淺談航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油壓力監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

魯英杰

摘要：滑油壓力是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要運(yùn)行參數(shù)，各型發(fā)動(dòng)機(jī)針對(duì)滑油壓力都有嚴(yán)格的監(jiān)控設(shè)計(jì)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)滑油壓力過低時(shí)往往需要執(zhí)行發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)車操作。若滑油壓力監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生故障，可能導(dǎo)致虛假的滑油低壓警告，從而造成不必要的發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車事件。本文選取多個(gè)機(jī)型，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)比分析了滑油壓力監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上可能存在的問題，并提出改進(jìn)思路。

關(guān)鍵詞：滑油壓力監(jiān)控；空中停車；改進(jìn)

Keywords：oil pressure monitoring；in-flight shutdown；improvement

0 引言

滑油壓力是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要運(yùn)行參數(shù)，滑油壓力過高或過低都會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行造成影響，尤其是當(dāng)滑油壓力低于門檻值時(shí)需要飛行機(jī)組關(guān)停發(fā)動(dòng)機(jī)，以避免發(fā)動(dòng)機(jī)在潤(rùn)滑不良狀態(tài)下運(yùn)行而造成損傷。各型發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)滑油壓力的監(jiān)控在設(shè)計(jì)上存在差異，日常運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)顯示，某些設(shè)計(jì)在特定的情況下，可能導(dǎo)致機(jī)組誤判，引起不必要的發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車事件。

本文以目前民航客機(jī)的主流機(jī)型A320系列為樣本，選取其搭載的三種型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)CFM56-5B、V2500、PW1100G，通過分析三種發(fā)動(dòng)機(jī)滑油壓力監(jiān)控系統(tǒng)的原理，結(jié)合具體的案例，探索該類設(shè)計(jì)問題的改進(jìn)思路。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)介紹

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)基本原理[1]

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，各個(gè)部件摩擦表面之間以很高的速度作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，金屬表面之間的摩擦不僅增大發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的功率消耗，使零部件工作表面迅速磨損，摩擦所產(chǎn)生的熱量還可能使某些工作零件表面過熱，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。各類型發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的主要作用均相同，即減少摩擦表面的相互摩擦力；保護(hù)摩擦部件免受化學(xué)和機(jī)械磨損；吸收摩擦熱量，并隨油循環(huán)將其轉(zhuǎn)移。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)監(jiān)控參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)是否正常工作，主要通過對(duì)以下三個(gè)參數(shù)的監(jiān)控來判斷：滑油壓力、滑油溫度、滑油量，其中以滑油壓力最為重要和敏感。

以空客A320系列飛機(jī)為例，目前可選裝的四種發(fā)動(dòng)機(jī)CFM56、V2500、PW1100G、LEAP1A在運(yùn)行中對(duì)滑油壓力的監(jiān)控均十分嚴(yán)格，當(dāng)滑油壓力過低時(shí)，要求機(jī)組關(guān)停發(fā)動(dòng)機(jī)。

1.3 A320系列飛機(jī)各型發(fā)動(dòng)機(jī)滑油壓力監(jiān)控系統(tǒng)原理[2，3]

選取CFM56-5B、V2500、PW1100G三種發(fā)動(dòng)機(jī)，分析其滑油壓力監(jiān)控系統(tǒng)。

1）CFM56-5B型發(fā)動(dòng)機(jī)

CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)滑油壓力的監(jiān)控設(shè)計(jì)了滑油壓力傳感器和滑油低壓電門兩個(gè)感應(yīng)元件（見圖1）。

傳感器用于探測(cè)滑油壓力的具體數(shù)值，將信號(hào)傳輸給EIU（發(fā)動(dòng)機(jī)接口組件），經(jīng)EIU處理后用于駕駛艙指示。當(dāng)傳感器探測(cè)到滑油壓力數(shù)值過高或過低時(shí)，駕駛艙的滑油壓力指示會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化（閃爍、由綠變紅），但不會(huì)產(chǎn)生告警。

