可調(diào)渦輪冷卻系統(tǒng)分析與故障排除方法

■ 楊嘉瑋/珠海保稅區(qū)摩天宇航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修公司

0 引言

傳統(tǒng)的CFM56/GE90 發(fā)動(dòng)機(jī)使用高壓壓氣機(jī)（HPC）出口氣體對(duì)高壓渦輪（HPT）一級(jí)葉片內(nèi)腔進(jìn)行冷卻。這種設(shè)計(jì)使用定量的高壓氣體，無(wú)論發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在全起飛推力、巡航還是空中慢車狀態(tài)，HPT 一級(jí)葉片都由同樣流量的HPC 出口引氣進(jìn)行冷卻。但與高推力、高溫時(shí)相比，巡航或空中慢車狀態(tài)時(shí)HPT 溫度較低，實(shí)際上并不需要同樣流量的冷卻氣體。針對(duì)這個(gè)情況，LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)和GE9X 發(fā)動(dòng)機(jī)引入了可調(diào)渦輪冷卻系統(tǒng)（MTC）。

1 工作原理

可調(diào)渦輪冷卻系統(tǒng)（MTC）通過(guò)調(diào)節(jié)HPC 出口向HPT 一級(jí)葉片根部的氣流通道，實(shí)現(xiàn)不同的飛行狀態(tài)下對(duì)氣流流量的控制，優(yōu)化低溫運(yùn)行及巡航狀態(tài)下燃油消耗經(jīng)濟(jì)性控制。這個(gè)全新的MTC 將首次應(yīng)用于LEAP 發(fā)動(dòng)機(jī)，此外也在GE9X 發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了應(yīng)用。

MTC 系統(tǒng)硬件通過(guò)全權(quán)數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)控制（FADEC）計(jì)算機(jī)控制由發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)HPC 分配到冷卻系統(tǒng)的引氣量，尤其是對(duì)各個(gè)飛行航段HPT 一級(jí)葉片氣膜冷卻所需的氣量進(jìn)行精確分配。進(jìn)一步地，在巡航和其他低推力飛行航段時(shí)，通過(guò)減少HPC 供給HPT 一級(jí)葉片的冷卻氣，使更多的HPC 出口氣體進(jìn)入燃燒室與燃油混合，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率和燃油效率。得益于MTC 系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間巡航飛行中，可以大大節(jié)約冷卻引氣量，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的整體效率。

2 系統(tǒng)構(gòu)造

MTC 系統(tǒng)包括MTC 作動(dòng)筒、MTC活門和MTC 引氣管。與MTC 系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的包括安裝作動(dòng)筒和活門的HPC 機(jī)匣、燃燒室機(jī)匣，以及與MTC 引氣管相連形成冷卻氣流通道的HPT 導(dǎo)向葉片支撐（FINS）。

2.1 MTC 作動(dòng)筒

LEAP 發(fā)動(dòng)機(jī)包含兩個(gè)MTC 作動(dòng)筒，分別安裝于HPC 機(jī)匣兩側(cè)。MTC作動(dòng)筒由伺服燃油驅(qū)動(dòng)，為雙方向單側(cè)作動(dòng)筒?；钊拈_關(guān)取決于SCU/SVA提供的燃油壓力。驅(qū)動(dòng)MTC 作動(dòng)筒的高壓燃油由SCU/SVA 出口的兩根伺服燃油管連接，將計(jì)量過(guò)的高壓伺服燃油供給作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)。作動(dòng)筒帶有單通道位移傳感器（LVDT），可將作動(dòng)筒的機(jī)械位置轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。左側(cè)的MTC 作動(dòng)筒向EEC A 通道反饋活塞位置信息，右側(cè)的MTC 作動(dòng)筒向EEC B通道反饋活塞位置信息。

2.2 MTC 活門

MTC 活門是可調(diào)提升閥，包括曲臂組件、活門殼體、推桿、作動(dòng)筒耳軸、滑動(dòng)桿和支撐殼體。MTC 活門通過(guò)推桿鏈接機(jī)構(gòu)與作動(dòng)筒相連，帶動(dòng)滑動(dòng)桿實(shí)現(xiàn)與殼體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。帶有三個(gè)通氣孔的中空殼體安裝在HPC 出口和燃燒室入口之間，中間的提升閥通過(guò)曲臂組件控制徑向位置。如圖1 所示，當(dāng)提升閥向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，殼體通氣管的三個(gè)通氣孔導(dǎo)通，引導(dǎo)流經(jīng)通氣管的HPC出口冷卻氣進(jìn)入MTC 總管；當(dāng)提升閥向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，殼體通氣管的三個(gè)通氣孔被遮擋，HPC 的出口冷卻氣無(wú)法通過(guò)MTC 活門進(jìn)入MTC 總管。

