CFM56-7B發(fā)動機空中停車故障預測機制研究

摘要：2020年國內(nèi)航司CFM56-7B發(fā)動機發(fā)生因霍尼韋爾CH-T1型液壓機械組件故障導致的發(fā)動機空中停車重大故障，本公司機隊發(fā)生2起該型HMU引起的燃油供油系統(tǒng)故障，并致使中斷起飛。本文介紹了HMU典型故障與改進設計歷程，綜合分析世界及公司機隊可靠性數(shù)據(jù)，并進行維修方案回顧、技術(shù)風險總結(jié)，形成針對發(fā)動機燃油系統(tǒng)空中停車重大故障的預測機制。

關(guān)鍵詞：CFM56-7B發(fā)動機；液壓機械組件；供油；空中停車；預測

Keywords：CFM56-7B engine；HMU；fuel supply；IFSD；prediction

1 CFM56-7B發(fā)動機液壓機械組件簡介

航空發(fā)動機控制的發(fā)展歷程大致可分為初始（液壓機械式）、成長（模擬電子式）、電子（監(jiān)控式）、綜合（全權(quán)限數(shù)字電子式）4個階段，發(fā)動機控制技術(shù)由20世紀40年代簡單的液壓機械控制、“液壓機械+電子控制”發(fā)展到現(xiàn)代航空發(fā)動機采用的全權(quán)限數(shù)字電子控制（FADEC）技術(shù)，并向智能/分布式控制方向發(fā)展[1]，霍尼韋爾公司CH-T1型液壓機械組件（HMU）即是飛機發(fā)動機FADEC的一個部件。HMU響應發(fā)動機電子控制器（EEC）的電子信號，計量供應發(fā)動機燃油，調(diào)節(jié)通往6個液壓系統(tǒng)的伺服燃油，如圖1所示。HMU根據(jù)EEC控制命令計量燃油，具體工作流如下：

1）EEC通過感測發(fā)動機參數(shù)計算所需燃油量，滿足不同運行狀態(tài)下的燃燒需求，所需燃油量以電信號的方式輸送給HMU內(nèi)部燃油計量活門（FMV）的電液伺服活門（FMV EHSV）；

2）EHSV響應來自EEC的信號，控制HMU內(nèi)部的燃油計量活門開度，計量活門的開度決定最終輸送到燃燒室的燃油量；

3）機械超轉(zhuǎn)保護系統(tǒng)限制發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速不超過106%。

以下對計量供油路幾個重要活門——燃油計量活門、旁通活門和壓頭傳感器、高壓關(guān)斷活門的工作進行介紹，為便于理解，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

1.1 燃油計量活門

FMV控制通往高壓關(guān)斷活門的通油孔面積，通過FMV EHSV接收EEC指令進行控制。FMV打開或關(guān)閉燃油通路，EHSV根據(jù)EEC指令控制PX壓力至計量活門活塞兩端。當增加或減小發(fā)動機燃油流量時，F(xiàn)MV活塞隨兩邊壓差大小左右移動，直至實際流量滿足EEC指令。解析器由FMV活塞桿端連桿機構(gòu)作動，提供FMV反饋位置給EEC，如圖2所示。

1）FMV通過開度大小控制通往發(fā)動機燃燒的燃油。由于FMV上游P1與下游P2壓差值在壓頭傳感器作用下保持定值，因此FMV的任何位置均對應特定的燃油流量。

2）解析器將FMV位置反饋給EEC，提供發(fā)動機的供油量反饋信號，建立EHSV的閉環(huán)回路。

3）FMV EHSV接收EEC指令進行控制。當發(fā)動機處于加速狀態(tài)時，反饋信號以防止向發(fā)動機輸送過多燃油。當燃油量增大到接近所要求的供油量時，反饋系統(tǒng)減小EHSV信號，同時當計量活門開度到位時，EEC會收到反饋信號，EEC取消燃油增加指令。

