劉磊

摘 要：喘振對航空發(fā)動機的工作危害甚大，先進的航空發(fā)動機均設(shè)計完善的防喘系統(tǒng)防止發(fā)動機喘振。鑒于發(fā)動機喘振原理和防喘機理比較復雜和抽象，本文選取V2500發(fā)動機為研究對象，對其可調(diào)靜子葉片（VSV）防喘系統(tǒng)進行深入研究，結(jié)合飛機維修手冊和工卡，設(shè)計一種面板對V2500發(fā)動機的VSV防喘系統(tǒng)進行模擬排故維修，以達到良好教學效果。

關(guān)鍵詞：V2500;VSV;喘振;模擬排故

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.001

1 引言

飛機發(fā)動機的喘振一般是指壓氣機的喘振，喘振會使壓氣機葉片斷裂，引起發(fā)動機熄火停車，嚴重威脅發(fā)動機安全工作[1]。因此在航空發(fā)動機設(shè)計和使用維護中，喘振問題一直是關(guān)注重點。對于在校學生而言，由于客觀條件限制，未能直接接觸和學習有關(guān)發(fā)動機喘振方面的知識，只通過課堂上理論學習很難理解這一抽象概念。因此通過研究發(fā)動機喘振相關(guān)知識，設(shè)計一種某機型的防喘系統(tǒng)模擬排故面板，直觀地演示發(fā)動機的防喘機構(gòu)工作過程，并結(jié)合相關(guān)機型的航空維修手冊，模擬如何排查防喘系統(tǒng)的故障并給出解決方案，使得學生的學習相對直觀且容易，從而對航空發(fā)動機喘振以及發(fā)動機維護過程有著更為深刻的認知。

2 V2500發(fā)動機的VSV防喘系統(tǒng)

由于壓氣機喘振的危害性極大，為了避免喘振現(xiàn)象的產(chǎn)生，現(xiàn)代先進的民用航空發(fā)動機一般都會同時具備多種防喘機構(gòu)，防喘的機理各不相同。從代表性出發(fā)，可調(diào)靜子葉片（VSV）是在當今民航客機上廣泛采用的高壓壓氣機防喘裝置，而V2500發(fā)動機則為150座級飛機配置的主流發(fā)動機，因此本文選取V2500發(fā)動機為研究機型，針對其主要的防喘機構(gòu)——壓氣機可調(diào)靜子葉片（VSV）防喘系統(tǒng)展開研究，制定具體的模擬排故方案。

2.1 V2500的防喘系統(tǒng)簡介

V2500發(fā)動機主要包括三種防喘機構(gòu)：采用雙軸結(jié)構(gòu)、放氣機構(gòu)和可調(diào)靜子葉片（VSV）系統(tǒng)。其中放氣機構(gòu)包括低壓壓氣機2.5級的放氣帶，高壓壓氣機第7級的三個放氣窗和第10級的一個放氣窗。而可調(diào)靜子葉片（VSV）系統(tǒng)采用了進口導流葉片和前3級的靜子葉片可調(diào)的形式。通過調(diào)整高壓壓氣機進口導流葉片和三級靜子葉片的角度，保證低壓壓氣機的氣體流量和高壓壓氣機的氣體流量匹配，這樣能在較寬的工作范圍內(nèi)使發(fā)動機保持正常的壓氣機特性，避免發(fā)動機發(fā)生喘振[2]。

2.2 V2500的VSV系統(tǒng)構(gòu)成

V2500的VSV系統(tǒng)簡圖如圖1所示。燃油計量組件（FMU）向可調(diào)靜子葉片作動筒提供高壓燃油，然后從低壓路回油，發(fā)動機電子控制器（EEC）接收高壓壓氣機的工作參數(shù)（壓氣機進口總溫，高壓壓氣機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等），通過進行計算使得執(zhí)行機構(gòu)和發(fā)動機電子控制器構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)來準確控制作動筒的運動[3]。VSV作動桿依靠中間的傳動機構(gòu)來控制進口導向葉片和三級靜子葉片進行轉(zhuǎn)向[4]，靜子葉片角度的偏離量可以影響進入高壓壓氣機的氣流量，進而促使高壓壓氣機和低壓壓氣機氣體流量的匹配，避免發(fā)動機發(fā)生喘振，提高壓氣機的工作效率和喘振裕度[5]。

