V2500發動機LPC 2.5級放氣機構的分析與監控

師超 張杰

摘要：通過對V2500發動機LPC 2.5級放氣機構工作原理、損傷形式、失效規律、警告觸發原因進行分析，提出對該機構的三種監控控制措施，為發動機機隊管理提供有效的方案。

關鍵詞：LPC 2.5級放氣活門機構；B25TK；ENG X COMPRESS VANE警告

Keywords：LPC 2.5 bleed valve mechanism；B25TK；ENG X COMPRESS VANE warning

0 引言

V2500發動機低壓壓氣機（LPC）2.5級放氣機構是發動機內部重要的防喘機構，利用中間級放氣改變氣流量，從而調節氣流攻角，增加低壓壓氣機的喘振裕度。

因機構設計和材料原因，該機構在實際運行過程中經常出現作動機構磨損情況，逐漸導致壓氣機性能惡化，喘振裕度降低，甚至出現發動機不放行警告信息和喘振。

目前，廠家針對該機構沒有制定定期檢查項目，一旦出現外站排故，孔探發現損傷，易出現AOG停場換發的情況，給航空公司運行成本造成很大的負擔。航空公司要在適航安全性和運行經濟性方面做到兩者兼顧，需要對該機構的安全風險進行有效評估和監控。

1 LPC 2.5級放氣機構工作原理

該機構由EEC、FMU、BSBV主副作動筒、作動機構（Valve Ring 、Support Ring、Bleed Duct）及主作動筒上的反饋傳感器LVDT組成。

EEC監控并計算N1轉速、高度、馬赫數等信息，發出指令信號給BSBV主作動筒上的力矩馬達，力矩馬達控制作動筒內的伺服燃油方向和流量，從而控制作動筒的伸縮，帶動作動機構開關，改變LPC氣流通道內的空氣流量。

2 LPC 2.5級放氣機構結構

LPC 2.5級放氣機構由作動環、支撐環、放氣通道組成，作動環共有10個支撐搖臂。其中，位于3點鐘和9點鐘的搖臂分別連接主副作動器連桿。主副作動筒帶動作動桿軸向運動時，作動環既發生軸向又發生周向旋轉，完成打開或關閉動作。作動筒伸出時，作動環向前運動并打開放氣通道；作動筒收回時，作動環向后運動并關閉放氣通道，如圖1所示。

作動環是機構中最薄弱的部件。作動環為鋁合金材質，相比其他部件材質偏軟。作動環中有10個U型腔，作為搖臂的存放空間。每個U型腔有上下2個安裝孔，2個鋼制襯套通過沖點工藝固定在作動環的U型腔安裝孔上，銷釘沿徑向從內向外依次穿過內襯套、搖臂、外襯套，依靠E型鎖片卡住銷釘（見圖2）。當主副作動搖臂運動時，帶動銷釘，從而帶動作動環運動，其他輔助搖臂隨動。

3 LPC 2.5級放氣機構損傷形式

LPC 2.5級放氣機構主要的磨損形式有銷釘孔磨損、E型鎖片松脫、機構磨損下的卡阻。

3.1 銷釘孔磨損

銷釘孔磨損是在振動和壓緊力復合作用力下形成的。

作動環機構是一個懸臂梁結構部件。機構工作時，主要接觸運動為銷釘與襯套之間的運動，作動環部分伸入到放氣通道中，在氣流擾動下不斷上下振動，引起在銷釘孔位置持續擺動（見圖3）。

作動環的自身擺動將導致襯套松脫，此時主要接觸部件將由襯套與銷釘演變為襯套與作動環U型腔本體孔，由于部件材質不同（鋁合金與鋼制材料），導致U型腔本體孔磨損。從受力分析上看，作動環伸出后，搖臂作為支點更加靠近內襯套位置，造成內襯套位置受力較大。由于作動環U型腔體內壁厚度較薄，經過一定時間的磨損擴展，U型腔體內壁將磨穿。

U型腔體內壁磨損程度大致分為三個階段（見圖4）：U型腔內壁磨損、U型腔內壁裂紋、U型腔內壁磨穿。

LPC 2.5級放氣機構處在完全關閉位時，作動環約存在400磅寸的壓緊力，發動機在巡航時，作動環處在壓緊力的作用下，其自身的持續振動使磨損孔逐漸向發動機后部移動，導致作動機構關閉位后移，放氣機構BAF（2.5 BLEED ACTUATOR FEEDBACK）值關閉最大值持續增大。

3.2 E型鎖片松脫

孔探作動機構時，可以發現E型鎖片丟失、銷釘脫出現象。E型鎖片的作用是鎖緊銷釘在位。當U形腔未磨損時，E型鎖片隨銷釘旋轉，不與作動環外壁接觸；當U型腔磨損時，E型鎖片將與作動環外壁接觸，受力過大將導致E型鎖片脫出（見圖5）。

