CFM56-5B發(fā)動機(jī)VSV系統(tǒng)故障分析

李潤文

摘要：可調(diào)靜子葉片（VSV）系統(tǒng)是防止發(fā)動機(jī)喘振的重要系統(tǒng)。本文介紹了CFM56-5B發(fā)動機(jī)VSV系統(tǒng)的組成和工作原理，對該系統(tǒng)幾種常見的故障以及某架飛機(jī)VSV連桿搖臂機(jī)構(gòu)故障進(jìn)行了分析，找出了故障原因，并提出了合適的維護(hù)建議，可為同類故障的排除提供參考。

關(guān)鍵詞：CFM56-5B；可調(diào)靜子葉片系統(tǒng)；故障；搖臂機(jī)構(gòu)

Keywords：CFM56-5B；VSV system；failure；bellcrank

1 發(fā)動機(jī)VSV系統(tǒng)概述

如圖1所示，ECU根據(jù)核心發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（N2）和壓氣機(jī)進(jìn)口溫度（T25）信號，改變高壓壓氣機(jī)三級（第2、3、4級）進(jìn)氣導(dǎo)向葉片的角度，通過調(diào)節(jié)氣流方向?qū)崿F(xiàn)對壓氣機(jī)工作效率的優(yōu)化，提高喘振裕度。可調(diào)靜子葉片系統(tǒng)（VSV）包括2個VSV液壓作動筒及其作動機(jī)構(gòu)和連桿，VSV液壓作動筒以雙重獨(dú)立線性可變差動傳感器（LVDT）進(jìn)行位置反饋。液力機(jī)械組件（HMU）輸出的燃油是操縱VSV作動筒的液壓介質(zhì)。每臺發(fā)動機(jī)的VSV系統(tǒng)均由以下部件組成：2個液壓作動筒、2個位置傳感器（LVDT）、2個搖臂機(jī)構(gòu)、HMU、ECU和線束（J7、J8、J11、J12、CJ11R和CJ12L）。

2 VSV系統(tǒng)工作原理

1）作動線路：ECU發(fā)給HMU的扭矩馬達(dá)電壓信號改變力矩馬達(dá)的位置，即決定了HMU調(diào)節(jié)后的壓力是對VSV作動筒的桿端供壓還是對頭端供壓，由此完成VSV作動筒的伸出或收進(jìn)。VSV作動筒與曲柄機(jī)構(gòu)機(jī)械相連，曲柄機(jī)構(gòu)隨著作動筒的作動而作動，從而帶動VSV葉片的轉(zhuǎn)動。

2）反饋線路：每個作動筒上有一個LVDT，ECU的A通道和B通道分別給相應(yīng)作動筒的LVDT輸出一個勵磁電壓，LVDT通過勵磁電壓和作動筒的實(shí)時位置感應(yīng)獲得對應(yīng)的電壓值，分別送給ECU的A通道和B通道。每個通道的反饋值如果在許可范圍內(nèi)，則取平均數(shù)；如果不在許可范圍內(nèi)，則只取一個有效值，并給出FADEC維護(hù)信息；如果兩個信號均在許可范圍內(nèi)，但信號差值大于7.6mm，也會給出FADEC維護(hù)信息。

3）控制線路：ECU在接收到來自N2和T25傳感器的信號后，通過當(dāng)時的飛機(jī)高度、引氣狀態(tài)、防冰活門開啟情況和發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)等計(jì)算出VSV的指令值，ECU通過反饋值與該指令值的對比，改變對HMU內(nèi)部VSV力矩馬達(dá)的電壓信號，繼而完成對VSV葉片位置的精確控制。