發(fā)動機電子控制器通過接收高壓壓氣機的工作參數(shù)，并經(jīng)過計算和綜合校對，最后輸出一個電信號來控制位于可調(diào)靜子葉片作動筒里的力矩馬達（TM），達到控制高壓油路的開關(guān)和開合度的作用，從而準確操控活塞的運動。作動筒內(nèi)部的線性可變差動傳感器（LVDT）同時將活塞的位置信號以電信號的形式反饋到發(fā)動機電子控制器，構(gòu)成了可調(diào)靜子葉片系統(tǒng)的閉環(huán)控制，閉環(huán)控制的優(yōu)點在于控制精度很高。

2.3 V2500的VSV系統(tǒng)故障總結(jié)

V2500的VSV系統(tǒng)主要由可調(diào)靜子葉片作動筒、操縱環(huán)、搖臂、曲柄傳動機構(gòu)、進口導流葉片、可調(diào)靜子葉片（VSV）和EEC組成。VSV系統(tǒng)會因為各種原因?qū)е鹿收?。?jīng)過深入研究并歸納總結(jié)，V2500的VSV系統(tǒng)的故障主要分為機械故障和電氣故障。具體的總結(jié)歸納如下：

機械結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的故障有：（1）VSV作動筒漏油;（2）運動機構(gòu)摩擦過大;（3）操縱搖臂疲勞斷裂。

電氣故障有：（1）作動筒位置反饋出錯（LVDT故障、LVDT反饋回路線路故障）;（2）連接電氣插頭老化、松動;（3）力矩馬達繞組故障;（4）N2傳感器繞組故障;（5）CIT傳感器故障;（6）EEC故障。

3 VSV系統(tǒng)模擬排故面板設(shè)計

3.1 面板總體布局設(shè)計

本文根據(jù)V2500發(fā)動機的VSV系統(tǒng)常見故障，參照了機務人員的實際維修工卡，設(shè)計出一種VSV系統(tǒng)的模擬排故面板，能夠簡單、清晰、直觀地將排故過程展示出來，見圖2 。為了實際的教學效果考慮，面板為長1.8米，寬1.2米的矩形。如圖2所示，整個演示面板分為三大部分，以黑色粗框線為分隔框，第一部分以圖1為基礎(chǔ)，經(jīng)過進一步的細化體現(xiàn)出VSV系統(tǒng)中的主要結(jié)構(gòu)和部件，第二部分作為故障檢查和故障排除開關(guān)，第三部分是排故流程圖，用于指導怎樣排故和如何排故。下文將對演示面板中的三大組成部分進行詳細地介紹。

3.2 VSV系統(tǒng)原理圖設(shè)計

如圖3所示，在圖1的基礎(chǔ)上，首先將VSV作動筒部分細化，將其內(nèi)部的恒壓閥、減壓閥、力矩馬達和線性可變差動傳感器（LVDT）呈現(xiàn)出來。其次細化VSV機械組件部分，在其中添加出作動筒、搖臂和曲軸。燃油計量組件為主動間隙控制系統(tǒng)（ACC）、風冷式滑油冷卻器活門控制系統(tǒng)（ACOC）、低壓級放氣系統(tǒng)和VSV系統(tǒng)供高壓燃油。在VSV系統(tǒng)和發(fā)動機電子控制器（EEC）之間有力矩馬達電流和線性可變差動反饋聯(lián)系，并且發(fā)動機電子控制器將會在接受到高壓壓氣機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速傳感器（N2）、壓氣機進口溫度傳感器（CIT）和新件使用循環(huán)數(shù)（CSN）的數(shù)據(jù)下，通過校核來發(fā)送下一步的指令。VSV作動筒、VSV機械組件、搖臂、和VSV葉片之間通過機械傳動來聯(lián)結(jié)。

在演示面板中，將每一個部件設(shè)置成故障燈，另外設(shè)定兩個指示燈用來體現(xiàn)整個VSV系統(tǒng)處于正常狀態(tài)和非正常狀態(tài)，如圖3中右上角所示，其中綠燈亮起表示系統(tǒng)處于正常狀態(tài)，紅燈亮起處表示系統(tǒng)處于非正常狀態(tài)。

3.3 VSV系統(tǒng)排故流程設(shè)計

在對V2500發(fā)動機的VSV系統(tǒng)故障深入研究的基礎(chǔ)上，本文對機務人員日常維修工卡進行研究，針對VSV系統(tǒng)的組成和具體的故障分布，設(shè)計具體的模擬排故流程，如圖4所示。

