基于慢車性能參數(shù)的RB211-535E4發(fā)動(dòng)機(jī)喘振健康監(jiān)控方案

■ 韓小琦/廈門航空有限公司

2015 年前后，廈航8臺(tái)RB211-535E4在翼發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)隊(duì)一年內(nèi)發(fā)生了兩起慢車喘振超溫導(dǎo)致機(jī)組關(guān)車事件，為此建立了發(fā)動(dòng)機(jī)慢車EGT參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)該型發(fā)動(dòng)機(jī)防喘放氣系統(tǒng)的健康監(jiān)控。通常發(fā)動(dòng)機(jī)廠商和航空公司僅關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)的高功率性能參數(shù)，如起飛階段或者巡航階段的參數(shù)，而慢車參數(shù)由于其本身的不穩(wěn)定性，業(yè)內(nèi)鮮有對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控的應(yīng)用案例。本文所述案例，根據(jù)RB211-535E4發(fā)動(dòng)機(jī)特殊的防喘邏輯原理，找到了巧妙利用慢車性能參數(shù)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)防喘性能的應(yīng)用方法，可為慢車性能參數(shù)在其他型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)上的監(jiān)控應(yīng)用提供參考。

1 RB211發(fā)動(dòng)機(jī)防喘系統(tǒng)工作原理簡介[1]

1.1 基本功能

RB211-535E4發(fā)動(dòng)機(jī)的防喘系統(tǒng)主要利用兩種方法進(jìn)行主動(dòng)喘振預(yù)防和改出：壓氣機(jī)活門放氣和瞬態(tài)壓力組件（TPU）減少供油。

當(dāng)TPU探測到喘振時(shí)，發(fā)送控制信號(hào)改變放氣活門控制組件（BVCU）程序，提供高能點(diǎn)火，控制瞬態(tài)燃油組件（TFU）減少供油，幫助發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)到正常狀態(tài)。TPU只有在探測到喘振時(shí)才會(huì)作動(dòng)，因此其實(shí)際作動(dòng)非常罕見，因此故障率較低。

壓氣機(jī)放氣活門控制系統(tǒng)如圖1所示，主要包括6個(gè)放氣活門：1個(gè)高壓2級(jí)活門、2個(gè)高壓3級(jí)活門、3個(gè)中壓6級(jí)活門。BVCU接收N2、T2、PLA和高度電門等信號(hào)，控制放氣活門的開關(guān)。為了降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗、提高發(fā)動(dòng)機(jī)EGT裕度，同時(shí)也為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)在較高的喘振裕度工況下持續(xù)工作，壓氣機(jī)放氣系統(tǒng)需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和運(yùn)行狀態(tài)不停地調(diào)整各個(gè)活門，頻繁作動(dòng)導(dǎo)致放氣活門系統(tǒng)成為防喘系統(tǒng)的主要故障源，也就成為了防喘監(jiān)控對(duì)象。

圖1 防喘放氣活門的系統(tǒng)工作原理

1.2 現(xiàn)有防喘監(jiān)控方式的缺陷

現(xiàn)有的防喘監(jiān)控方式均存在缺陷。RB211發(fā)動(dòng)機(jī)的防喘監(jiān)控可以通過單機(jī)版的COMPASS監(jiān)控軟件或羅羅公司提供的遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)站來實(shí)現(xiàn)。然而，這兩套監(jiān)控系統(tǒng)均是通過收集發(fā)動(dòng)機(jī)高功率運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的報(bào)文（如起飛報(bào)和巡航報(bào)）來進(jìn)行監(jiān)控管理的。但從圖2右側(cè)框內(nèi)狀態(tài)可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)大功率下，所有活門均應(yīng)處于關(guān)閉位置。如活門在關(guān)閉位故障而無法打開，此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能狀態(tài)并不會(huì)表現(xiàn)出任何異常。而放氣活門防止發(fā)動(dòng)機(jī)喘振的基本原理正是將放氣活門打開，以獲得更大的喘振裕度。因此，對(duì)高功率發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)的監(jiān)控?zé)o法達(dá)到有效監(jiān)控放氣活門防喘性能的目的。

2 慢車參數(shù)的原理

目前，高功率性能參數(shù)已經(jīng)得到了非常廣泛和有效地應(yīng)用，利用高功率階段豐富的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)已經(jīng)組合開發(fā)了很多廣為人知的性能參數(shù)，如EGTM、DFF和DEGT等[2]。隨著ACARS報(bào)文數(shù)據(jù)量的增加，高功率參數(shù)使用范圍和功能也越來越強(qiáng)大。然而，低功率慢車參數(shù)也有其無法替代的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

2.1 慢車性能參數(shù)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)分析

慢車狀態(tài)是一個(gè)比較有特點(diǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。慢車狀態(tài)是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的最低功率狀態(tài)，主要在地面滑行等待和下降階段使用。RB211不僅有高低慢狀態(tài)，還有瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩種模式。發(fā)動(dòng)機(jī)在慢車階段不僅需要維持發(fā)動(dòng)機(jī)的最低運(yùn)轉(zhuǎn)功率，還需要保障飛機(jī)電源、氣源和液壓源的動(dòng)力等，這些都導(dǎo)致慢車狀態(tài)有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。

