CFM56-5B發(fā)動機(jī)VBV系統(tǒng)故障分析與維護(hù)建議

摘要：可變放氣活門（VBV）是防止發(fā)動機(jī)喘振的主要系統(tǒng)。本文介紹了VBV系統(tǒng)的組成和工作原理，對幾種常見故障進(jìn)行了深入分析，找出故障原因，并提出合適的維護(hù)建議以及維護(hù)過程中的注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：可變放氣活門系統(tǒng)；故障；維護(hù)

Keywords：VBV system；failure；maintenance

0 引言

CFM56-5B發(fā)動機(jī)是大涵道比、雙轉(zhuǎn)子軸流式發(fā)動機(jī)，主要裝備于A320系列飛機(jī)。盡管該發(fā)動機(jī)總體性能較好、可靠性高，但在使用過程中也出現(xiàn)了一些問題，嚴(yán)重影響了飛行安全，導(dǎo)致航司經(jīng)濟(jì)損失?？勺円龤饣铋T（Variable Bleed Valve，VBV）系統(tǒng)故障是發(fā)動機(jī)常見故障之一，會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)喘振。發(fā)動機(jī)喘振是一種低頻率高振幅的振動，很容易導(dǎo)致發(fā)動機(jī)停車，如不及時處理將造成發(fā)動機(jī)部件損壞，嚴(yán)重影響飛行安全。喘振常出現(xiàn)在發(fā)動機(jī)的啟動、加速、減速、反推4個階段，導(dǎo)致返航、中斷起飛或航班延誤。本文對CFM56-5B發(fā)動機(jī)VBV系統(tǒng)進(jìn)行介紹，對該系統(tǒng)故障進(jìn)行深入分析，并提出維護(hù)建議和維護(hù)過程中的注意事項(xiàng)。

1 VBV系統(tǒng)組成和工作原理

VBV系統(tǒng)由1個燃油動力液壓齒輪馬達(dá)、1個止動裝置、1個位置傳感器、1個主活門、11個次級活門、1根主軟軸和11根從動軟軸構(gòu)成，如圖1所示。燃油齒輪馬達(dá)是一個容積式齒輪馬達(dá)，由兩個內(nèi)正齒輪組成，用于將燃油的液壓勢能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能以驅(qū)動一系列放氣活門。止動裝置用于限制VBV活門在整個循環(huán)過程中燃油齒輪馬達(dá)轉(zhuǎn)動的次數(shù)。主活門和主球形螺母作動器作為一個整體組件，可將燃油齒輪馬達(dá)的轉(zhuǎn)動力矩傳遞給其他11個次級活門，從而帶動次級活門運(yùn)動。位置傳感器感受并反饋主放氣活門的位置。從動軟軸位于每兩個放氣活門之間，是傳遞機(jī)械能的機(jī)構(gòu)，以保證各放氣活門同步作動。主軟軸位于燃油齒輪馬達(dá)和主放氣活門之間，將馬達(dá)的轉(zhuǎn)動力矩傳遞給主放氣活門。

發(fā)動機(jī)控制組件ECU監(jiān)控VBV活門的位置，通過液壓機(jī)械組件HMU控制伺服燃油驅(qū)動液壓馬達(dá)，帶動主軟軸作動主活門，進(jìn)而帶動11根從動軟軸驅(qū)動11個次級活門，再將活門位置通過傳感器送回ECU形成閉合回路，系統(tǒng)的控制原理如圖2所示。發(fā)動機(jī)工作過程中VBV系統(tǒng)起著重要的調(diào)節(jié)作用，在發(fā)動機(jī)低功率低轉(zhuǎn)速時，核心機(jī)所需利用的氣流量小，此時VBV活門打開，將低壓壓氣機(jī)提供的多余壓縮空氣排出核心機(jī)；發(fā)動機(jī)高功率高轉(zhuǎn)速時，核心機(jī)所需利用的氣流量較大，此時VBV活門關(guān)閉，使得壓縮空氣可以充分進(jìn)入核心機(jī)。當(dāng)發(fā)動機(jī)執(zhí)行減推力操作時，由于核心機(jī)所需利用的氣流量變少，VBV活門隨之打開，將多余的低壓壓氣機(jī)壓縮空氣排出。在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，VBV系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)進(jìn)入核心機(jī)的氣流量，同時改善低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)之間的匹配，防止發(fā)動機(jī)喘振的發(fā)生。