VSV系統(tǒng)是一個相對復雜的控制系統(tǒng)，故障大多因為不同部件之間的故障相互影響、誘導而成。當VSV系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，第一步進行故障診斷，檢查發(fā)動機的VSV控制系統(tǒng)、主動間隙控制系統(tǒng)、風冷式滑油冷卻器活門控制器、發(fā)動機低壓級放氣系統(tǒng)都是由來自燃油計量組件的高壓燃油驅(qū)動的，如果發(fā)生兩個或兩個以上的系統(tǒng)一同失效，則可以判斷出故障來自燃油計量組件或者燃油增壓泵。如果僅僅是VSV控制系統(tǒng)發(fā)生故障，則檢查最近一次的飛行報告，將相關(guān)警告失效信息從ECAM中調(diào)出來。若警告ENGINE2 COMPRESSOR VANE的兩條信息是CHA VSV ACT/HC/EEC2和CHB VSV ACT/HC/EEC2，并同時滿足以下條件：引擎的新件使用循環(huán)數(shù)（CSN）大于2000，在起飛和爬升過程中ECAM的警告時間大于一分鐘，發(fā)動機出現(xiàn)了喘振現(xiàn)象、突破溫度界限或參數(shù)變化異常，出現(xiàn)了兩臺引擎持續(xù)的參數(shù)差異，那么故障是由于可調(diào)靜子葉片作動筒失效，需要及時修復或更新VSV作動筒。

3.4 VSV系統(tǒng)故障檢查和故障排除開關(guān)設(shè)計

如圖5所示，面板中設(shè)置了18個檢查開關(guān)和15個排故開關(guān)，分別對應著相應的部件、組件。在依照排故流程的前提下，先撥開檢查開關(guān)，若出現(xiàn)故障即燈未亮，后撥開排故開關(guān)。

VSV機械結(jié)構(gòu)檢查部位主要有作動筒、連桿、曲軸和搖臂。每一部分用一個LED燈來指示，并用一個總LED燈來指示VSV機械結(jié)構(gòu)是否存在問題。當動筒、連桿、曲軸、搖臂有故障時，此燈不亮。每一個部件均有三個開關(guān)控制，其中一個開關(guān)為故障檢查開關(guān)，另兩個為故障設(shè)置開關(guān)和故障排除開關(guān)。如若事先把故障開關(guān)打開，則當檢查到這一步時，按下故障檢查開關(guān)，LED燈是不亮的，代表此處有問題，那么需要按下故障排除開關(guān)進行排故。

最終演示面板將呈現(xiàn)出的是：若該部件設(shè)定為故障件，那么在檢查此部件時，燈為滅，在完成正確的排故程序即打開相對應的排故開關(guān)后，燈亮，說明此部件已處于正常狀態(tài)。經(jīng)過完整的排故流程后，所有的部件燈和正常狀態(tài)指示燈綠燈亮起，如果紅燈亮起，說明還有故障沒有排查完畢。

4 結(jié)語

本文主要以V2500航空發(fā)動機為研究背景，根據(jù)其壓氣機防喘系統(tǒng)中的一種——可調(diào)靜子葉片系統(tǒng)進行深入研究，了解其中的結(jié)構(gòu)部件、常見故障以及排故手段，再根據(jù)實際的維修工卡設(shè)計出一塊模擬排故面板，后續(xù)的會選用合適的材料制作出實物，作為實際教學用具，為民航系今后的教學實驗打下基礎(chǔ)，使枯燥的理論知識學習變得具體化、形象化，使學生能夠直觀的感受現(xiàn)實機務工作中的流程。

參考文獻：

[1]王云.航空發(fā)動機原理[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009（96）.

[2]夏存江.CFM56—3發(fā)動機可變幾何控制系統(tǒng)對發(fā)動機性能的影響[J].航空發(fā)動機，2008，34（03）：42-45.

[3]吳天翼，樊丁，楊帆等.某型航空發(fā)動機FADEC系統(tǒng)設(shè)計與仿真[J].科學技術(shù)與工程，2012，20（01）：106-111.

[4]李世林.VSV系統(tǒng)對CFM56發(fā)動機喘振的影響分析[J].科學技術(shù)與工程，2011，11（20）：4934-4936.

[5]張元華.聯(lián)合循環(huán)機組壓氣機喘振裕度低事件分析[J].燃氣輪機技術(shù)，2013，26（02）：57-61.