1.2 旁通活門和壓頭傳感器

壓頭傳感器箱體與旁通活門配合工作，以維持計量活門進口P1和P2的壓差。兩個系統(tǒng)作動燃油進口和計量活門之間油路。旁通活門將發(fā)動機多余燃油旁通回Pb。壓頭傳感器控制積分旁通活門，以建立旁通多余燃油至Pb的基準開度。壓頭傳感器的有效長度由P1-P2壓差決定。箱體長度的變化由箱體上的支桿傳遞至壓頭傳感器伺服活門。伺服活門位置與壓頭傳感器孔口開度有關(guān)：

1）如果P2P（指P2經(jīng)過限流孔后到達旁通活門和壓頭傳感器的壓力，略低于P2）過高，箱體向遠離壓頭傳感器伺服活門的方向移動，伺服孔口關(guān)閉，伺服系統(tǒng)壓力增加；

2）如果P1過高，箱體向壓頭傳感器伺服活門的方向移動，伺服孔口打開，伺服系統(tǒng)壓力下降。

旁通活門按比例加積分方式設計，包含兩個活門。比例活門在積分活門腔體內(nèi)移動。兩個活門均靠彈簧加載于關(guān)位。比例活門移動迅速，用來修正突發(fā)的P1-P2波動。活門位置由活門側(cè)的P1值與另一側(cè)P2值加上彈簧力的差值來控制。活門作動改變流經(jīng)積分活門的旁通燃油量。積分旁通活門移動較慢，積分活門通過旁通維持P1-P2壓差所需的多余P1燃油來建立孔口基準開度。燃油的旁通路徑由P1流經(jīng)活門側(cè)邊的端口到達PB。P1供向積分旁通活門活塞面積較小的一端。由壓頭傳感器控制的伺服系統(tǒng)作動壓力及彈簧力共同供給積分旁通活門活塞面積較大的一端。發(fā)動機啟動前，彈簧力把積分旁通活門完全限制在旁通活門套筒內(nèi)。隨著燃油供油壓力的建立，積分旁通活門開始向下移動。當壓頭傳感器箱體兩端的P1-P2P壓差變化時，積分旁通活門開度改變。旁通活門套筒內(nèi)的積分旁通活門在其行程內(nèi)有無限多個位置。無論積分旁通活門如何改變行程，壓頭傳感器伺服活門可回到零位（null position）[2]。

比例旁通活門在積分旁通活門內(nèi)移動，直至比例旁通活門腔體兩側(cè)壓力平衡。發(fā)動機關(guān)車時，壓頭傳感器箱體感受P1高壓，打開壓頭傳感器伺服活門，減少積分旁通活門彈簧側(cè)伺服壓力。P1克服降低的伺服驅(qū)動壓力Psf和彈簧力，作動比例和積分兩個旁通活門至全開位。P1通過打開的旁通活門向PB釋壓。發(fā)動機關(guān)車后，燃油不再供給HMU。彈簧力使積分旁通活門和比例旁通活門均移至關(guān)位，如圖3所示。

1.3 高壓關(guān)斷活門

高壓關(guān)斷活門有兩項功能，一是確保伺服壓力在發(fā)動機起動和低流量狀態(tài)下受控，二是在關(guān)車時關(guān)斷油路。壓力關(guān)斷活門位于FMV下游，由彈簧力保持在關(guān)位。當發(fā)動機起動和加速時，壓力關(guān)斷活門的Pcb被供至壓力關(guān)斷活門彈簧腔體。隨著起動循環(huán)繼續(xù)，在低流量工況下，當P2可以克服活門關(guān)閉力時，壓力關(guān)斷活門開始打開。壓力關(guān)斷活門的開度通過活門彈簧保持器內(nèi)的永磁鐵臨近或遠離位置電門，給駕駛艙提供燃油開關(guān)的燈光指示。

發(fā)動機關(guān)車時，壓力關(guān)斷活門保持在開位，直到計量活門關(guān)閉。此后，HMU關(guān)斷環(huán)路開始工作。P1/Psf加上關(guān)斷活門彈簧力，驅(qū)動壓力關(guān)斷活門關(guān)閉。關(guān)斷活門首先通過套筒端口的移動來關(guān)閉P2至P22油路。活門彈簧保持器內(nèi)的磁鐵位置發(fā)生變化，閉合位置電門，同時向飛機指示系統(tǒng)提供關(guān)斷信號，如圖4所示。