3.3 機構卡阻

當E型鎖片丟失或U型腔過度磨損時，銷釘失去固定，將在搖臂的作用力下發生徑向移動：

1）U型腔內壁磨損，活門打開時，銷釘外移，與支撐環接觸，導致磨損和機構卡阻；

2）E型鎖片丟失，活門關閉時，銷釘內移，與2.5級壓氣機外壁接觸，導致磨損和機構卡阻。

支撐環磨損與2.5級壓氣機外壁磨損如圖6、圖7所示 。

兩種磨損型的機構卡阻均將導致EEC指令信號與LVDT反饋信號不一致，即機構的BAF值與N1不符合EEC控制邏輯，導致B25TK故障碼的產生，故障進一步累計導致駕駛艙警告信息ENG X COMPRESS VANE或ENG X FADEC出現。

4 LPC 2.5級放氣機構的監控措施

LPC 2.5級放氣機構損傷的影響主要表現為發動機安全狀態惡化，即機構磨損進而誘發機構卡阻，影響LPC喘振裕度，如果發動機在高轉速向低轉速轉換時機構卡阻在關閉位，易發生喘振，同時機構卡阻將觸發ENG X COMPRESS VANE不放行警告。

本文從孔探監控、性能監控、QAR數據分析三個方面入手，討論相關的機隊控制措施。

4.1 孔探監控方式

目前，廠家沒有針對該機構的孔探檢查要求，也沒有相關的放行標準。所以，需要通過機隊運行經驗制定適合本機隊的放行標準細則。

首先，基于威布爾參數法分析機隊近十年來的運行數據，劃定高風險的發動機范圍（見圖8、圖9）。分析顯示，LPC 2.5級放氣機構的磨損情況與使用飛行循環呈以下規律：

1）在13241FC時，放氣機構失效的概率最大。此數據已經接近大部分發動機的壽命末期，所以選擇該點做檢查不合理。

2）LPC 2.5級放氣機構達到9358FC時，可靠度下降到90%；達到11000FC時，可靠度下降到80%。

因此，當LPC 2.5級修后使用循環超過11000FC后可以進行孔探檢查，縮短檢查間隔。其次，應制定不同孔探狀態對應的重復檢查標準，以便放行發動機。

4.2 性能監控方式

監控數據顯示，當LPC 2.5級放氣機構發生磨損時，發動機性能參數的變化主要體現在以下幾個方面：

活門位置反饋（BAF）上升（見圖10）；

排氣溫度（EGT）上升（見圖11）；

燃油流量（FF）上升（見圖12）；

低壓壓氣機效率（%LPR）降低（見圖13）。

其中，FF和EGT會受到其他因素的影響而變化，BAF和Delta %LPR受2.5級放氣機構影響比較直觀，且可以量化。通過監控這兩個參數，制定詳細的BAF、%LPR放行標準，可以簡單方便地實現機隊LPC 2.5級放氣機構的狀態監控。

4.3 QAR數據分析監控方式

本文試圖通過以數據擬合的方式建立N1C（N1修正）與BAF的關系，通過分析發動機QAR數據，繪制相關參數的包線范圍，判斷機構狀態。

圖14為LPC工作喘振裕度曲線，隨著發動機轉速與空氣流量的變化，發動機的穩定工作曲線與喘振邊界的距離發生變化，同時LPC 2.5級作動機構也發生變化，改變了工作曲線。加速過程中，由于轉差率不同，HP軸轉速上升較快，造成較強吸能過程，雖然空氣流量加大，P2.5/ P2壓比較低，同時LPC 2.5級作動機構向關閉位運動，工作線遠離喘振邊際線，最終在新的工作點達到穩定轉態。減速過程中，高壓軸轉速下降較快，將阻止氣流的流動，P2.5/P2壓比較大，工作線貼近喘振邊際線，此時2.5級作動機構向打開位運動，最終穩定在慢車工作點。

根據QAR譯碼數據，BAF（2.5 BLEED ACTUATOR FEEDBACK）代表作動筒行程，正常范圍為0～100，其中，0為full open位，100為full close位。部分機構可達行程至110，當BAF為95～105時認為系統處在full close位；超過或低于120時，其真實行程應減128，即達到0以下。

正常執行航班的BAF與N1譯碼數據如圖15所示，從中可以看出Take Off、Top of Climb、Decent階段。發動機N1轉速在某些區間內變化時BAF發生了大范圍的行程變動，慢車功率作動環為全開位；隨著N1轉速上升，作動環逐步關閉，高轉速下作動環處于全關位；N1轉速下，作動環逐步打開。

由圖18可知，LPC 2.5放氣機構工作區間0～100對應的N1轉速控制區約為55%～80%。發動機加速與減速階段的控制不同，地面加速初始階段N1變化時，BAF變化較緩慢，N1在55%以后作動機構打開速率加大，減速階段作動機構關閉速率較均勻。發動機運行階段，BAF與N1對應點如超出兩條曲線閉合區域范圍，可以認為系統發生了故障。

該方法還處于探索階段，仍然需要更多的數據驗證。

5 總結

本文通過對V2500發動機LPC 2.5放氣機構工作原理的介紹，詳細分析了放氣機構U型腔磨損與E型鎖片丟失造成機構卡阻，進而導致B25TK故障碼的演變過程，提出了對該機構進行監控的三種措施：孔探監控、性能監控和QAR數據分析，為機隊管理和排故工作提供一定的指引。