者未按要求磅正確的力矩，此外還有襯套的破損等，都會導致燃油的滲漏。

2.3 燃油滲漏應急處理方法

燃油滲漏可能發(fā)生在機場陸地上和航線經(jīng)過的任意地點。針對不同的故障發(fā)生場合所要采取的應急處理方法也有所不同。此外CFM56-5B發(fā)動機余油排放系統(tǒng)復雜，處理燃油滲漏還需要拆除余油排放管路進行漏油源的確認判斷。更換高壓渦輪間隙控制活門至少需要4個小時以上的時間。因此，發(fā)動機燃油滲漏故障發(fā)生時極易導致航班的延誤或取消，給航空公司的運營帶來很大的壓力。

為此可參考以下方法應急處理滲漏排放桅桿口處（如圖3）的燃油滲漏：

2.3.1 靜態(tài)滲漏（發(fā)動機不運轉(zhuǎn)）

①如果燃油滲漏率小于60滴/分鐘，不需要采取維修措施。

②如果燃油滲漏率大于60滴/分鐘，起動發(fā)動機，慢車運轉(zhuǎn)5分鐘后參照步驟（二）中的標準進行檢查。（備注：當外界溫度低于零下20攝氏度時，在沒有運轉(zhuǎn)的發(fā)動機或者起動過程中可能在滲漏排放口處發(fā)生燃油滲漏，燃油總管的余油除外）

2.3.2 暖車5分鐘之后，運轉(zhuǎn)發(fā)動機的滲漏（動態(tài)滲漏）

①如果燃油滲漏率小于60滴/分鐘，不需要采取維修措施。

②如果燃油滲漏率大于60滴/分鐘，而小于90滴/分鐘，必須在25個循環(huán)內(nèi)采取維修措施。

③如果燃油滲漏率大于90滴/分鐘，參照AMM TASK 71-00-00-790-005進行滲漏檢查。

2.4 民用航空飛機燃油滲漏實例

近年來在世界各地的主要航空公司，不管是波音還是空客公司的飛機執(zhí)行冬季航班時都報告了多起燃油泄漏故障。2013年的冬季，海航集團旗下首都航空的一架飛機B-6199發(fā)動機類型為CFM56-5B，在執(zhí)行飛行任務前機務人員發(fā)現(xiàn)發(fā)動機底部排油桅桿漏油。這時候機務人員在確認滲漏的油液是燃油并確定燃油的滲漏情況后，立刻將發(fā)動機的漏油情況通報了基地維修控制中心，筆者通過查找飛機的維護手冊TASK-71-00-00-790-002-B找到漏油標準，發(fā)現(xiàn)飛機靜態(tài)燃油滲漏是26滴/分鐘，未超標（標準如圖4），所以為保障航班正常運行，正常放行飛機。

根據(jù)經(jīng)驗來看，一般漏油的部件為VSV作動器和VBV齒輪馬達兩個部件居多，主要是由于北方冬季寒冷的天氣原因?qū)е虏考鈬烂芊庑Ч睿罱K出現(xiàn)漏油的現(xiàn)象。在航線維護工作中這是很常見的一種現(xiàn)象，航空公司只有在飛機執(zhí)行完航班后才能進行故障的排查，具體的根據(jù)維護手冊AMM71-00-00-790-005-A識別出具體哪個部件漏油。手冊中只說了將專用的塑料瓶安裝在可能滲漏的滲漏源，根據(jù)多次的排故經(jīng)驗，我們可以打開發(fā)動機反推包皮，順著發(fā)動機底部的排油桅桿斷開其上游VBV（如圖5）、VSV、TBV、LPTACC和HPTACC部件余油口堵頭。

隨后在斷開處安裝塑料瓶，并固定牢靠，然后關(guān)閉反推包皮，啟動發(fā)動機慢車5分鐘，關(guān)閉發(fā)動機，待發(fā)動機冷卻一段時間后，打開反推包皮，觀察看哪個部件余油口處塑料瓶有燃油，證明是該部件故障導致。B-6199飛機就是根據(jù)這種方法排查出VBV作動器故障原因?qū)е拢鶕?jù)飛機維護手冊更換新的VSV作動器，試車后測試正常，無燃油滲漏。

2.5 預防措施

及時進行相關(guān)檢查并做出相應的預防措施，對于減少故障發(fā)生是非常有利的。根據(jù)海南航空公司飛機機隊的在翼使用情況調(diào)查，在冬季外界環(huán)境溫度比較低時，發(fā)動機上的封嚴和封圈在外界溫度變化時會產(chǎn)生失效和加速老化，燃油滲漏發(fā)生的概率較高。在航班起飛前，可對發(fā)動機的余油口和油門閥等進行相關(guān)危險因素排查檢修。在冬季或低溫地區(qū)，飛機起飛前可以在室內(nèi)常溫下進行一定時間的暖車，如發(fā)動機啟動5分鐘后再駛向室外，可以顯著減少飛機發(fā)動機系統(tǒng)燃油滲漏情況的發(fā)生。還可以檢修活門，及時對活門的封嚴等進行升級和加固，對封嚴進行定時更換等。

對于高壓渦輪間隙控制活門的伺服燃油漏油問題，可以采取定期翻修的解決措施，后期結(jié)合相應的服務通告進行改裝和電子控制組件邏輯的系統(tǒng)升級。這種主動維修的理念為提高發(fā)動機安全使用性能和維護航班安全提供了廣闊的思路和空間。

3 總結(jié)

本文簡要介紹了該系列發(fā)動機的主要構(gòu)件及其工作原理，此外還討論了燃油系統(tǒng)典型故障的特征分析，針對以上對CFM56-5B發(fā)動機燃油系統(tǒng)的故障分析，我們提供了處理這些故障的應急措施。發(fā)動機的正常運行對于保障航班安全及排除故障能力具有重大的意義。在對飛機和系統(tǒng)原理特性充分掌握的基礎(chǔ)上，結(jié)合手冊靈活運用，才可以快速準確地診斷故障的源頭所在，并采取相應的措施。在檢查故障問題的工作中要抓住主要部分，由易而難循序漸進地進行尤其對一些關(guān)鍵部位和核心零件磨損的檢查。論文研究結(jié)果對機組人員快速準確查找故障原因，做出相應的維修措施具有重要的指導意義。

參考文獻：

[1]許春生.燃氣渦輪發(fā)動機[M].兵器工業(yè)出版社，2006.

[2]李明書，林兆.民用航空燃氣渦輪發(fā)動機結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2005.

[3]敖良忠.CFM56-5B發(fā)動機VBV系統(tǒng)故障分析[J].中國飛行學院學報，2005.

[4]陳光.航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)設計分析[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[5]AIRBUS AIRCAFT MAINTANEANCE MANNUAL 2013.