基于QAR數(shù)據(jù)的LEAP-1A發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)活門故障分析及狀態(tài)監(jiān)控

馮曉 張恩翼

摘要：LEAP-1A發(fā)動(dòng)機(jī)自投入使用以來(lái)發(fā)生多起起動(dòng)活門故障，對(duì)航班的運(yùn)行造成極大的影響，會(huì)直接導(dǎo)致航班取消或延誤。本文就LEAP-1A發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)活門的故障原因進(jìn)行分析，建立基于QAR數(shù)據(jù)的起動(dòng)活門狀態(tài)監(jiān)控模型，通過(guò)對(duì)起動(dòng)空氣壓力關(guān)鍵參數(shù)的采集，提前捕捉到起動(dòng)活門的失效狀態(tài)。通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證，該方法可以有效避免因起動(dòng)活門失效導(dǎo)致的航班取消或延誤現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：LEAP-1A發(fā)動(dòng)機(jī)；起動(dòng)活門；QAR；狀態(tài)監(jiān)控

Keywords：LEAP-1A engine；starter air valve；QAR；condition monitoring

0 引言

裝備LEAP-1A發(fā)動(dòng)機(jī)的A320neo飛機(jī)自2016年8月投入商用以來(lái)，截至2020年10月全球67家航空公司共運(yùn)營(yíng)了771架A320neo飛機(jī)，共計(jì)1681臺(tái)LEAP-1A發(fā)動(dòng)機(jī)在役。LEAP-1A發(fā)動(dòng)機(jī)以其高可靠性、高利用率以及出眾的燃油效率和低排放贏得了廣大用戶的青睞，但新設(shè)計(jì)在獲得性能提升的同時(shí)也出現(xiàn)了部件設(shè)計(jì)的不成熟和不穩(wěn)定等問(wèn)題。

LEAP-1A發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)活門在引入之初就表現(xiàn)出極大的不穩(wěn)定性，故障率高。針對(duì)不同的件號(hào)所暴露出的問(wèn)題，廠家不斷地進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，共經(jīng)歷了P01、P03、P04和P05等4種不同的件號(hào)，但在引入P05部件后并沒(méi)有很好地降低故障率，反而暴露了新的問(wèn)題，為此廠家發(fā)布服務(wù)通告，對(duì)于新發(fā)不再采用P05件號(hào)，而是再次引入P04件號(hào)的起動(dòng)活門直到下次技術(shù)升級(jí)。目前的機(jī)隊(duì)同時(shí)保留了P04和P05件號(hào)，廠家暫時(shí)無(wú)法徹底解決設(shè)計(jì)缺陷問(wèn)題，而對(duì)于新設(shè)計(jì)也無(wú)經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，航空公司面臨較大的運(yùn)行壓力。

1 故障分析

起動(dòng)活門通過(guò)控制進(jìn)入起動(dòng)機(jī)的引氣達(dá)到控制發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的目的，主要由活門本體、壓力傳感器、電磁活門組件、速率控制器、伺服本體、作動(dòng)器組件構(gòu)成（見(jiàn)圖1）。活門的開(kāi)關(guān)通過(guò)電磁活門組件控制進(jìn)入作動(dòng)器打開(kāi)腔和關(guān)閉腔的空氣量實(shí)現(xiàn)。

廠家針對(duì)起動(dòng)活門的技術(shù)升級(jí)集中在電磁活門組件上。P03件號(hào)的缺陷是電磁活門內(nèi)部推力桿和導(dǎo)軌之間間隙設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致互相妨礙，阻止電磁活門的作動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致活門無(wú)法打開(kāi)和起動(dòng)失敗[1]。P04件號(hào)是由于電樞涂層脫落導(dǎo)致電樞與線圈殼體之間摩擦力增加，電磁力不足以克服不斷增加的摩擦力，導(dǎo)致無(wú)法作動(dòng)。廠家通過(guò)升級(jí)涂層工藝和增加電磁力來(lái)改進(jìn)。P05件號(hào)是由于電磁活門內(nèi)部電樞桿在球型止擋處發(fā)生嚴(yán)重的磨損，進(jìn)而出現(xiàn)漏氣，導(dǎo)致活門無(wú)法完全打開(kāi)[2]。

綜上所述，起動(dòng)活門故障的主要原因是電磁活門組件無(wú)法正常工作所致，出現(xiàn)活門無(wú)法打開(kāi)或無(wú)法完全打開(kāi)現(xiàn)象。而當(dāng)電磁活門內(nèi)部作動(dòng)桿向上移動(dòng)時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)活門無(wú)法關(guān)閉或無(wú)法完全關(guān)閉現(xiàn)象。

2 監(jiān)控模型

對(duì)于有設(shè)計(jì)缺陷的起動(dòng)活門，運(yùn)營(yíng)人無(wú)法左右部件的設(shè)計(jì)和技術(shù)升級(jí)，只能通過(guò)參數(shù)監(jiān)控來(lái)提高部件的在翼可靠性。QAR（快速存取記錄器）用于記錄飛機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和部件的性能，在航空領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3]。本文嘗試基于QAR數(shù)據(jù)建立起動(dòng)活門的監(jiān)控模型。