2 HMU重大改裝

1）世界機隊發(fā)生過多起空中推力無響應導致的發(fā)動機空中停車案例，調(diào)查發(fā)現(xiàn)HMU內(nèi)部旁通活門（BPV）彈簧磨損、斷裂，原因為油液流動引起積分旁通活門旋轉(zhuǎn)，閥上的固定彈簧座隨動旋轉(zhuǎn)，與相對靜止的彈簧摩擦產(chǎn)生金屬屑，金屬屑隨燃油流入閥套與閥芯之間的配合面縫隙，閥芯被卡滯。最終本公司推動美國制造商通用電氣聯(lián)合霍尼韋爾公司深入調(diào)查，并在全球率先完成全機隊改裝，執(zhí)行服務通告SB73-0174/0175、SB73-0193/0194，將BPV的彈簧改進為一體機加工彈簧（見圖5）[3]。

2）TBV EHSV二級襯套組件內(nèi)腔積油（Trapped Volume）可能導致柱塞式活門卡滯，觸發(fā)75-X058Y（TBV位置信號不一致），導致控制燈亮的嚴重故障。執(zhí)行改裝服務通告SB73-0188，在密封空腔內(nèi)加工溢流口，避免油液積存。

3）針對退化的銀釬焊堵塞EHSV噴頭問題，2015年第4季度起新產(chǎn)品改為鎳焊，舊件在大修時改裝。

4）EHSV中電磁線圈使用的硅酮劑會擠出而干涉伺服活門作動，導致指令和反饋不一致。2019年1月，霍尼韋爾公司發(fā)布SIL，介紹序號BECWG333之后使用特氟龍膠替代硅膠，舊件在HMU大修時改裝，如圖6所示。

3 近期故障案例

3.1 HMU導致發(fā)動機空中停車故障案例

2020年7月，廈航一架的波音737NG飛機（編號B-55XX）在哈爾濱短停，右發(fā)起動轉(zhuǎn)速上升至N2=56%時燃油流量降低，從最高880pph下降至低于300pph，F(xiàn)MV開度逐漸減小，燃油流量在短暫沖至464pph后下降為0。隨后嘗試數(shù)次重起，燃油流量均偏低，N2最高至33%，最后一次嘗試起動燃油流量為0，最終更換燃油泵及HMU，試車驗證工作正常，排除故障。

2020年11月，某航一架波音737NG飛機空中左發(fā)推力不響應，出現(xiàn)發(fā)動機失效信息（ENG FAIL），發(fā)動機燃油流量降至0，空中發(fā)動機自動停車，緊急備降。落地后檢查燃油濾正常，更換HMU，試車驗證工作正常，排除故障。

2020年11月，廈航一架波音737NG飛機（編號B-53XX）在昆明起飛滑跑階段，機組反映左發(fā)推力不響應（左發(fā)N1至56%不上升，右發(fā)N1=95%），飛機出現(xiàn)偏航，機組中斷起飛，最終更換HMU排除故障。

3.2 故障原因——FMV出油口異物卡滯

以上三起故障中HMU送修原OEM廠商的維修機構(gòu)，分解時均發(fā)現(xiàn)FMV出油口異物卡滯，如圖7所示。因上游燃油泵組件內(nèi)有燃油濾，異物可能來自燃油濾本身、油泵齒輪或HMU內(nèi)部。因異物的顏色、質(zhì)地與燃油濾端蓋粘合物類似，廈航多次與廠家交涉對燃油濾材質(zhì)進行調(diào)查。后續(xù)廠家化驗發(fā)現(xiàn)異物為木屑或環(huán)氧樹脂，判斷木屑可能為執(zhí)行燃油泵孔探檢查時從外界進入燃油系統(tǒng)，環(huán)氧樹脂為燃油濾端蓋溢出的粘合膠[4]。對航空公司而言，在最終廠家出具改進措施前，對故障飛機譯碼數(shù)據(jù)進行深入分析，開發(fā)實時或趨勢性監(jiān)控預測機制，以避免發(fā)動機空中停車尤為重要。