4）VSV位置反饋傳感器：LVDT由一個鐵心、一個初級線圈、兩個次級線圈組成，初級線圈、次級線圈分布在線圈骨架上，線圈內(nèi)部有一個可自由移動的桿狀鐵芯。當(dāng)鐵芯處于中間位置時，兩個次級線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢相等，輸出電壓為0；當(dāng)鐵芯在線圈內(nèi)部移動并偏離中心位置時，兩個線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢不等，就有電壓輸出，電壓大小取決于位移量的大小。為了提高傳感器的靈敏度、改善傳感器的線性度、增大傳感器的線性范圍，設(shè)計(jì)時將兩個線圈反串相接，兩個次級線圈的電壓極性相反，LVDT輸出的電壓是兩個次級線圈電壓之差，且該電壓值與鐵心的位移量成線性關(guān)系。VSV位置反饋傳感器內(nèi)部原理圖如圖2所示。

3 常見VSV系統(tǒng)故障

3.1 VSV系統(tǒng)作動故障

當(dāng)N2轉(zhuǎn)速在14.5%以上時，VSV實(shí)際作動位置與目標(biāo)位置的差值超過0.21in（5.334mm），且持續(xù)時間超過4s，就會觸發(fā)VSV ACT、HMU通道A或VSV ACT、HMU通道B的故障信息?？赡艿墓收显从蠬MU、ECU、線束J7（通道A）、線束J8（通道B）。

3.2 VSV反饋信號故障

單個或者兩個LVDT給出的反饋信號不準(zhǔn)確或不在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，兩個LVDT信號之間的差值超過0.3in（7.6mm），就會觸發(fā)VSV ACT、J11、ECU通道A或者VSV ACT、J12、ECU通道B的故障信息?？赡艿墓收显从蠩CU、VSV作動筒、驅(qū)動及連桿機(jī)構(gòu)、線束J11、線束J12、線束CJ11R、線束CJ12L。

3.3 VSV力矩馬達(dá)電路故障

當(dāng)VSV力矩馬達(dá)電路環(huán)路出現(xiàn)開路或其對地短路的情況下，會觸發(fā)J7、HMU（VSV TM）、ECU或者J8、HMU（VSV TM）、ECU的故障信息?？赡艿墓收显从蠬MU、ECU、線束J7（通道A）、線束J8（通道B）。

3.4 VSV作動筒漏燃油

2017年1～12月我司因VSV作動筒漏油更換了9個作動筒，此前因漏油共更換了30臺VSV作動筒。VSV作動筒更換時間較長，很容易造成航班延誤。VSV作動筒因漏油而送修，基本上會更換所有的封圈，從修理報(bào)告中無法定位或發(fā)現(xiàn)哪些是失效率較高的封圈。VSV作動筒的整體可靠性較高，絕大部分漏油的作動筒在航后繞機(jī)檢時能夠被發(fā)現(xiàn)。VSV作動筒使用的液壓介質(zhì)為伺服燃油，呈水狀，易揮發(fā)，氣味較重。燃油的滲漏量一般很大，呈線狀滴下，與周圍環(huán)境的顏色區(qū)別也很明顯。經(jīng)生產(chǎn)廠家統(tǒng)計(jì)，75%的燃油滲漏是靜態(tài)的，大多數(shù)靜態(tài)滲漏都可以參考AMM程序來處理，在發(fā)動機(jī)經(jīng)過5min慢車后會消失，只有約10%的燃油滲漏需要立刻采取必要的維護(hù)措施。從世界機(jī)隊(duì)統(tǒng)計(jì)情況來看，CFM56發(fā)動機(jī)余油口漏燃油主要發(fā)生在冷天過夜后的當(dāng)天第一次啟動時，啟動5min之內(nèi)的燃油滲漏一般都低于AMM限制值。經(jīng)過快速脫開管路檢查確認(rèn)為VSV作動筒漏油的故障，需要參考AMM手冊進(jìn)行處理。

