可調渦輪冷卻系統分析與故障排除方法

■ 楊嘉瑋/珠海保稅區摩天宇航空發動機維修公司

0 引言

傳統的CFM56/GE90 發動機使用高壓壓氣機（HPC）出口氣體對高壓渦輪（HPT）一級葉片內腔進行冷卻。這種設計使用定量的高壓氣體，無論發動機運行在全起飛推力、巡航還是空中慢車狀態，HPT 一級葉片都由同樣流量的HPC 出口引氣進行冷卻。但與高推力、高溫時相比，巡航或空中慢車狀態時HPT 溫度較低，實際上并不需要同樣流量的冷卻氣體。針對這個情況，LEAP發動機和GE9X 發動機引入了可調渦輪冷卻系統（MTC）。

1 工作原理

可調渦輪冷卻系統（MTC）通過調節HPC 出口向HPT 一級葉片根部的氣流通道，實現不同的飛行狀態下對氣流流量的控制，優化低溫運行及巡航狀態下燃油消耗經濟性控制。這個全新的MTC 將首次應用于LEAP 發動機，此外也在GE9X 發動機上得到了應用。

MTC 系統硬件通過全權數字發動機控制（FADEC）計算機控制由發動機核心機HPC 分配到冷卻系統的引氣量，尤其是對各個飛行航段HPT 一級葉片氣膜冷卻所需的氣量進行精確分配。進一步地，在巡航和其他低推力飛行航段時，通過減少HPC 供給HPT 一級葉片的冷卻氣，使更多的HPC 出口氣體進入燃燒室與燃油混合，增加了發動機的熱效率和燃油效率。得益于MTC 系統，發動機在長時間巡航飛行中，可以大大節約冷卻引氣量，提高了發動機的整體效率。

2 系統構造

MTC 系統包括MTC 作動筒、MTC活門和MTC 引氣管。與MTC 系統相關聯的包括安裝作動筒和活門的HPC 機匣、燃燒室機匣，以及與MTC 引氣管相連形成冷卻氣流通道的HPT 導向葉片支撐（FINS）。

2.1 MTC 作動筒

LEAP 發動機包含兩個MTC 作動筒，分別安裝于HPC 機匣兩側。MTC作動筒由伺服燃油驅動，為雙方向單側作動筒?；钊拈_關取決于SCU/SVA提供的燃油壓力。驅動MTC 作動筒的高壓燃油由SCU/SVA 出口的兩根伺服燃油管連接，將計量過的高壓伺服燃油供給作動筒驅動活塞運動。作動筒帶有單通道位移傳感器（LVDT），可將作動筒的機械位置轉化為電信號。左側的MTC 作動筒向EEC A 通道反饋活塞位置信息，右側的MTC 作動筒向EEC B通道反饋活塞位置信息。

2.2 MTC 活門

MTC 活門是可調提升閥，包括曲臂組件、活門殼體、推桿、作動筒耳軸、滑動桿和支撐殼體。MTC 活門通過推桿鏈接機構與作動筒相連，帶動滑動桿實現與殼體之間的相對運動。帶有三個通氣孔的中空殼體安裝在HPC 出口和燃燒室入口之間，中間的提升閥通過曲臂組件控制徑向位置。如圖1 所示，當提升閥向上運動時，殼體通氣管的三個通氣孔導通，引導流經通氣管的HPC出口冷卻氣進入MTC 總管；當提升閥向下運動時，殼體通氣管的三個通氣孔被遮擋，HPC 的出口冷卻氣無法通過MTC 活門進入MTC 總管。

圖1 MTC活門提升閥工作狀態

2.3 MTC 引氣管

MTC 引氣管是一個環形中空引氣管，連接環殼體一端與MTC 活門的出口端相連，兩根軸向的歧管管端與HPT導向葉片支撐（FINS）3 點和9 點位置的導向孔相連。MTC 活門打開時，MTC 引氣管可以將HPC 出口氣體引導至FINS 導向孔內，用以給HPT 一級葉片冷卻。6 個螺孔支架通過與燃燒室機匣相連固定該引氣管。