4 QAR數(shù)據(jù)分析及告警開發(fā)

上述B-53XX飛機故障中，譯碼數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，雙發(fā)起動完成后，左發(fā)FMV角度持續(xù)低于右發(fā)，但燃油流量在慢車穩(wěn)態(tài)下幾乎一致；起飛滑跑階段，隨著FMV角度開大，左發(fā)的燃油流量明顯低于右發(fā)，轉(zhuǎn)速最高到56%（右發(fā)96%）中斷起飛，中斷起飛后雙發(fā)的FMV角度再次趨于一致。另一起737NG空中停車故障飛機的地面階段數(shù)據(jù)，雙發(fā)起動完成后，左發(fā)FMV開度較大，維持雙發(fā)相同的燃油流量。這兩架飛機均為發(fā)動機供油異常，但表現(xiàn)出FMV角度大小趨勢不同。通過數(shù)據(jù)分析判斷，B-53XX飛機慢車時因旁通活門卡滯而保持了固定旁通量（正常慢車時旁通量較大），導致P1-P2偏大，因此只需FMV打開較小角度即可滿足指令供油量。中斷起飛后故障消失，后續(xù)試車導致異物轉(zhuǎn)移并卡阻于FMV出油口尖端部位。另一起空中停車故障，在飛機完成起動后，隨即表現(xiàn)出FMV出油口卡滯現(xiàn)象，因需滿足指令燃油流量，則必須加大FMV開度。

上述兩架飛機在發(fā)動機慢車狀態(tài)時表現(xiàn)出雙發(fā)燃油流量一致，但FMV角度差異，如圖8、圖9所示。采用空地數(shù)據(jù)鏈實時數(shù)據(jù)，可對雙發(fā)油門桿角度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、FMV及供油量等參數(shù)進行實時監(jiān)控，當雙發(fā)特征參數(shù)值達到閾值時觸發(fā)實時告警；同時需精準判斷故障發(fā)動機位置是左發(fā)還是右發(fā)，因FMV上下游壓差（即P1-P2）為定值，F(xiàn)MV角度與燃油流量存在顯著對應關(guān)系，可對發(fā)動機歷史運行大數(shù)據(jù)進行分析，擬合FMV和FF關(guān)系特征多項式，監(jiān)控FMV對應的燃油流量關(guān)系變動狀況，當達到預警值時則判斷該側(cè)發(fā)動機供油異常。

通過持續(xù)努力研發(fā)，最終擬合出關(guān)鍵參數(shù)特征關(guān)系（廈航根據(jù)自身機隊運行數(shù)據(jù)擬合出的特征多項式，線性回歸系數(shù)高達0.9995），并成功開發(fā)出趨勢及實時告警，可以有效監(jiān)測發(fā)動機健康狀況（其中一起故障提前15天預警）。后續(xù)告警系統(tǒng)穩(wěn)定運行后將發(fā)揮更大作用，大幅提升航空安全工程管理水平。廈航在已退出公司機隊的波音757飛機RB211系列發(fā)動機上已有成功的類似趨勢及實時告警開發(fā)經(jīng)驗，通過監(jiān)控各防喘活門的位置及EGT溫度特征關(guān)系，排除潛在喘振故障[5]，在該機型的服役周期內(nèi)未發(fā)生空停。

5 結(jié)束語

2020年至今，波音737NG機隊已有數(shù)起因CFM56-7B發(fā)動機HMU內(nèi)部異物卡滯導致供油系統(tǒng)故障而引起的發(fā)動機空中停車等重大故障，卡阻異物在外形、顏色、檢出元素含量方面均相似，具有一定的共源特征，初步判斷為燃油濾端蓋上的粘合膠或者孔探時外界帶入的木屑。在廠家未出臺相關(guān)解決方案和有效預防措施前，航空公司應積極分析相似故障發(fā)動機運行譯碼數(shù)據(jù)，以期發(fā)現(xiàn)故障早期特征及規(guī)律，開發(fā)基于ACARS空地數(shù)據(jù)鏈的實時及趨勢預警系統(tǒng)，對FMV角度及燃油流量等發(fā)動機核心參數(shù)進行實時監(jiān)控及預警，避免發(fā)動機空中停車，提升航空安全管理水平。

參考文獻

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