慢車狀態(tài)下的性能參數(shù)（見表1）具有的優(yōu)勢(shì)有：1）功率相對(duì)穩(wěn)定。以RB211和CF56-7B為例，慢車狀態(tài)下油門桿保持在慢車位，功率狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定。因此，慢車狀態(tài)下更容易從性能參數(shù)的變化中剝離出飛機(jī)狀態(tài)變化或者系統(tǒng)故障事件。2）部分系統(tǒng)的作動(dòng)邏輯僅在慢車狀態(tài)下才會(huì)穩(wěn)定出現(xiàn)。例如，本例中的RB211放氣活門在慢車瞬態(tài)模式下會(huì)全部打開以提高喘振裕度，而在高功率時(shí)為了在提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率的同時(shí)降低EGT溫度，放氣活門卻會(huì)全部關(guān)閉。因此，慢車性能參數(shù)有其獨(dú)特且無法取代的優(yōu)勢(shì)。

大部分處于慢車階段的性能參數(shù)功率相對(duì)穩(wěn)定，但EGT溫度會(huì)受到歷史狀態(tài)影響，其他階段雖也會(huì)受到影響，但影響幅度較小，或規(guī)律較為明確可有效修正。起飛報(bào)在航前第一段計(jì)算出的EGTM往往偏低，如圖3所示（圖中顯示時(shí)間為GMT時(shí)間），就是發(fā)動(dòng)機(jī)熱車不到位導(dǎo)致。在慢車階段，發(fā)動(dòng)機(jī)冷車啟動(dòng)后的慢車EGT溫度逐步提升，即通常所說的暖車。反之，剛剛經(jīng)歷過大功率運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入慢車后，EGT溫度逐步下降，即通常所說的冷車。暖車和冷車階段EGT的溫度變化在50℃～100℃之間，該變化受時(shí)間和內(nèi)外溫差的影響，通常很難找到合適的補(bǔ)償或者修正方法使參數(shù)達(dá)到所需的精度，這也是慢車性能參數(shù)鮮有成功應(yīng)用案例的原因。因此，慢車性能參數(shù)的選取和處理難度更大。

圖2 放氣活門工作邏輯（正常狀態(tài)）

2.2 慢車參數(shù)選取方法

為了克服慢車的暖車和冷車效應(yīng)，需利用參數(shù)選取的邏輯，最大程度上減少暖車和冷車效應(yīng)的影響。表2對(duì)比分析了每個(gè)慢車階段的特性，發(fā)現(xiàn)落地收反推后的這段時(shí)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)性能受到暖車?yán)滠囉绊懽钚?，同時(shí)也能提供一個(gè)較好的數(shù)據(jù)采集錨點(diǎn)，方便編程識(shí)別。

該節(jié)點(diǎn)的RB211發(fā)動(dòng)機(jī)所有放氣活門都被打開，正是防喘放氣活門打開能力判定的良好時(shí)機(jī)。

表1 慢車性能參數(shù)和高功率性能參數(shù)的對(duì)比

圖3 冷車狀態(tài)對(duì)EGTM的影響

3 基于慢車參數(shù)的防喘系統(tǒng)監(jiān)控方案

3.1 監(jiān)控邏輯原理

在確定了慢車取值邏輯后，再繼續(xù)深入分析飛機(jī)落地收反推后的慢車EGT溫度變化趨勢(shì)。收反推后油門保持在慢車位的典型EGT溫度變化趨勢(shì)如圖4所示。橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，左側(cè)縱坐標(biāo)為EGT溫度，右側(cè)縱坐標(biāo)為左右發(fā)動(dòng)機(jī)EGT溫度之差。從反推收回開始，燃油流量超量減少，EGT溫度出現(xiàn)低谷，而后再次提升開始企穩(wěn)。此時(shí)由于收放反推對(duì)油門的擾動(dòng)，系統(tǒng)處在瞬態(tài)，6個(gè)放氣活門包括HP3放氣活門打開并保持在打開位。經(jīng)過約40s的穩(wěn)定后，系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)，2個(gè)HP3放氣活門關(guān)閉導(dǎo)致EGT溫度出現(xiàn)階躍式下降，降幅約在30℃～40℃左右。之后，如果不再擾動(dòng)油門，發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)冷車，EGT繼續(xù)緩慢下降。利用對(duì)該變化趨勢(shì)的分析結(jié)果，分別對(duì)HP3開關(guān)的兩個(gè)位置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。建立HP3開位EGT和HP3關(guān)位EGT兩個(gè)慢車性能參數(shù)。HP3開位EGT溫度趨勢(shì)是判斷6個(gè)放氣活門是否全部打開的標(biāo)志，二者之差是判斷HP3活門是否可以正常開關(guān)的標(biāo)志。