確認(rèn)為燃油滲漏的，判斷標(biāo)準(zhǔn)是每分鐘60滴以內(nèi)，即一秒一滴，這個分寸應(yīng)該很好把握。此種情況不需要處理，可以正常起飛。如果油滴呈線型大量漏出，可待發(fā)動機(jī)慢車狀態(tài)5min后，如果小于60滴/min，可通知機(jī)組正常啟動滑出，通常75%是這種情況，飛機(jī)可正常放行。如果慢車5min后仍超過60滴/ min，但小于90滴/min，可在不影響運(yùn)行情況下的25個循環(huán)內(nèi)完成修復(fù)；如果大于90滴/min，可以讓機(jī)組適度加大油門桿，再收回到慢車位檢查，如果漏油仍然超過90滴/min，應(yīng)通知機(jī)組對漏油發(fā)動機(jī)關(guān)車，再重新啟動發(fā)動機(jī)檢查，如果滲漏仍然超標(biāo)，則需安排停場排故。燃油滲漏檢查邏輯圖如圖3所示。

3.5 作動筒內(nèi)部 LVDT故障

VSV作動筒內(nèi)部的LVDT常見故障有：

1）由于在伸出和收進(jìn)過程中作用在活塞上的燃油壓力過大，導(dǎo)致傳感器出現(xiàn)裂紋或變形；

2）電插頭底部的橡膠墊圈丟失，導(dǎo)致電路接觸不良；

3）LVDT根部的收縮管或線路的絕緣性出現(xiàn)問題。

2013年某件號VSV作動筒因LVDT內(nèi)部電路短路出現(xiàn)間歇性故障，該故障可能導(dǎo)致包括中斷起飛和空停在內(nèi)的發(fā)動機(jī)重大故障。當(dāng)時的CMM程序無法在VSV例行測試和修理時檢測出此故障，因此導(dǎo)致NFF，裝機(jī)后導(dǎo)致發(fā)動機(jī)出現(xiàn)重大故障。為此，CFM頒布SB CFM56-5B 75-0046 R0，推薦在VSV作動筒送修時更換LVDT，以提高可靠性。SB中列出的受影響件號為：1211313-008（1324M12P08）、1211313-009（1324M12P09）、1211313-010（1324M12P10）。我司機(jī)隊(duì)裝機(jī)件號為1324M12P10，在與廠家確認(rèn)已發(fā)生過發(fā)動機(jī)重要事件的VSV作動筒件序號后，對這些件序號的VSV作動筒下發(fā)TA，要求在完成大修且更換LVDT之前禁止裝機(jī)，直至完成大修并更換LVDT后方可恢復(fù)裝機(jī)使用。由于之前我司沒有因VSV間斷故障出現(xiàn)過較嚴(yán)重的問題，所以此SB我司沒有執(zhí)行。

LVDT被安裝在VSV作動筒的內(nèi)部（見圖4），屬于部件修理項(xiàng)目，航線人員無法單獨(dú)更換LVDT。因此，對于由LVDT產(chǎn)生的故障，只能更換整個 VSV作動筒。

3.6 VSV連桿搖臂機(jī)構(gòu)故障

VSV系統(tǒng)的常見故障件主要有VSV作動筒、HMU、ECU和線束，以VSV作動筒的故障最為常見，不常見的故障部件是搖臂機(jī)構(gòu)。下面介紹一起某飛機(jī)發(fā)生的VSV右側(cè)搖臂機(jī)構(gòu)故障。

1）故障現(xiàn)象

飛機(jī)在空中觸發(fā)報(bào)文信息：WN：ENG 2 FADEC；FR：VSV ACT，J11，ECU ENG2A/IDEIU2FADEC；FR：VSV ACT，J12，ECU ENG2B/ IDEIU2FADEC，飛機(jī)在地面時SD頁面2號發(fā)動機(jī)FADEC維護(hù)信息（見圖5）。

2）排故過程

從第一次觸發(fā)故障信息到故障排除，總計(jì)更換了4個VSV作動筒，1臺ECU計(jì)算機(jī)，1臺HMU，1件VSV 搖臂機(jī)構(gòu)，線纜J11、CJ11R和CJ12L各一條（見表1）。

