CFM56-7B 發(fā)動機FMV-FF 趨勢關系分析

■ 高藝聰/廈門航空有限公司

0 引言

在CFM56-7B 發(fā)動機燃油控制系統(tǒng)中，發(fā)動機電子控制器（EEC）通過電信號作動液壓機械裝置（HMU）中的電液伺服閥，控制其中燃油計量活門（FMV）的開度，以此控制供往發(fā)動機燃燒室的燃油流量，實現(xiàn)燃油計量和發(fā)動機運轉控制。HMU 燃油計量功能直接關系到發(fā)動機能否正常運轉。本文主要討論FMV 的開度大小與對應的燃油流量FF大小之間可能存在的趨勢關系。

1 原理分析

可以將HMU 內部的FMV（見圖1）看成是一個薄壁小孔型節(jié)流閥，HMU接收EEC 的控制信號，通過力矩馬達改變擋板活門開度，調節(jié)FMV 開度以改變通油面積，進而調節(jié)供給發(fā)動機的FF。節(jié)流閥的流量近似滿足小孔節(jié)流方程：

圖1 燃油計量活門（FMV）

其中，Q 為流量；A 為流道截面積；Cd為流量系數（特定流道幾何形狀和流動速度下可近似為常數）；ρ 為流體密度（常數）；ΔP 為小孔上下游壓差。

由式（1）可知，經過FMV 的流量與FMV 上下游壓差和FMV 的開度有關。

從CMM 中 可 知，HMU 內 部 的旁通活門（包含積分閥、比例閥）和HEAD SENSOR 使FMV 上 下 游 壓 差P1-P2 維持在相對恒定的數值，該數值基本不隨發(fā)動機轉速而變化。從HMU的修理報告可知，出廠測試的P1-P2值大致為（54±1）psid，因此，經過FMV 的流量只和FMV 的開度有關，EEC 通過控制其開度來控制燃油流量FF。根據上述分析，正常情況下FMV的開度和燃油流量應有特定函數關系。

2 故障案例

近年來，波音737NG 機隊已發(fā)生多起因HMU 失效導致發(fā)動機工作異常的不安全事件。

1）某航班起飛時，左發(fā)無法達到起飛推力，機組中斷起飛滑回，排故更換了EEC、燃油泵和HMU，附件送修發(fā)現(xiàn)HMU 中存在污染物，分析認為該污染物影響了FMV 開度，導致推力異常。

2）某航班出港時，右發(fā)多次起動不成功，故障現(xiàn)象為燃油流量偏小導致起動懸掛，排故更換了EEC、燃油泵和HMU，附件送修后確認HMU 中的FMV 存在異物卡滯，導致起動時燃油流量FF 偏小。

3）某航班飛行中一臺發(fā)動機轉速無法保持，后續(xù)自動停車，送修時同樣在HMU 中發(fā)現(xiàn)污染物卡滯了FMV 的通油面積。

上述幾起事件均是因為污染物導致HMU 的燃油計量功能不正常，進而影響了發(fā)動機的正常工作。譯碼時發(fā)現(xiàn)，案例1 中飛機在滑出階段左發(fā)已經表現(xiàn)出FMV 開度異常變化，直到起飛階段才表現(xiàn)為駕駛艙效應。如果能夠在飛機滑出甚至之前航段中發(fā)現(xiàn)異常，將有助于提前采取預防性維護措施，避免不安全事件的發(fā)生。另外，由于當前波音737NG 機隊已經積累了大量的運行數據，通過橫向對比篩選出FMV 和FF 異常的數據點成為可能。

3 FF-FMV 函數關系的確定和優(yōu)化

航空公司的737NG 機隊QAR 數據能以1 幀/s 的速率采集FMV 的A 通道和B 通道的位置參數和燃油流量（FF）數據。以FMV 為自變量（X 軸），F(xiàn)F為因變量（Y 軸），每一幀的數據都在上述坐標系產生一個數據點，可以發(fā)現(xiàn)整個飛行航段所有的數據點基本上都分布在一條曲線上。通過數據擬合，發(fā)現(xiàn)FF 和FMV 數值滿足嚴格的二次函數關系（y=ax2+bx+c），如圖2 所示，其線性回歸系數R2可達0.99 以上。

