V2500發(fā)動機LPC 2.5級放氣機構(gòu)的分析與監(jiān)控

師超 張杰

摘要：通過對V2500發(fā)動機LPC 2.5級放氣機構(gòu)工作原理、損傷形式、失效規(guī)律、警告觸發(fā)原因進行分析，提出對該機構(gòu)的三種監(jiān)控控制措施，為發(fā)動機機隊管理提供有效的方案。

關(guān)鍵詞：LPC 2.5級放氣活門機構(gòu)；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(fā)動機低壓壓氣機（LPC）2.5級放氣機構(gòu)是發(fā)動機內(nèi)部重要的防喘機構(gòu)，利用中間級放氣改變氣流量，從而調(diào)節(jié)氣流攻角，增加低壓壓氣機的喘振裕度。

因機構(gòu)設計和材料原因，該機構(gòu)在實際運行過程中經(jīng)常出現(xiàn)作動機構(gòu)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(xiàn)發(fā)動機不放行警告信息和喘振。

目前，廠家針對該機構(gòu)沒有制定定期檢查項目，一旦出現(xiàn)外站排故，孔探發(fā)現(xiàn)損傷，易出現(xiàn)AOG停場換發(fā)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(jīng)濟性方面做到兩者兼顧，需要對該機構(gòu)的安全風險進行有效評估和監(jiān)控。

1 LPC 2.5級放氣機構(gòu)工作原理

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

EEC監(jiān)控并計算N1轉(zhuǎn)速、高度、馬赫數(shù)等信息，發(fā)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(nèi)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(gòu)開關(guān)，改變LPC氣流通道內(nèi)的空氣流量。

2 LPC 2.5級放氣機構(gòu)結(jié)構(gòu)

LPC 2.5級放氣機構(gòu)由作動環(huán)、支撐環(huán)、放氣通道組成，作動環(huán)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(huán)既發(fā)生軸向又發(fā)生周向旋轉(zhuǎn)，完成打開或關(guān)閉動作。作動筒伸出時，作動環(huán)向前運動并打開放氣通道；作動筒收回時，作動環(huán)向后運動并關(guān)閉放氣通道，如圖1所示。

作動環(huán)是機構(gòu)中最薄弱的部件。作動環(huán)為鋁合金材質(zhì)，相比其他部件材質(zhì)偏軟。作動環(huán)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(huán)的U型腔安裝孔上，銷釘沿徑向從內(nèi)向外依次穿過內(nèi)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(huán)運動，其他輔助搖臂隨動。

3 LPC 2.5級放氣機構(gòu)損傷形式

LPC 2.5級放氣機構(gòu)主要的磨損形式有銷釘孔磨損、E型鎖片松脫、機構(gòu)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(huán)機構(gòu)是一個懸臂梁結(jié)構(gòu)部件。機構(gòu)工作時，主要接觸運動為銷釘與襯套之間的運動，作動環(huán)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(xù)擺動（見圖3）。

作動環(huán)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?yōu)橐r套與作動環(huán)U型腔本體孔，由于部件材質(zhì)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(huán)伸出后，搖臂作為支點更加靠近內(nèi)襯套位置，造成內(nèi)襯套位置受力較大。由于作動環(huán)U型腔體內(nèi)壁厚度較薄，經(jīng)過一定時間的磨損擴展，U型腔體內(nèi)壁將磨穿。

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

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

3.2 E型鎖片松脫

孔探作動機構(gòu)時，可以發(fā)現(xiàn)E型鎖片丟失、銷釘脫出現(xiàn)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(zhuǎn)，不與作動環(huán)外壁接觸；當U型腔磨損時，E型鎖片將與作動環(huán)外壁接觸，受力過大將導致E型鎖片脫出（見圖5）。

3.3 機構(gòu)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(fā)生徑向移動：

1）U型腔內(nèi)壁磨損，活門打開時，銷釘外移，與支撐環(huán)接觸，導致磨損和機構(gòu)卡阻；

2）E型鎖片丟失，活門關(guān)閉時，銷釘內(nèi)移，與2.5級壓氣機外壁接觸，導致磨損和機構(gòu)卡阻。

支撐環(huán)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(gòu)卡阻均將導致EEC指令信號與LVDT反饋信號不一致，即機構(gòu)的BAF值與N1不符合EEC控制邏輯，導致B25TK故障碼的產(chǎn)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(xiàn)。

