基于V2500發動機VSV防喘系統的模擬排故面板設計

劉磊

摘 要：喘振對航空發動機的工作危害甚大，先進的航空發動機均設計完善的防喘系統防止發動機喘振。鑒于發動機喘振原理和防喘機理比較復雜和抽象，本文選取V2500發動機為研究對象，對其可調靜子葉片（VSV）防喘系統進行深入研究，結合飛機維修手冊和工卡，設計一種面板對V2500發動機的VSV防喘系統進行模擬排故維修，以達到良好教學效果。

關鍵詞：V2500;VSV;喘振;模擬排故

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.001

1 引言

飛機發動機的喘振一般是指壓氣機的喘振，喘振會使壓氣機葉片斷裂，引起發動機熄火停車，嚴重威脅發動機安全工作[1]。因此在航空發動機設計和使用維護中，喘振問題一直是關注重點。對于在校學生而言，由于客觀條件限制，未能直接接觸和學習有關發動機喘振方面的知識，只通過課堂上理論學習很難理解這一抽象概念。因此通過研究發動機喘振相關知識，設計一種某機型的防喘系統模擬排故面板，直觀地演示發動機的防喘機構工作過程，并結合相關機型的航空維修手冊，模擬如何排查防喘系統的故障并給出解決方案，使得學生的學習相對直觀且容易，從而對航空發動機喘振以及發動機維護過程有著更為深刻的認知。

2 V2500發動機的VSV防喘系統

由于壓氣機喘振的危害性極大，為了避免喘振現象的產生，現代先進的民用航空發動機一般都會同時具備多種防喘機構，防喘的機理各不相同。從代表性出發，可調靜子葉片（VSV）是在當今民航客機上廣泛采用的高壓壓氣機防喘裝置，而V2500發動機則為150座級飛機配置的主流發動機，因此本文選取V2500發動機為研究機型，針對其主要的防喘機構——壓氣機可調靜子葉片（VSV）防喘系統展開研究，制定具體的模擬排故方案。

2.1 V2500的防喘系統簡介

V2500發動機主要包括三種防喘機構：采用雙軸結構、放氣機構和可調靜子葉片（VSV）系統。其中放氣機構包括低壓壓氣機2.5級的放氣帶，高壓壓氣機第7級的三個放氣窗和第10級的一個放氣窗。而可調靜子葉片（VSV）系統采用了進口導流葉片和前3級的靜子葉片可調的形式。通過調整高壓壓氣機進口導流葉片和三級靜子葉片的角度，保證低壓壓氣機的氣體流量和高壓壓氣機的氣體流量匹配，這樣能在較寬的工作范圍內使發動機保持正常的壓氣機特性，避免發動機發生喘振[2]。

2.2 V2500的VSV系統構成

V2500的VSV系統簡圖如圖1所示。燃油計量組件（FMU）向可調靜子葉片作動筒提供高壓燃油，然后從低壓路回油，發動機電子控制器（EEC）接收高壓壓氣機的工作參數（壓氣機進口總溫，高壓壓氣機轉子轉速等），通過進行計算使得執行機構和發動機電子控制器構成的閉環控制系統來準確控制作動筒的運動[3]。VSV作動桿依靠中間的傳動機構來控制進口導向葉片和三級靜子葉片進行轉向[4]，靜子葉片角度的偏離量可以影響進入高壓壓氣機的氣流量，進而促使高壓壓氣機和低壓壓氣機氣體流量的匹配，避免發動機發生喘振，提高壓氣機的工作效率和喘振裕度[5]。

發動機電子控制器通過接收高壓壓氣機的工作參數，并經過計算和綜合校對，最后輸出一個電信號來控制位于可調靜子葉片作動筒里的力矩馬達（TM），達到控制高壓油路的開關和開合度的作用，從而準確操控活塞的運動。作動筒內部的線性可變差動傳感器（LVDT）同時將活塞的位置信號以電信號的形式反饋到發動機電子控制器，構成了可調靜子葉片系統的閉環控制，閉環控制的優點在于控制精度很高。

2.3 V2500的VSV系統故障總結

V2500的VSV系統主要由可調靜子葉片作動筒、操縱環、搖臂、曲柄傳動機構、進口導流葉片、可調靜子葉片（VSV）和EEC組成。VSV系統會因為各種原因導致故障。經過深入研究并歸納總結，V2500的VSV系統的故障主要分為機械故障和電氣故障。具體的總結歸納如下：

機械結構可能出現的故障有：（1）VSV作動筒漏油;（2）運動機構摩擦過大;（3）操縱搖臂疲勞斷裂。

電氣故障有：（1）作動筒位置反饋出錯（LVDT故障、LVDT反饋回路線路故障）;（2）連接電氣插頭老化、松動;（3）力矩馬達繞組故障;（4）N2傳感器繞組故障;（5）CIT傳感器故障;（6）EEC故障。

3 VSV系統模擬排故面板設計

3.1 面板總體布局設計

本文根據V2500發動機的VSV系統常見故障，參照了機務人員的實際維修工卡，設計出一種VSV系統的模擬排故面板，能夠簡單、清晰、直觀地將排故過程展示出來，見圖2 。為了實際的教學效果考慮，面板為長1.8米，寬1.2米的矩形。如圖2所示，整個演示面板分為三大部分，以黑色粗框線為分隔框，第一部分以圖1為基礎，經過進一步的細化體現出VSV系統中的主要結構和部件，第二部分作為故障檢查和故障排除開關，第三部分是排故流程圖，用于指導怎樣排故和如何排故。下文將對演示面板中的三大組成部分進行詳細地介紹。