圖1 MTC活門提升閥工作狀態(tài)

2.3 MTC 引氣管

MTC 引氣管是一個(gè)環(huán)形中空引氣管，連接環(huán)殼體一端與MTC 活門的出口端相連，兩根軸向的歧管管端與HPT導(dǎo)向葉片支撐（FINS）3 點(diǎn)和9 點(diǎn)位置的導(dǎo)向孔相連。MTC 活門打開時(shí)，MTC 引氣管可以將HPC 出口氣體引導(dǎo)至FINS 導(dǎo)向孔內(nèi)，用以給HPT 一級(jí)葉片冷卻。6 個(gè)螺孔支架通過(guò)與燃燒室機(jī)匣相連固定該引氣管。

2.4 運(yùn)行方式

如圖2 所示，在MTC 系統(tǒng)中，MTC 作動(dòng)筒由EEC 控制的SCU/SVA分配燃油作動(dòng)，帶動(dòng)MTC 活門中的提升閥。當(dāng)提升閥運(yùn)動(dòng)到100%位置時(shí)，MTC 活門的通氣孔打開，HPC 出口氣體通過(guò)MTC 活門進(jìn)入MTC 引氣管，對(duì)FINS 的其中兩個(gè)導(dǎo)向孔通氣。當(dāng)提升閥運(yùn)動(dòng)到0%位置時(shí)，MTC 活門的通氣孔關(guān)閉，F(xiàn)INS 這兩個(gè)與MTC 引氣管相連的導(dǎo)向孔就沒有引氣通過(guò)。

圖2 MTC系統(tǒng)運(yùn)行原理簡(jiǎn)圖

另一點(diǎn)需要注意的是，在FINS 上共有8 個(gè)導(dǎo)向孔，其中3 點(diǎn)和9 點(diǎn)方向的兩個(gè)導(dǎo)向孔與MTC 引氣管相連，起到冷卻氣氣量調(diào)節(jié)的作用；另外6 個(gè)導(dǎo)向孔沒有與MTC 引氣管相連，HPC 出口的氣體直接供給HPT 一級(jí)葉片進(jìn)行冷卻。兩種構(gòu)型導(dǎo)向孔的冷卻氣流路線如圖3 所示。換言之，即便在MTC 活門關(guān)閉、MTC引氣管沒有供氣的情況下，HPT 一級(jí)葉片也由于75%的導(dǎo)向孔作用而保有持續(xù)冷卻氣。

圖3 HPT一級(jí)葉片冷卻氣流

2.5 運(yùn)行計(jì)劃

MTC 系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)MTC 活門的打開位置，控制HPC 出口壓力（CDP）氣流引向HPT 一級(jí)葉片的氣流流量。根據(jù)不同的飛行狀態(tài)，MTC 作動(dòng)筒打開或關(guān)閉MTC 活門。MTC 活門帶的單通道LVDT 將活門位置的電信號(hào)反饋給EEC。

?在低功率運(yùn)行（巡航、減速和地面運(yùn)行）時(shí)，MTC 系統(tǒng)關(guān)閉MTC 活門，HPC 出口壓力（CDP）氣流通過(guò)FINS的8 個(gè)導(dǎo)向孔中的6 個(gè)，對(duì)HPT 一級(jí)葉片進(jìn)行冷卻；

?在高功率運(yùn)行（起飛和爬升）時(shí)，MTC 系統(tǒng)打開MTC 活門，HPC 出口壓力（CDP）氣流被引向FINS 全部8個(gè)導(dǎo)向孔，提供HPT 一級(jí)葉片的冷卻氣。

在圖4 所示的MTC 系統(tǒng)工作計(jì)劃中，MTC 位置信號(hào)100%代表活門全開位，0%代表活門全關(guān)位?？梢钥闯觯珽EC 規(guī)劃MTC 活門位置計(jì)劃時(shí)帶有遲滯性，應(yīng)避免在發(fā)動(dòng)機(jī)加減速過(guò)程中頻繁作動(dòng)活門。