4 LPC 2.5級放氣機構(gòu)的監(jiān)控措施

LPC 2.5級放氣機構(gòu)損傷的影響主要表現(xiàn)為發(fā)動機安全狀態(tài)惡化，即機構(gòu)磨損進而誘發(fā)機構(gòu)卡阻，影響LPC喘振裕度，如果發(fā)動機在高轉(zhuǎn)速向低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換時機構(gòu)卡阻在關(guān)閉位，易發(fā)生喘振，同時機構(gòu)卡阻將觸發(fā)ENG X COMPRESS VANE不放行警告。

本文從孔探監(jiān)控、性能監(jiān)控、QAR數(shù)據(jù)分析三個方面入手，討論相關(guān)的機隊控制措施。

4.1 孔探監(jiān)控方式

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

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

1）在13241FC時，放氣機構(gòu)失效的概率最大。此數(shù)據(jù)已經(jīng)接近大部分發(fā)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(gòu)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(huán)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(tài)對應的重復檢查標準，以便放行發(fā)動機。

4.2 性能監(jiān)控方式

監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示，當LPC 2.5級放氣機構(gòu)發(fā)生磨損時，發(fā)動機性能參數(shù)的變化主要體現(xiàn)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，F(xiàn)F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(gòu)影響比較直觀，且可以量化。通過監(jiān)控這兩個參數(shù)，制定詳細的BAF、%LPR放行標準，可以簡單方便地實現(xiàn)機隊LPC 2.5級放氣機構(gòu)的狀態(tài)監(jiān)控。

4.3 QAR數(shù)據(jù)分析監(jiān)控方式

本文試圖通過以數(shù)據(jù)擬合的方式建立N1C（N1修正）與BAF的關(guān)系，通過分析發(fā)動機QAR數(shù)據(jù)，繪制相關(guān)參數(shù)的包線范圍，判斷機構(gòu)狀態(tài)。

圖14為LPC工作喘振裕度曲線，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速與空氣流量的變化，發(fā)動機的穩(wěn)定工作曲線與喘振邊界的距離發(fā)生變化，同時LPC 2.5級作動機構(gòu)也發(fā)生變化，改變了工作曲線。加速過程中，由于轉(zhuǎn)差率不同，HP軸轉(zhuǎn)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(gòu)向關(guān)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(wěn)定轉(zhuǎn)態(tài)。減速過程中，高壓軸轉(zhuǎn)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(gòu)向打開位運動，最終穩(wěn)定在慢車工作點。

根據(jù)QAR譯碼數(shù)據(jù)，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(gòu)可達行程至110，當BAF為95～105時認為系統(tǒng)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(zhí)行航班的BAF與N1譯碼數(shù)據(jù)如圖15所示，從中可以看出Take Off、Top of Climb、Decent階段。發(fā)動機N1轉(zhuǎn)速在某些區(qū)間內(nèi)變化時BAF發(fā)生了大范圍的行程變動，慢車功率作動環(huán)為全開位；隨著N1轉(zhuǎn)速上升，作動環(huán)逐步關(guān)閉，高轉(zhuǎn)速下作動環(huán)處于全關(guān)位；N1轉(zhuǎn)速下，作動環(huán)逐步打開。

由圖18可知，LPC 2.5放氣機構(gòu)工作區(qū)間0～100對應的N1轉(zhuǎn)速控制區(qū)約為55%～80%。發(fā)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(gòu)打開速率加大，減速階段作動機構(gòu)關(guān)閉速率較均勻。發(fā)動機運行階段，BAF與N1對應點如超出兩條曲線閉合區(qū)域范圍，可以認為系統(tǒng)發(fā)生了故障。

該方法還處于探索階段，仍然需要更多的數(shù)據(jù)驗證。

5 總結(jié)

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