繪制HP3開位和關(guān)位EGT溫度趨勢(shì)圖，此時(shí)數(shù)據(jù)依然非常離散，再利用場溫和場壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸修正，最后可以得到較好的趨勢(shì)曲線。如圖5所示，數(shù)據(jù)點(diǎn)是每個(gè)航段采集到的EGT溫度值，從2016年8月初開始HP3開位EGT數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常波動(dòng)（圖5框中的數(shù)據(jù)點(diǎn)），頻繁下降約16℃～18℃左右，而對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的HP3關(guān)位數(shù)據(jù)點(diǎn)卻趨勢(shì)穩(wěn)定，綜合判斷懷疑HP3活門可能存在間歇性無法打開故障。結(jié)合Airfase譯碼再次確認(rèn)了此情況，再通過3號(hào)試車確認(rèn)該故障為瞬時(shí)故障。排故隔離證實(shí)在更換了高壓三級(jí)放氣活門的電磁閥后，數(shù)據(jù)點(diǎn)恢復(fù)正常。

在該邏輯的基礎(chǔ)上，還可以開發(fā)基于ACARS的實(shí)時(shí)航段的報(bào)警，以及Airfase的趨勢(shì)報(bào)警，可以做到當(dāng)天報(bào)警能在當(dāng)天航后得到有效處理的程度。

3.2 喘振預(yù)防的其他輔助措施

通過對(duì)慢車性能數(shù)據(jù)的研究，確實(shí)發(fā)現(xiàn)放氣活門工作的可靠性明顯不佳，而且多表現(xiàn)為瞬時(shí)間歇性故障，且發(fā)現(xiàn)異常后隔離困難，手冊(cè)提供的根據(jù)3號(hào)試車進(jìn)行故障隔離的效果有限。為此，通過對(duì)RB211放氣活門控制原理的分析，專門制定了《3號(hào)試車排故升級(jí)版》，其中的主要改變是：1）對(duì)高壓三級(jí)活門的測試提供更多備選測試方法，即從較高功率快速收回慢車的測試方法。2）提出場溫對(duì)原測試方法的干擾，并提供了調(diào)整解決方案。如果夏天場溫太高，原試車方案中將功率推到EPR=1.07后，其中一個(gè)高壓三級(jí)活門可能已經(jīng)超出自動(dòng)轉(zhuǎn)換功率點(diǎn)，導(dǎo)致等待40s后并不會(huì)出現(xiàn)足夠的溫降（僅能降到正常水平的一半，約20℃左右），此時(shí)應(yīng)將功率回收到EPR=1.06或1.05；如果仍不能通過，再參考第一條進(jìn)行測試，最終隔離到活門故障。

表2 各慢車階段的適用性分析

圖4 落地收反推后的慢車EGT變化趨勢(shì)圖

圖5 HP3開位和關(guān)位的EGT趨勢(shì)圖（上下兩部分的圓點(diǎn)分別為左右發(fā)動(dòng)機(jī)開位和關(guān)位溫度）

此外，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)定期進(jìn)行水洗也是一個(gè)有效的防喘預(yù)防措施。一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)水洗提高了壓氣機(jī)的效率，使發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)離喘振邊界；另一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)水洗后進(jìn)行3號(hào)試車是有效的定期檢測手段，有案例曾在水洗后的試車中成功發(fā)現(xiàn)了放氣活門故障，甚至還在試車時(shí)就聽到了發(fā)動(dòng)機(jī)的喘振異響。

3.3 監(jiān)控案例

實(shí)際運(yùn)行中，除了真實(shí)的防喘系統(tǒng)故障之外，也會(huì)有其他故障導(dǎo)致報(bào)警的觸發(fā)，一般都是由于發(fā)動(dòng)機(jī)的功率負(fù)載降低所致。IDG脫開、引氣或空調(diào)脫開等都會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載，如表3所示，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)可以用較少的燃油達(dá)到所需的推力，因此EGT溫度也會(huì)隨之降低。

表3 監(jiān)控報(bào)警的案例

自從防喘系統(tǒng)健康監(jiān)控系統(tǒng)上線運(yùn)行后，在其他一系列的防控措施的配合下，我公司RB211發(fā)動(dòng)機(jī)在2018年退出運(yùn)行前的累計(jì)飛行時(shí)間為43096小時(shí)（20474循環(huán)），期間再未發(fā)生過在翼發(fā)動(dòng)機(jī)喘振類故障。

4 總結(jié)

落地收起反推后RB211發(fā)動(dòng)機(jī)所有的放氣活門都會(huì)打開，該特性奠定了慢車性能參數(shù)在RB211喘振預(yù)防中的特殊地位。在此基礎(chǔ)上繼續(xù)分析放氣活門的作動(dòng)邏輯，制定了數(shù)據(jù)取值邏輯，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸優(yōu)化，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)放氣活門的監(jiān)控報(bào)警。

但慢車性能參數(shù)的應(yīng)用不應(yīng)該止步于此。慢車性能參數(shù)仍然有其他階段參數(shù)不可替代的優(yōu)勢(shì)，如果能充分利用這些優(yōu)勢(shì)，結(jié)合系統(tǒng)本身的邏輯特性來進(jìn)行針對(duì)性的開發(fā)，就能不斷拓展慢車性能參數(shù)的使用范圍?？傊?，慢車性能參數(shù)還有更多待發(fā)掘的廣闊應(yīng)用空間。