2.4 運行方式

如圖2 所示，在MTC 系統中，MTC 作動筒由EEC 控制的SCU/SVA分配燃油作動，帶動MTC 活門中的提升閥。當提升閥運動到100%位置時，MTC 活門的通氣孔打開，HPC 出口氣體通過MTC 活門進入MTC 引氣管，對FINS 的其中兩個導向孔通氣。當提升閥運動到0%位置時，MTC 活門的通氣孔關閉，FINS 這兩個與MTC 引氣管相連的導向孔就沒有引氣通過。

圖2 MTC系統運行原理簡圖

另一點需要注意的是，在FINS 上共有8 個導向孔，其中3 點和9 點方向的兩個導向孔與MTC 引氣管相連，起到冷卻氣氣量調節的作用；另外6 個導向孔沒有與MTC 引氣管相連，HPC 出口的氣體直接供給HPT 一級葉片進行冷卻。兩種構型導向孔的冷卻氣流路線如圖3 所示。換言之，即便在MTC 活門關閉、MTC引氣管沒有供氣的情況下，HPT 一級葉片也由于75%的導向孔作用而保有持續冷卻氣。

圖3 HPT一級葉片冷卻氣流

2.5 運行計劃

MTC 系統通過調節MTC 活門的打開位置，控制HPC 出口壓力（CDP）氣流引向HPT 一級葉片的氣流流量。根據不同的飛行狀態，MTC 作動筒打開或關閉MTC 活門。MTC 活門帶的單通道LVDT 將活門位置的電信號反饋給EEC。

?在低功率運行（巡航、減速和地面運行）時，MTC 系統關閉MTC 活門，HPC 出口壓力（CDP）氣流通過FINS的8 個導向孔中的6 個，對HPT 一級葉片進行冷卻；

?在高功率運行（起飛和爬升）時，MTC 系統打開MTC 活門，HPC 出口壓力（CDP）氣流被引向FINS 全部8個導向孔，提供HPT 一級葉片的冷卻氣。

在圖4 所示的MTC 系統工作計劃中，MTC 位置信號100%代表活門全開位，0%代表活門全關位。可以看出，EEC 規劃MTC 活門位置計劃時帶有遲滯性，應避免在發動機加減速過程中頻繁作動活門。

圖4 MTC系統工作計劃

2.6 構型更改

CFMI 針對LEAP-1B 發動機發布了服務公告 72-00-0124，對在翼和生產線上的發動機提出改進。使用數據證明現有的雙MTC 系統過于冗余。改進后的構型刪除了右側的MTC 系統，包括一個MTC 作動筒、一個MTC 活門，并引進了構型更改后的MTC 引氣管。

完成服務通告后的MTC 系統進一步減少了高溫、高推力下的一級渦輪葉片高壓所需的冷卻氣。與原構型相比，在高溫、高推力工作情況下，所需調節的冷卻氣變化量為原來的50%，且改裝可為每臺發動機減少12.5Pb（5.7kg）重量。

3 故障分析

3.1 作動部件故障

在飛機運行過程中，MTC 作動筒、MTC 活門等活動部件可能存在卡阻或作動筒伺服燃油泄壓，使作動筒命令值與實際值不符。在MMEL 75-23-02 中，允許每臺發動機有兩個MTC 作動筒（已執行SB 72-00-0124 的構型為一個MTC作動筒）失效。當出現故障信息需要保留飛行時，需將至少一個MTC 活門鎖在開位。將MTC 活門的曲臂組件向發動機后側伸展，鎖定螺桿可將活門鎖在接耳上，從而使活門鎖在開位。鎖定在開位的MTC 活門能保證在任何飛行階段HPC 出口送往HPT 一級渦輪葉片根部的冷卻氣量都是最大的通氣模式。

3.2 靜止部件故障

另一種故障模式為MTC 引氣管的活塞環錯位或丟失。MTC 引氣管每個歧管管端和FINS 的導向孔之間裝有一個金屬材質、周向帶彈性的活塞環，起密封作用。活塞環在作動過程中曾被發現錯位甚至丟失?；钊h錯位或丟失不會對MTC 系統的工作帶來影響，因此在飛機運行狀態下無法被發現。