低壓電門不具有探測(cè)滑油壓力數(shù)值的功能，僅提供離散信號(hào)給EIU，當(dāng)滑油壓力小于13psi時(shí)，電門會(huì)觸發(fā)紅色警告“ENG 1（2）OIL LO PR”，并伴有提示語(yǔ)句，要求機(jī)組檢查滑油壓力，若確認(rèn)小于13psi則關(guān)停發(fā)動(dòng)機(jī)。

2）V2500型發(fā)動(dòng)機(jī)

V2500發(fā)動(dòng)機(jī)滑油壓力的監(jiān)控設(shè)計(jì)與CFM56-5B類似，有滑油壓力傳感器和滑油低壓電門兩個(gè)感應(yīng)元件，前者用于指示數(shù)值，后者用于觸發(fā)紅色警告“ENG 1（2）OIL LO PR”。區(qū)別是在CFM56-5B的基礎(chǔ)上多了琥珀色警告“ENG 1（2）OIL LO PR”，該警告由滑油壓力傳感器探測(cè)到壓力小于80psi時(shí)觸發(fā)，警告顯示時(shí)不會(huì)有其他提示語(yǔ)句。當(dāng)壓力繼續(xù)下降至小于60psi時(shí)，由滑油低壓電門觸發(fā)紅色警告”ENG 1（2）OIL LO PR”，覆蓋琥珀色警告并伴有提示語(yǔ)句，要求機(jī)組檢查滑油壓力，若確認(rèn)小于60psi則關(guān)停發(fā)動(dòng)機(jī)（見圖2）。

3）PW1100G型發(fā)動(dòng)機(jī)

PW1100G發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)滑油壓力的監(jiān)控設(shè)計(jì)了兩個(gè)感應(yīng)元件，一是雙通道設(shè)計(jì)的滑油壓力傳感器，另一是滑油低壓電門。

傳感器用于指示滑油壓力的具體數(shù)值，包含兩個(gè)獨(dú)立的子傳感器，分別將壓力信號(hào)傳送給EEC（發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制計(jì)算機(jī)）的A和B通道。當(dāng)滑油壓力小于門檻值時(shí)（門檻值隨N2轉(zhuǎn)速變化，高功率時(shí)為186psi，低功率時(shí)為75psi），駕駛艙內(nèi)顯示琥珀色警告“ENG 1（2）OIL LO PR”，不會(huì)有其他提示語(yǔ)句。當(dāng)滑油壓力進(jìn)一步減少時(shí)（門檻值隨N2轉(zhuǎn)速變化，高功率時(shí)為176psi，低功率時(shí)為65psi），ECAM顯示紅色警告“ENG 1（2）OIL LO PR”并伴有提示語(yǔ)句，要求機(jī)組關(guān)停發(fā)動(dòng)機(jī)（見圖3）。

低壓電門不具有探測(cè)滑油壓力數(shù)值的功能，也不參與滑油低壓警告的觸發(fā)，僅提供離散信號(hào)給EIU。其功能是當(dāng)EEC兩個(gè)通道探測(cè)到的滑油壓力不一致時(shí)，協(xié)助EEC判斷哪一通道的數(shù)據(jù)可用。