將數據點和曲線的相對誤差與N2轉速變化情況對應起來，發(fā)現(xiàn)偏離較大的點都處于發(fā)動機加減速的過渡階段（最大誤差可達90%以上），而在巡航等發(fā)動機穩(wěn)定階段，數據點和擬合曲線的偏差很小，如圖3 所示。數據點繪制默認FF 和FMV 發(fā)生在同一時間點，但實際兩者并不完全同步，F(xiàn)F 的變化應該滯后于FMV。通過線性插值的方法嘗試0.5s、1.0s、1.5s 和2.0s 四個滯后時間，發(fā)現(xiàn)當FF 變化滯后于FMV 1.0s 時，數據點和擬合曲線的相對誤差最?。ㄗ畲笳`差減小為30%左右），故選取1.0s 作為FF 對FMV 變化的響應時間，得到的FF-FMV 數據點分布明顯更靠近擬合曲線（R2=0.9995），如圖2 左側所示。

圖2 FMV-FF數據關聯(lián)性

對我司737NG 機隊QAR 數據的隨機抽樣表明，根據上述數據繪制方法得到的FF-FMV 函數關系對任一飛機的任一航段都適用。因此，可以采用擬合曲線（即函數的三個系數）來表征一個航段的FF-FMV 關系，將該關系表述為FF-FMV 基線。

4 FF-FMV 函數關系隨航段的變化情況

為了研究FF-FMV 基線隨航段的變化情況，選取某臺發(fā)動機無故障期間連續(xù)488 個航段的數據，每個航段得到一條擬合曲線，將488 條擬合曲線繪制到一起得到FF-FMV 函數曲線，如圖4 所示。可以看出，在FMV 小于60°時，所有曲線基本重合；大于60°時，曲線開始有輕微的分離，原因是航段中FMV 開度大于60°的數據點較少，發(fā)動機在該開度下持續(xù)的時間較短（起飛和初始爬升階段），數據點存在較大誤差（FF和FMV 之間并非完全同步），導致擬合后的曲線出現(xiàn)分離，最大和最小曲線之間的差異仍小于3%（9000 磅流量下相差約270 磅）。

圖4 488個航段的FF-FMV函數擬合曲線

5 FF-FMV 函數的故障趨勢監(jiān)控應用

根據上述分析，選取正常發(fā)動機工況參數FF 和FMV 進行數據擬合分析，得出特征函數關系y=ax2+bx+c。以我司正常發(fā)動機工況參數為基準建立FF 和FMV 的函數關系為y=0.9416x2+34.525x+307.75。在指定FMV角度情況下，將對應的FF 與特征公式計算值進行比較，當差值超過設定閾值時，觸發(fā)HMU 供油異常告警。建立特征函數后，對我司機隊歷史QAR 進行數據驗證，發(fā)現(xiàn)2020 年11 月B-53XX飛機出現(xiàn)左發(fā)推力不響應中斷起飛，該飛機在起動后慢車階段時，左發(fā)的FMV-FF 關系已偏離特征公式函數并觸發(fā)了設定的閾值告警，且FMV-FF 偏離特征函數關系在10 月后呈現(xiàn)逐步擴大的趨勢，10 月30 日后一直超過設定閾值。這說明，結合更多的驗證數據情況，通過FF-FMV 特征函數關系來監(jiān)控發(fā)動機供油系統(tǒng)故障是可行的。

之后，在告警開發(fā)試運行期間，B-17XX 飛機觸發(fā)告警，右發(fā)FF-FMV對應的函數關系有明顯偏離的現(xiàn)象，對QAR 數據譯碼發(fā)現(xiàn)FMV 開度比正常FF 對應的FMV 角度偏小，巡航時達到了4°，其后一個月內函數關系出現(xiàn)快速惡化的趨勢（見圖5），并觸發(fā)了發(fā)動機R8DA 加減速異常告警。評估后將該發(fā)動機HMU 拆下送修，更換HMU 后FFFMV 函數關系恢復正常。

圖5 特征函數預測FF趨勢

6 結束語

在737NG 世界機隊中已出現(xiàn)多起因HMU 內部FMV 異常導致供油系統(tǒng)故障而引發(fā)的空中停車、中斷起飛等重大不安全事件，通過對FMV-FF 重要發(fā)動機參數進行監(jiān)控，持續(xù)研發(fā)優(yōu)化特征函數關系，有助于發(fā)現(xiàn)發(fā)動機供油系統(tǒng)早期故障特征規(guī)律，建立飛機健康系統(tǒng)的實時監(jiān)控機制，可以有效地監(jiān)控發(fā)動機健康狀況，大幅提高航空安全管理水平。