但如果活塞環在工作過程中斷裂脫落，活塞環碎片有可能被HPC 氣體吹至HPT 一級葉片的冷卻腔，即HPT 前轉子封嚴盤和HPT 一級盤之間?；钊h在高速轉動的渦輪轉子空腔內被打碎成碎片，并隨冷卻氣流繼續向下游運動，如圖5 所示，碎片最終會卡阻在一級渦輪葉片根部的冷卻氣道內?？ㄗ璧幕钊h碎片將嚴重影響渦輪葉片的冷卻氣流道，導致這一流道的冷卻氣無法供應。世界機隊中曾有一例MTC引氣管活塞環脫落案例，最終導致一片HPT 一級葉片燒傷、葉身剝落的事件。

圖5 MTC總管活塞環造成內物損傷

4 排故工作范圍

4.1 HPT 導向葉片支撐（FINS）

移位的活塞環材料卡在MTC 通氣管歧管管端和HPT導向葉片支撐（FINS）的引氣孔之間，將導致引氣孔孔壁磨損。對于發現有活塞環移位或者丟失的發動機，需要在廠內維修時詳細檢查FINS，尤其是與MTC 通氣管相連的引氣孔配合面。

4.2 HPT 前轉動封嚴（FOS）和HPT 出口靜子封嚴（HPTOSS）

脫落的活塞環材料向下游移動，可能被HPC 出口氣體吹至HPT 前轉動封嚴（Forward Outer Seal） 和HPT 出 口靜子封嚴（HPTOSS）之間。如圖6 所示，當活塞環卡在FOS 的篦齒封嚴和HPTOSS 的金屬蜂窩之間時，高速旋轉的FOS 會使活塞環絞爛HPTOSS 的蜂窩材料，產生大量的金屬屑。這些金屬屑會在運行狀態下繼續向后移動，通過剩余的篦齒封嚴間隙進入主流道。也會有部分金屬屑在碰撞過程中穿過FOS 的導向孔，進入FOS 與HPT 一級盤之間。圖7 所示為因上述原因造成的金屬蜂窩損傷，需要根據ESM 對蜂窩材料進行恢復修理，相應的FOS 則需要執行齒尖涂層噴涂修理。

圖6 MTC總管活塞環導致HPTOSS損傷

圖7 HPTOSS金屬蜂窩損傷

4.3 HPT 轉子葉片

世界機隊中曾有一臺運營中的LEAP-1B 發動機孔探發現一片HPT 一級轉子葉片后緣材料丟失，其他葉片卻沒有類似損傷情況。發動機拆下后，發現這片損傷的渦輪葉片后緣冷卻流道里有外來物殘留，材料分析為來自MTC通氣管活塞環。活塞環碎片堵塞在渦輪葉片后緣冷卻流道，導致冷卻氣流無法通過，繼而導致渦輪葉片葉身缺乏冷卻而燒蝕，損傷狀況如圖8 所示。因此，針對發現有MTC 通氣管活塞環脫落或丟失的發動機，需要在發動機分解過程中收集活塞環碎屑。如果所收集的碎屑不能拼出完整的活塞環，則需要對HPT一級轉子葉片進行詳細檢查，尤其要確保葉片榫頭的冷卻氣道內沒有殘留的外來物，包括活塞環或是蜂窩材料碎屑等堵塞氣道。

圖8 MTC總管活塞環導致渦輪葉片損傷

4.4 改進方案

當前使用的件號為2548M46G02的MTC 引氣管在兩個歧管管端有圓角凹槽，裝配C 型金屬帶預張緊的活塞環，但圓角凹槽的尺寸有可能使活塞環滑出凹槽。CFMI 公司針對MTC引氣管活塞環松脫情況發布了LEAP-1B SB 72-00-0293，該服務通告發布了新構型的MTC 引氣管，改善了活塞環的張緊度。執行該服務通告后，MTC 引氣管件號從2548M46G02 更改到2548M46G03。此外，執行SB 72-00-0296 前需先完成上文提到的SB 72-00-0124。