2 實(shí)際運(yùn)行案例

2.1 案例一：V2500機(jī)型出現(xiàn)虛假滑油低壓警告，干擾機(jī)組操作

一架配裝V2500發(fā)動(dòng)機(jī)的A320飛機(jī)執(zhí)行航班。起飛后機(jī)組發(fā)現(xiàn)右發(fā)滑油壓力指示低，并有琥珀色ECAM警告“ENG 2 OIL LO PR”。機(jī)組觀察到右發(fā)滑油壓力指示小于60psi，認(rèn)為需要關(guān)停右發(fā)，聯(lián)系地面尋求支持。地面工程師與機(jī)組通話，確認(rèn)右發(fā)滑油壓力低至小于60psi，之后緩慢上升，同期滑油溫度和滑油量無異常，初步判斷是滑油壓力指示故障，機(jī)組決定繼續(xù)監(jiān)控飛行。飛機(jī)落地后，再次與機(jī)組溝通并通過QAR譯碼確認(rèn)，滑油壓力多次且長(zhǎng)時(shí)間指示小于60psi，但全程未觸發(fā)紅色警告“ENG 2 OIL LOPR”，僅有琥珀色警告“ENG 2 OIL LOPR”，由此說明滑油壓力傳感器和低壓電門給出的信號(hào)不一致，判斷是傳感器故障。更換傳感器后，故障排除。

事后分析調(diào)查中發(fā)現(xiàn)該次事件存在兩處安全隱患：

1）機(jī)組第一次判斷需要關(guān)停右發(fā)時(shí)，并未意識(shí)到“ENG 2 OIL LO PR”有兩種不同顏色的警告，而是認(rèn)為當(dāng)警告文字“ENG 2 OIL LO PR”出現(xiàn)并伴隨滑油壓力指示小于60psi時(shí)就應(yīng)當(dāng)關(guān)停發(fā)動(dòng)機(jī)。由于飛行手冊(cè)為黑白打印，機(jī)組翻閱手冊(cè)時(shí)也未發(fā)現(xiàn)存在琥珀色和紅色兩種不同的警告。

2）地面工程師首次與機(jī)組聯(lián)絡(luò)時(shí)處于應(yīng)急狀態(tài)，沒有足夠時(shí)間查閱系統(tǒng)原理手冊(cè)，未充分掌握該型發(fā)動(dòng)機(jī)滑油低壓監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理，因此未在第一時(shí)間意識(shí)到警告存在兩種不同顏色，而是根據(jù)滑油量和滑油溫度來輔助判斷是否存在滑油壓力指示故障。

由此可見，此次事件的故障現(xiàn)象對(duì)飛行人員和工程技術(shù)人員的判斷均產(chǎn)生了干擾。

2.2 案例二：PW1100G機(jī)型出現(xiàn)虛假滑油低壓警告，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)空中關(guān)車

一架A320neo飛機(jī)發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車事件。發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為PW1100GJM，序號(hào)為P7705XX。飛行中間歇性出現(xiàn)低滑油壓力警告，機(jī)組空中關(guān)停發(fā)動(dòng)機(jī)。飛機(jī)落地后，檢查發(fā)動(dòng)機(jī)滑油量正常，未見滑油滲漏。更換滑油壓力傳感器，故障依舊。發(fā)現(xiàn)連接傳感器的導(dǎo)線束有明顯夾傷痕跡，更換導(dǎo)線束后故障排除。

3 分析和改進(jìn)

3.1 CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)

CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)是較早投入使用的機(jī)型，滑油壓力監(jiān)控設(shè)計(jì)最簡(jiǎn)潔，但可靠性較高。機(jī)組執(zhí)行關(guān)車動(dòng)作的前提是兩個(gè)感應(yīng)元件雙重確認(rèn)，即低壓電門觸發(fā)紅色警告和滑油壓力傳感器提供的儀表顯示數(shù)值小于門檻值。雙重確認(rèn)的設(shè)計(jì)可以避免因感應(yīng)元件故障導(dǎo)致的不必要的發(fā)動(dòng)機(jī)空停事件。該機(jī)型的缺點(diǎn)是功能較簡(jiǎn)單。

3.2 V2500發(fā)動(dòng)機(jī)

1）V2500發(fā)動(dòng)機(jī)存在的問題

V2500發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)了琥珀色和紅色兩種滑油低壓警告，均顯示為“ENG 1（2）OIL LO PR”，文字完全相同，但顯示的顏色不同，且觸發(fā)的條件也不同。