圖4 MTC系統(tǒng)工作計(jì)劃

2.6 構(gòu)型更改

CFMI 針對(duì)LEAP-1B 發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)布了服務(wù)公告 72-00-0124，對(duì)在翼和生產(chǎn)線上的發(fā)動(dòng)機(jī)提出改進(jìn)。使用數(shù)據(jù)證明現(xiàn)有的雙MTC 系統(tǒng)過(guò)于冗余。改進(jìn)后的構(gòu)型刪除了右側(cè)的MTC 系統(tǒng)，包括一個(gè)MTC 作動(dòng)筒、一個(gè)MTC 活門，并引進(jìn)了構(gòu)型更改后的MTC 引氣管。

完成服務(wù)通告后的MTC 系統(tǒng)進(jìn)一步減少了高溫、高推力下的一級(jí)渦輪葉片高壓所需的冷卻氣。與原構(gòu)型相比，在高溫、高推力工作情況下，所需調(diào)節(jié)的冷卻氣變化量為原來(lái)的50%，且改裝可為每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)減少12.5Pb（5.7kg）重量。

3 故障分析

3.1 作動(dòng)部件故障

在飛機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，MTC 作動(dòng)筒、MTC 活門等活動(dòng)部件可能存在卡阻或作動(dòng)筒伺服燃油泄壓，使作動(dòng)筒命令值與實(shí)際值不符。在MMEL 75-23-02 中，允許每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)有兩個(gè)MTC 作動(dòng)筒（已執(zhí)行SB 72-00-0124 的構(gòu)型為一個(gè)MTC作動(dòng)筒）失效。當(dāng)出現(xiàn)故障信息需要保留飛行時(shí)，需將至少一個(gè)MTC 活門鎖在開位。將MTC 活門的曲臂組件向發(fā)動(dòng)機(jī)后側(cè)伸展，鎖定螺桿可將活門鎖在接耳上，從而使活門鎖在開位。鎖定在開位的MTC 活門能保證在任何飛行階段HPC 出口送往HPT 一級(jí)渦輪葉片根部的冷卻氣量都是最大的通氣模式。

3.2 靜止部件故障

另一種故障模式為MTC 引氣管的活塞環(huán)錯(cuò)位或丟失。MTC 引氣管每個(gè)歧管管端和FINS 的導(dǎo)向孔之間裝有一個(gè)金屬材質(zhì)、周向帶彈性的活塞環(huán)，起密封作用?；钊h(huán)在作動(dòng)過(guò)程中曾被發(fā)現(xiàn)錯(cuò)位甚至丟失?；钊h(huán)錯(cuò)位或丟失不會(huì)對(duì)MTC 系統(tǒng)的工作帶來(lái)影響，因此在飛機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下無(wú)法被發(fā)現(xiàn)。

但如果活塞環(huán)在工作過(guò)程中斷裂脫落，活塞環(huán)碎片有可能被HPC 氣體吹至HPT 一級(jí)葉片的冷卻腔，即HPT 前轉(zhuǎn)子封嚴(yán)盤和HPT 一級(jí)盤之間?；钊h(huán)在高速轉(zhuǎn)動(dòng)的渦輪轉(zhuǎn)子空腔內(nèi)被打碎成碎片，并隨冷卻氣流繼續(xù)向下游運(yùn)動(dòng)，如圖5 所示，碎片最終會(huì)卡阻在一級(jí)渦輪葉片根部的冷卻氣道內(nèi)。卡阻的活塞環(huán)碎片將嚴(yán)重影響渦輪葉片的冷卻氣流道，導(dǎo)致這一流道的冷卻氣無(wú)法供應(yīng)。世界機(jī)隊(duì)中曾有一例MTC引氣管活塞環(huán)脫落案例，最終導(dǎo)致一片HPT 一級(jí)葉片燒傷、葉身剝落的事件。