航空發(fā)動機(jī)采用全權(quán)限數(shù)字式控制FADEC系統(tǒng)，與之前的機(jī)械式控制系統(tǒng)相比，提高了發(fā)動機(jī)控制的精確性、響應(yīng)速度和可靠性。通過外部傳感器采集風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、修正風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、修正核心機(jī)轉(zhuǎn)速、外界大氣壓力、T2、T25、VSV位置、油門桿角度TRA和轉(zhuǎn)動模式等信號，并將信號送往發(fā)動機(jī)電子控制計算機(jī)EEC，然后計算、制定VBV系統(tǒng)的控制邏輯，實(shí)現(xiàn)對VBV活門開度的控制。

2 故障原因分析及維護(hù)建議

2.1 VBV齒輪馬達(dá)漏油

VBV燃油齒輪馬達(dá)的截面圖如圖3所示。在飛機(jī)維護(hù)過程中，如發(fā)現(xiàn)VBV燃油齒輪馬達(dá)漏油，可能是由于冷發(fā)啟動、軸承磨損、橡膠密封圈損壞、主軸封嚴(yán)磨損（碳封嚴(yán)頭部）、齒輪表面與軸承板之間過度磨損等原因?qū)е隆?/p>

在外部大氣溫度較低情況下，燃油齒輪馬達(dá)里的橡膠密封圈受冷收縮，在啟動發(fā)動機(jī)時，燃油齒輪馬達(dá)作動VBV活門快速打開，雖然此時流過燃油齒輪馬達(dá)的燃油具有一定的溫度，但不足以在短時間內(nèi)使密封圈完全受熱膨脹，還處于收縮狀態(tài)的密封圈周圍與壁面有一定的間隙，高壓燃油容易從此處滲出。為使高溫燃油充分加熱收縮的橡膠密封圈，使密封圈完全膨脹起到密封效果，建議在外界寒冷的情況下發(fā)動機(jī)啟動后運(yùn)轉(zhuǎn)5min進(jìn)行暖車，這樣將使齒輪馬達(dá)燃油滲漏消失。如果發(fā)動機(jī)在暖車5min后燃油齒輪馬達(dá)仍有漏油情況，可能是由于燃油齒輪馬達(dá)磨損導(dǎo)致。燃油齒輪馬達(dá)的顫振也會造成軸承油膜破壞，在油膜厚度不夠的情況下，當(dāng)馬達(dá)大運(yùn)動量時將導(dǎo)致軸承磨損和過熱，加劇燃油齒輪馬達(dá)損傷，從而出現(xiàn)漏油。

在飛機(jī)維護(hù)過程中如確定VBV燃油齒輪馬達(dá)漏油，需要依據(jù)手冊進(jìn)行處理。靜態(tài)下，若小于60滴/min，不需要做維護(hù)工作，若超過60滴/min，需要做慢車滲漏檢查。慢車5min后，若小于60滴/min，不需要做維護(hù)工作；處于60～90滴/min時，在不影響運(yùn)行的情況下需在25個飛行循環(huán)之內(nèi)修復(fù)；超過90滴/min，則需要更換液壓齒輪馬達(dá)進(jìn)行修復(fù)。檢查邏輯圖如圖4所示。

2.2止動機(jī)構(gòu)卡阻或磨損

在VBV活門轉(zhuǎn)動到特定位置時，止動機(jī)構(gòu)能夠使VBV活門的最終位置在關(guān)閉時不超過VBV作動筒單圈行程的0.3%，打開時不超過VBV活門作動筒單圈行程的1%。止動機(jī)構(gòu)截面圖如圖5所示，當(dāng)止動機(jī)構(gòu)長時間使用后，內(nèi)部油脂出現(xiàn)老化，導(dǎo)致潤滑失效，螺紋管磨損，支撐螺紋管兩端的軸承磨損，最終造成止動機(jī)構(gòu)卡阻。

止動機(jī)構(gòu)卡阻的最大故障源是內(nèi)部的隨動螺母，其次為保護(hù)罩損壞或漏裝間接導(dǎo)致的卡阻。VBV系統(tǒng)靈敏度高，活門作動筒長時間作動后導(dǎo)致隨動螺母加速磨損變形，造成止動機(jī)構(gòu)卡死，進(jìn)而導(dǎo)致活門卡阻。在維修過程中膠皮保護(hù)罩損壞或漏裝會導(dǎo)致水或雜質(zhì)進(jìn)入止動機(jī)構(gòu)，而高空飛行時低溫環(huán)境下水結(jié)冰，這些雜質(zhì)引入止動機(jī)構(gòu)將導(dǎo)致隨動螺母卡阻，最終都可能造成止動機(jī)構(gòu)損壞、主柔性軸被剪切斷等故障出現(xiàn)。