琥珀色警告的設(shè)計(jì)可以起到緩沖作用，幫助機(jī)組預(yù)判并提前關(guān)注到發(fā)動(dòng)機(jī)滑油壓力降低現(xiàn)象，做好必要的準(zhǔn)備。但由于兩種警告在文字上完全相同，存在容易混淆的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是當(dāng)傳感器故障出現(xiàn)虛假低壓指示時(shí)，可能導(dǎo)致機(jī)組誤判，引起不必要的發(fā)動(dòng)機(jī)空停。許多航空公司由于成本原因，飛行手冊(cè)未使用彩色打印，進(jìn)一步增加了這種風(fēng)險(xiǎn)。

2）改進(jìn)思路

若對(duì)警告的文字進(jìn)行修改，如將琥珀色警告“ENG 1（2）OIL LO PR”修改為“ENG 1（2）OIL DECREASING”，則可避免這種安全隱患。

3.3 PW1100G發(fā)動(dòng)機(jī)

1）PW1100G發(fā)動(dòng)機(jī)存在的問題

PW1100G發(fā)動(dòng)機(jī)在V2500發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了雙通道的滑油壓力傳感器，其雙重確認(rèn)功能由兩個(gè)可指示具體數(shù)值的傳感器實(shí)現(xiàn)，同時(shí)配以低壓電門，當(dāng)某個(gè)通道出現(xiàn)故障時(shí)，由低壓電門協(xié)助判斷故障通道。這種設(shè)計(jì)在理論上相比傳統(tǒng)機(jī)型更加先進(jìn)可靠，兩個(gè)子傳感器能互為備份，增加了滑油壓力指示的可靠性。當(dāng)某一個(gè)子傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，雙通道的設(shè)計(jì)可以避免滑油壓力指示失效，同時(shí)結(jié)合滑油低壓電門的信號(hào)可以判斷出可用的通道。

但實(shí)際運(yùn)行中該機(jī)型仍然出現(xiàn)了虛假滑油低壓導(dǎo)致的空停事件。究其原因，雖然傳感器為雙通道設(shè)計(jì)，但兩個(gè)子傳感器位于同一殼體內(nèi)，安裝在同一區(qū)域，且共用一段導(dǎo)線束，因此某些共性因素可能會(huì)對(duì)兩個(gè)子傳感器的信號(hào)同時(shí)產(chǎn)生干擾。例如，上文案例二中提到導(dǎo)線束被夾傷，由于兩個(gè)傳感器共用了這段線束，導(dǎo)致EEC雙通道同時(shí)獲取了低滑油壓力信號(hào)，此時(shí)雖然低滑油壓力電門沒有給出低壓信號(hào)，但因其不參與警告的觸發(fā)，警告完全由傳感器控制，于是導(dǎo)致出現(xiàn)虛假的低滑油壓力警告，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)組在空中關(guān)停發(fā)動(dòng)機(jī)。

2）改進(jìn)思路

將雙通道傳感器更改為兩個(gè)獨(dú)立的傳感器，分開安裝并分別布線將數(shù)據(jù)傳送給EEC的A/B通道，避免單個(gè)干擾源同時(shí)影響兩路信號(hào)；將低壓電門的信號(hào)加入到警告觸發(fā)條件中，降低出現(xiàn)虛假滑油低壓警告的可能性。

4 總結(jié)

滑油壓力是航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的重要參數(shù)，本文基于空客A320系列飛機(jī)搭載的三種型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的滑油壓力監(jiān)控系統(tǒng)原理，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生的案例，簡(jiǎn)述了不同設(shè)計(jì)的利弊，嘗試性提出了改進(jìn)方案，為提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油壓力監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性拓展更多的可能性。

參考文獻(xiàn)

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[3]空客公司.空中客車飛行機(jī)組操作手冊(cè)（FCOM）[Z]. 2021-10-5.