圖5 MTC總管活塞環(huán)造成內(nèi)物損傷

4 排故工作范圍

4.1 HPT 導(dǎo)向葉片支撐（FINS）

移位的活塞環(huán)材料卡在MTC 通氣管歧管管端和HPT導(dǎo)向葉片支撐（FINS）的引氣孔之間，將導(dǎo)致引氣孔孔壁磨損。對(duì)于發(fā)現(xiàn)有活塞環(huán)移位或者丟失的發(fā)動(dòng)機(jī)，需要在廠內(nèi)維修時(shí)詳細(xì)檢查FINS，尤其是與MTC 通氣管相連的引氣孔配合面。

4.2 HPT 前轉(zhuǎn)動(dòng)封嚴(yán)（FOS）和HPT 出口靜子封嚴(yán)（HPTOSS）

脫落的活塞環(huán)材料向下游移動(dòng)，可能被HPC 出口氣體吹至HPT 前轉(zhuǎn)動(dòng)封嚴(yán)（Forward Outer Seal） 和HPT 出 口靜子封嚴(yán)（HPTOSS）之間。如圖6 所示，當(dāng)活塞環(huán)卡在FOS 的篦齒封嚴(yán)和HPTOSS 的金屬蜂窩之間時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的FOS 會(huì)使活塞環(huán)絞爛HPTOSS 的蜂窩材料，產(chǎn)生大量的金屬屑。這些金屬屑會(huì)在運(yùn)行狀態(tài)下繼續(xù)向后移動(dòng)，通過(guò)剩余的篦齒封嚴(yán)間隙進(jìn)入主流道。也會(huì)有部分金屬屑在碰撞過(guò)程中穿過(guò)FOS 的導(dǎo)向孔，進(jìn)入FOS 與HPT 一級(jí)盤之間。圖7 所示為因上述原因造成的金屬蜂窩損傷，需要根據(jù)ESM 對(duì)蜂窩材料進(jìn)行恢復(fù)修理，相應(yīng)的FOS 則需要執(zhí)行齒尖涂層噴涂修理。

圖6 MTC總管活塞環(huán)導(dǎo)致HPTOSS損傷

圖7 HPTOSS金屬蜂窩損傷

4.3 HPT 轉(zhuǎn)子葉片

世界機(jī)隊(duì)中曾有一臺(tái)運(yùn)營(yíng)中的LEAP-1B 發(fā)動(dòng)機(jī)孔探發(fā)現(xiàn)一片HPT 一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片后緣材料丟失，其他葉片卻沒有類似損傷情況。發(fā)動(dòng)機(jī)拆下后，發(fā)現(xiàn)這片損傷的渦輪葉片后緣冷卻流道里有外來(lái)物殘留，材料分析為來(lái)自MTC通氣管活塞環(huán)。活塞環(huán)碎片堵塞在渦輪葉片后緣冷卻流道，導(dǎo)致冷卻氣流無(wú)法通過(guò)，繼而導(dǎo)致渦輪葉片葉身缺乏冷卻而燒蝕，損傷狀況如圖8 所示。因此，針對(duì)發(fā)現(xiàn)有MTC 通氣管活塞環(huán)脫落或丟失的發(fā)動(dòng)機(jī)，需要在發(fā)動(dòng)機(jī)分解過(guò)程中收集活塞環(huán)碎屑。如果所收集的碎屑不能拼出完整的活塞環(huán)，則需要對(duì)HPT一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行詳細(xì)檢查，尤其要確保葉片榫頭的冷卻氣道內(nèi)沒有殘留的外來(lái)物，包括活塞環(huán)或是蜂窩材料碎屑等堵塞氣道。

圖8 MTC總管活塞環(huán)導(dǎo)致渦輪葉片損傷

4.4 改進(jìn)方案

當(dāng)前使用的件號(hào)為2548M46G02的MTC 引氣管在兩個(gè)歧管管端有圓角凹槽，裝配C 型金屬帶預(yù)張緊的活塞環(huán)，但圓角凹槽的尺寸有可能使活塞環(huán)滑出凹槽。CFMI 公司針對(duì)MTC引氣管活塞環(huán)松脫情況發(fā)布了LEAP-1B SB 72-00-0293，該服務(wù)通告發(fā)布了新構(gòu)型的MTC 引氣管，改善了活塞環(huán)的張緊度。執(zhí)行該服務(wù)通告后，MTC 引氣管件號(hào)從2548M46G02 更改到2548M46G03。此外，執(zhí)行SB 72-00-0296 前需先完成上文提到的SB 72-00-0124。