2.3 放氣活門卡阻或阻尼過大

發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中，當(dāng)工作狀態(tài)發(fā)生微小變化時，由于VBV系統(tǒng)靈敏度高，可能使得系統(tǒng)進(jìn)行作動，長時間工作后，活門內(nèi)部油脂老化，潤滑失效，造成絲桿組件磨損、內(nèi)部軸承磨損、保護(hù)套破損以及止動機(jī)構(gòu)卡死，最終都可能導(dǎo)致活門卡阻。

當(dāng)VBV活門出現(xiàn)卡阻情況時，將導(dǎo)致負(fù)責(zé)傳遞力矩給卡阻活門的軟軸扭曲變形或斷裂，從而使一部分VBV活門不能打開或關(guān)閉，在發(fā)動機(jī)處于高功率大推力時，低壓壓氣機(jī)的壓縮空氣從 VBV活門排進(jìn)外涵道，減少了流向高壓壓氣機(jī)和燃燒室的壓縮空氣量，影響了由高壓壓氣機(jī)提供冷卻氣源的高壓渦輪主動間隙控制HPTACC系統(tǒng)的工作，同時也影響到燃燒室的正常工作，最終導(dǎo)致發(fā)動機(jī)排氣溫度EGT超溫。當(dāng)發(fā)動機(jī)執(zhí)行減推力操作時，核心機(jī)所需利用的氣流量減少，如果此時多余的壓縮氣流不能順利排出，低壓壓氣機(jī)內(nèi)的空氣流動將會受阻，導(dǎo)致低壓壓氣機(jī)與高壓壓氣機(jī)之間的匹配度降低或不匹配，致使發(fā)動機(jī)出現(xiàn)喘振。

為防止活門故障，應(yīng)定期對活門進(jìn)行檢查，按照AMM手冊檢查活門是否有變形、損壞或封嚴(yán)是否破損，同時檢查活門是否有卡滯，并更換有問題的活門。

2.4 軟軸磨損、扭曲變形、斷絲或斷裂

在VBV止動機(jī)構(gòu)或活門卡阻情況下，通過軟軸傳遞力矩時，將會加劇軟軸的端頭磨損、扭曲變形、斷絲或斷裂損傷、彈簧斷裂等，如圖6所示。為防止軟軸損傷，在安裝止動機(jī)構(gòu)時，需要人工轉(zhuǎn)動到全關(guān)位置，同時應(yīng)注意在調(diào)定主VBV活門后連接主柔性軸時不要松動止動機(jī)構(gòu)隨動螺母的位置，否則將導(dǎo)致活門與止動機(jī)構(gòu)位置不一致，可能出現(xiàn)當(dāng)活門不能繼續(xù)運(yùn)動時止動機(jī)構(gòu)還未到達(dá)全關(guān)位置，燃油齒輪馬達(dá)繼續(xù)轉(zhuǎn)動，而此時作用在活門和軟軸上的力矩過大，從而造成軟軸損傷，也可能造成活門和機(jī)匣磨損。安裝VBV活門時需用專用工具將活門設(shè)定在全關(guān)位，當(dāng)活門設(shè)定好后安裝軟軸時，如誤轉(zhuǎn)動軟軸而使活門全關(guān)位置發(fā)生了改變，將會導(dǎo)致活門與止動機(jī)構(gòu)位置出現(xiàn)不一致，可能造成軟軸、活門或機(jī)匣損傷。

3 總結(jié)

VBV系統(tǒng)故障是由維護(hù)過程中的人為因素導(dǎo)致或系統(tǒng)長時間工作后自然老化導(dǎo)致的。為提高VBV系統(tǒng)的可靠性，對于人為因素導(dǎo)致的故障，在VBV系統(tǒng)維護(hù)過程中應(yīng)嚴(yán)格按照手冊施工，防止錯裝、漏裝、安裝順序不正確、未注意到細(xì)節(jié)設(shè)置等情況，同時設(shè)置檢驗(yàn)人員雙重把關(guān)。為了避免系統(tǒng)長時間工作后自然老化導(dǎo)致的故障，可對VBV系統(tǒng)建立EO，定期進(jìn)行檢查和維護(hù)，如有問題及時更換相應(yīng)部件，后續(xù)根據(jù)EO執(zhí)行的效果對EO進(jìn)行調(diào)整。

參考文獻(xiàn)

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作者介紹

寧小波，助教，從事航空器維修與教學(xué)工作。