3）故障結(jié)論

VSV右側(cè)搖臂機(jī)構(gòu)損壞，更換后故障消失。

由系統(tǒng)原理可知，ECU根據(jù)當(dāng)前的工作狀態(tài)和環(huán)境條件給HMU發(fā)送指令，HMU將伺服燃油供給兩側(cè)的VSV作動筒，作動筒帶動連桿搖臂機(jī)構(gòu)，從而帶動VSV葉片轉(zhuǎn)動。VSV作動筒上的LVDT將位置信號反饋給ECU，通過比較而進(jìn)行精確控制。

此故障中，由于是雙通道故障，所以故障件的鎖定范圍是ECU、VSV作動筒和VSV搖臂連桿機(jī)構(gòu)。與其他飛機(jī)串件ECU和更換VSV作動筒后，故障現(xiàn)象依然存在，由此判定。

圖6所示是一個VSV搖臂機(jī)構(gòu)新件，圖中藍(lán)圈所示的軸套在故障件上已經(jīng)磨損丟失，導(dǎo)致連桿磨損成橢圓形。通過測量磨損極限位置到正常有軸套時位置的距離，可以看出空行程距離為4mm（見圖7），由于作動筒端與這個磨損端是杠桿原理，所以作動筒端產(chǎn)生的空行程約為7.72mm，已經(jīng)大于警戒值7.6mm，故在VSV作動筒作動時產(chǎn)生的反饋信號不一致，導(dǎo)致出現(xiàn)VSV ACT，J11，ECU通道A或VSV ACT，J12，ECU通道B的故障信息。由于此處損傷很隱蔽，且在發(fā)動機(jī)上的位置不佳，在之前幾次檢查搖臂機(jī)構(gòu)時均未發(fā)現(xiàn)有故障。因此建議：如果再遇到這種情況，應(yīng)先將作動筒脫開，用手搖晃搖臂，搖晃時應(yīng)注意是否為VSV葉片作動方向上搖晃，這樣容易發(fā)現(xiàn)磨損情況。

CFM公司曾經(jīng)發(fā)布SB72-0114，針對這個連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在多個位置加裝了軸套（見圖8），以提高發(fā)動機(jī)的維護(hù)性。

上述故障中加裝的軸套也磨損丟失，說明此處受力較大，且軸套材料較脆，十分容易破裂，一旦破裂將全部丟失，導(dǎo)致部件磨損，繼而成橢圓形，增加了空行程距離，最終出現(xiàn)維護(hù)信息。

4）針對故障的總結(jié)

TSM手冊中未提到搖臂機(jī)構(gòu)，也沒有相關(guān)的檢查內(nèi)容和方法。此部件的拆裝程序只能在ESM手冊中查到，給航線施工帶來了困難。磨損掉的軸套是消耗件，更換時需要加熱等特殊工藝，航線無法完成。此軸套沒有相應(yīng)的檢查工卡，無法提前檢查到磨損。

該軸套的損壞特點(diǎn)是雙通道一直出現(xiàn)信息，但是故障不是一直存在。一般都是在發(fā)動機(jī)處于過渡狀態(tài)或外界條件改變需要調(diào)節(jié)VSV角度時出現(xiàn)，發(fā)動機(jī)地面帶轉(zhuǎn)測試一般測試不出來。

VSV作動筒的LVDT損壞也會產(chǎn)生同類故障現(xiàn)象，所以故障不容易隔離。建議在更換VSV作動筒時增加一項(xiàng)VSV搖臂機(jī)構(gòu)的步驟檢查，要求在VSV作動筒拆下時進(jìn)行，這樣空間大，便于查出空行程。

加強(qiáng)航線維護(hù)人員對此軸套的了解和認(rèn)識。由于軸套是黑色的，難于發(fā)現(xiàn)其丟失，建議后續(xù)咨詢廠家能否將軸套顏色改為紅色或其他醒目的顏色，便于航線檢查維護(hù)。

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