3.2 VSV系統原理圖設計

如圖3所示，在圖1的基礎上，首先將VSV作動筒部分細化，將其內部的恒壓閥、減壓閥、力矩馬達和線性可變差動傳感器（LVDT）呈現出來。其次細化VSV機械組件部分，在其中添加出作動筒、搖臂和曲軸。燃油計量組件為主動間隙控制系統（ACC）、風冷式滑油冷卻器活門控制系統（ACOC）、低壓級放氣系統和VSV系統供高壓燃油。在VSV系統和發動機電子控制器（EEC）之間有力矩馬達電流和線性可變差動反饋聯系，并且發動機電子控制器將會在接受到高壓壓氣機轉子轉速傳感器（N2）、壓氣機進口溫度傳感器（CIT）和新件使用循環數（CSN）的數據下，通過校核來發送下一步的指令。VSV作動筒、VSV機械組件、搖臂、和VSV葉片之間通過機械傳動來聯結。

在演示面板中，將每一個部件設置成故障燈，另外設定兩個指示燈用來體現整個VSV系統處于正常狀態和非正常狀態，如圖3中右上角所示，其中綠燈亮起表示系統處于正常狀態，紅燈亮起處表示系統處于非正常狀態。

3.3 VSV系統排故流程設計

在對V2500發動機的VSV系統故障深入研究的基礎上，本文對機務人員日常維修工卡進行研究，針對VSV系統的組成和具體的故障分布，設計具體的模擬排故流程，如圖4所示。

VSV系統是一個相對復雜的控制系統，故障大多因為不同部件之間的故障相互影響、誘導而成。當VSV系統出現故障時，第一步進行故障診斷，檢查發動機的VSV控制系統、主動間隙控制系統、風冷式滑油冷卻器活門控制器、發動機低壓級放氣系統都是由來自燃油計量組件的高壓燃油驅動的，如果發生兩個或兩個以上的系統一同失效，則可以判斷出故障來自燃油計量組件或者燃油增壓泵。如果僅僅是VSV控制系統發生故障，則檢查最近一次的飛行報告，將相關警告失效信息從ECAM中調出來。若警告ENGINE2 COMPRESSOR VANE的兩條信息是CHA VSV ACT/HC/EEC2和CHB VSV ACT/HC/EEC2，并同時滿足以下條件：引擎的新件使用循環數（CSN）大于2000，在起飛和爬升過程中ECAM的警告時間大于一分鐘，發動機出現了喘振現象、突破溫度界限或參數變化異常，出現了兩臺引擎持續的參數差異，那么故障是由于可調靜子葉片作動筒失效，需要及時修復或更新VSV作動筒。

3.4 VSV系統故障檢查和故障排除開關設計

如圖5所示，面板中設置了18個檢查開關和15個排故開關，分別對應著相應的部件、組件。在依照排故流程的前提下，先撥開檢查開關，若出現故障即燈未亮，后撥開排故開關。

VSV機械結構檢查部位主要有作動筒、連桿、曲軸和搖臂。每一部分用一個LED燈來指示，并用一個總LED燈來指示VSV機械結構是否存在問題。當動筒、連桿、曲軸、搖臂有故障時，此燈不亮。每一個部件均有三個開關控制，其中一個開關為故障檢查開關，另兩個為故障設置開關和故障排除開關。如若事先把故障開關打開，則當檢查到這一步時，按下故障檢查開關，LED燈是不亮的，代表此處有問題，那么需要按下故障排除開關進行排故。

最終演示面板將呈現出的是：若該部件設定為故障件，那么在檢查此部件時，燈為滅，在完成正確的排故程序即打開相對應的排故開關后，燈亮，說明此部件已處于正常狀態。經過完整的排故流程后，所有的部件燈和正常狀態指示燈綠燈亮起，如果紅燈亮起，說明還有故障沒有排查完畢。

4 結語

本文主要以V2500航空發動機為研究背景，根據其壓氣機防喘系統中的一種——可調靜子葉片系統進行深入研究，了解其中的結構部件、常見故障以及排故手段，再根據實際的維修工卡設計出一塊模擬排故面板，后續的會選用合適的材料制作出實物，作為實際教學用具，為民航系今后的教學實驗打下基礎，使枯燥的理論知識學習變得具體化、形象化，使學生能夠直觀的感受現實機務工作中的流程。

參考文獻：

[1]王云.航空發動機原理[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009（96）.

[2]夏存江.CFM56—3發動機可變幾何控制系統對發動機性能的影響[J].航空發動機，2008，34（03）：42-45.

[3]吳天翼，樊丁，楊帆等.某型航空發動機FADEC系統設計與仿真[J].科學技術與工程，2012，20（01）：106-111.

[4]李世林.VSV系統對CFM56發動機喘振的影響分析[J].科學技術與工程，2011，11（20）：4934-4936.

[5]張元華.聯合循環機組壓氣機喘振裕度低事件分析[J].燃氣輪機技術，2013，26（02）：57-61.