通過(guò)分析可知，QAR數(shù)據(jù)中可用于監(jiān)控的關(guān)鍵參數(shù)有兩個(gè)，分別是起動(dòng)活門的開(kāi)關(guān)狀態(tài)以及蝶形活門下游的引氣壓力值，由起動(dòng)空氣壓力傳感器（SAP sensor）提供。QAR數(shù)據(jù)記錄的頻率為1s。為進(jìn)一步表征起動(dòng)空氣壓力P的變化特征，定義壓力變化率delta P為后一秒壓力值與前一秒壓力值之差。

圖2至圖4為起動(dòng)活門狀態(tài)監(jiān)控趨勢(shì)圖，趨勢(shì)圖上三個(gè)參數(shù)從上到下依次表示delta P、起動(dòng)空氣壓力值、起動(dòng)活門開(kāi)關(guān)狀態(tài)。當(dāng)起動(dòng)活門完全打開(kāi)時(shí)，輸出值為1，否則為0。圖中列舉了部分活門故障前參數(shù)的變化特征。

通過(guò)對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選并與正常參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)結(jié)合起動(dòng)活門工作原理，可將監(jiān)控模型設(shè)置如下。

1）起動(dòng)階段參數(shù)設(shè)置

a. 設(shè)置參數(shù)識(shí)別區(qū)間：從活門首次打開(kāi)后10s開(kāi)始至活門關(guān)閉前10s結(jié)束。

b. 統(tǒng)計(jì)變化率delta P大于2的次數(shù)，累計(jì)次數(shù)達(dá)到4次。

c. 在識(shí)別區(qū)間內(nèi)起動(dòng)空氣壓力最小值大于20。

同時(shí)滿足以上三個(gè)條件則觸發(fā)警告，認(rèn)為起動(dòng)活門有故障并即將發(fā)生失效。

2）巡航階段參數(shù)設(shè)置

該階段參數(shù)設(shè)置是為了識(shí)別起動(dòng)活門空中打開(kāi)的故障。

a. 識(shí)別區(qū)間：飛機(jī)的巡航階段。

b. 在識(shí)別區(qū)間內(nèi)起動(dòng)空氣壓力大于等于1psi。

同時(shí)滿足以上兩個(gè)條件則認(rèn)為起動(dòng)活門在空中出現(xiàn)空中打開(kāi)或者無(wú)法關(guān)緊的現(xiàn)象。

將以上兩部分監(jiān)控邏輯以警告的形式設(shè)置在監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)，當(dāng)滿足觸發(fā)條件時(shí)即以郵件形式發(fā)送至工程師郵箱，可實(shí)現(xiàn)對(duì)起動(dòng)活門的有效監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在故障，并做出應(yīng)對(duì)措施。

3 實(shí)例驗(yàn)證

自設(shè)置警告邏輯以來(lái)，統(tǒng)計(jì)我司發(fā)生的起動(dòng)活門故障次數(shù)及監(jiān)控的結(jié)果，共計(jì)發(fā)生18起起動(dòng)活門故障，具體統(tǒng)計(jì)如表1所示。

其中，未觸發(fā)警告的12次故障在參數(shù)上沒(méi)有異常，且故障類型都為首次起動(dòng)未打開(kāi)、第二次自動(dòng)起動(dòng)成功。這類故障不會(huì)對(duì)航班產(chǎn)生任何影響。觸發(fā)警告的6次故障屬于人工操控才能起動(dòng)，無(wú)法自動(dòng)完成起動(dòng)，對(duì)航班有影響，且警告觸發(fā)的時(shí)間比實(shí)際故障發(fā)生的時(shí)間早約3～7天。可見(jiàn)，該監(jiān)控模型可以有效地發(fā)現(xiàn)起動(dòng)活門的潛在故障狀態(tài)，因此對(duì)起動(dòng)活門的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控具有重要意義。

4 總結(jié)

本文分析了目前LEAP-1A機(jī)隊(duì)運(yùn)行的起動(dòng)活門設(shè)計(jì)缺陷，在暫時(shí)無(wú)法獲得技術(shù)改進(jìn)的情況下，基于QAR數(shù)據(jù)建立了起動(dòng)活門的監(jiān)控模型。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，該模型滿足起動(dòng)活門狀態(tài)監(jiān)控的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] LEAP-1A S/B 80-0003，Revision 001 [Z].

[2] LEAP-1A S/B 80-0008，Revision 002 [Z].

[3]巴塔西，李蕊，熊毅，等.基于QAR數(shù)據(jù)的民用飛機(jī)故障預(yù)測(cè)及驗(yàn)證[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2019，27（10）：31-35.

作者簡(jiǎn)介

馮曉，發(fā)動(dòng)機(jī)主管工程師，負(fù)責(zé)CFM56-3B、CFM56-5B、LEAP-1A發(fā)動(dòng)機(jī)工程管理工作。

張恩翼，發(fā)動(dòng)機(jī)工程師，負(fù)責(zé)CFM56-3B、CFM56-5B、LEAP-1A發(fā)動(dòng)機(jī)性能監(jiān)控工作。