白杰，賀斯鴻，2

（1.中國民航大學安全科學與工程學院，天津 300300；2.北京飛機維修工程有限公司，北京 100621）

V2500-A5 發(fā)動機LPC（low pressure compressor）2.5 級放氣系統(tǒng)故障是航線運行中的常見故障[1]。其中，2.5 級放氣活門損傷造成的系統(tǒng)故障由于需要進廠修理，成為近年來發(fā)動機非計劃下發(fā)的主要原因。因此，研究LPC 2.5 級放氣系統(tǒng)故障的分類、成因及相應的預防、監(jiān)控措施能有效避免此類系統(tǒng)故障造成的航線非計劃下發(fā)。

針對民航發(fā)動機故障分析問題，周金輝[2]根據(jù)實際排故過程，對CFM56-3C 發(fā)動機引氣故障產(chǎn)生的原因進行了研究，提出判斷和排除此類故障的方法；鄧力銘等[3]對一起CFM56-5B 發(fā)動機主動間隙控制活門故障案例進行了分析，并總結了此類故障對發(fā)動機性能參數(shù)造成的影響；陳磊[4]針對V2500 發(fā)動機常見的主齒輪箱碳封嚴漏油問題，從基本原理和失效分析兩方面進行了研究，提出一種預防性維修方案。綜上，當前對民航發(fā)動機故障的研究主要從故障現(xiàn)象、故障成因和預防與維護措施等方面開展，為本文對V2500-A5發(fā)動機LPC 2.5 級放氣系統(tǒng)故障研究提供了思路。

對于LPC 2.5 級放氣系統(tǒng)，余剛[5]針對一起PW4000發(fā)動機2.5 級放氣系統(tǒng)機械連接失效導致的喘振故障進行了研究，并分析了故障成因；陳信衡等[6]從航線維護角度對V2500-A5 發(fā)動機LPC 2.5 級放氣系統(tǒng)常見故障進行了分析，并提出了航線維護方案。

因各機型LPC2.5 級放氣系統(tǒng)結構及功能不盡相同，無法將已有研究結果直接應用于V2500 發(fā)動機。鑒于此，本文使用文獻研究法和個案研究法，針對V2500-A5 發(fā)動機LPC 2.5 級放氣活門損傷成因、排故方法加以研究，提出2.5 級放氣活門損傷的監(jiān)控、預防方法和發(fā)動機大修廠的修復方案，可為航空公司航線監(jiān)控該系統(tǒng)故障，并在發(fā)動機首次進廠大修時有針對性地對此系統(tǒng)故障加以預防和修理提供參考。

1 LPC 2.5 級放氣系統(tǒng)故障分析

V2500-A5 發(fā)動機低壓壓氣機LPC 2.5 級放氣系統(tǒng)主要由主作動器、從動作動器、作動桿、電子控制器（EEC，electronic engine controller）、燃油調(diào)節(jié)組件（FMU，fuel metering unit）、高低壓燃油泵（HP/LP fuel pump）和LPC 2.5 級放氣活門組成。

LPC 2.5 級放氣系統(tǒng)的主要功能是在發(fā)動機電子控制器控制下，通過系統(tǒng)作動器作動改變放氣活門開度，在發(fā)動機運行過程中對通過壓氣機的空氣流量進行控制，從而避免發(fā)動機運行中發(fā)生轉(zhuǎn)速與流量不匹配的現(xiàn)象，進而避免發(fā)生喘振[7]。放氣系統(tǒng)活門開度與N1（低壓轉(zhuǎn)子）轉(zhuǎn)速關系如圖1 所示。從圖1 可以看出，活門開度在N1 轉(zhuǎn)速到達67.0%前處于全開位，隨著N1 轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升活門開度減小，直到N1 轉(zhuǎn)速到達82.5%時活門進入關閉位。

圖1 放氣活門開度與N1 轉(zhuǎn)速的關系示意圖Fig.1 Diagram of the relationship between the bleed valve opening rate and the N1 speed

EEC 根據(jù)傳感器提供的燃燒室壓力、駕駛艙油門桿角度、N1 轉(zhuǎn)速、N2（高壓轉(zhuǎn)子）轉(zhuǎn)速等參數(shù)計算2.5級放氣活門作動器的開度指令，由FMU 提供的壓力燃油驅(qū)動作動器運動，EEC 接收作動器內(nèi)部的線性可變差速傳感器反饋的作動器位置信號實現(xiàn)閉環(huán)控制[8]。

因此，V2500-A5 發(fā)動機LPC 2.5 級系統(tǒng)常見故障主要分為兩大類：①作動器故障、EEC 故障等外部附件故障造成的系統(tǒng)故障；②2.5 級放氣活門損傷造成的系統(tǒng)故障。

為了研究上述兩類故障的實際占比，本研究收集了國內(nèi)某航司機隊自2017—2021 年5 年中2.5 級放氣系統(tǒng)故障的相關信息，如表1 所示。

表1 2.5 級放氣系統(tǒng)故障信息表Tab.1 Fault information table of 2.5 bleed system

由表1 數(shù)據(jù)可知，在上述兩大類故障中，由系統(tǒng)外部附件故障造成的系統(tǒng)故障占故障總量的72%，而由2.5 級放氣活門損傷造成的系統(tǒng)故障僅占8%。由此可見，引起LPC 2.5 級放氣系統(tǒng)故障的主要原因為外部附件發(fā)生故障，而2.5 級放氣活門損傷造成的故障占比不超過10%。

在18 起由外部附件故障引起的系統(tǒng)故障中，放氣活門作動器故障占故障總量的55.56%，EEC 故障占故障總量16.67%。高低壓燃油泵的故障量最少，占故障總量5.56%。上述外部附件故障的原因不盡相同，其中，放氣活門作動器的常見故障原因為作動器內(nèi)力矩馬達故障和封嚴環(huán)漏油。為解決此類故障，國際航空發(fā)動機公司（IAE，International Aero Engines）發(fā)布了多條服務通告以更換故障涉及的部件。

據(jù)統(tǒng)計，放氣活門作動器和FMU 發(fā)生故障時的大修后時間分別為23 500 h 和24 800 h。盡管附件故障不會造成發(fā)動機下發(fā)修理，更換可用的附件即可排除故障，但也可能會因附件調(diào)撥不及時或其他原因造成航班延誤和取消。因此，機務工程師應在相關附件接近大修間隔前適時安排更換相應的附件，避免影響機隊運行。

除此之外，還有20%的2.5 級放氣系統(tǒng)故障是由2.5級放氣環(huán)潤滑不足造成的，這類問題在航線運行和排故中較容易被發(fā)現(xiàn)并排除。但2.5 級放氣活門的損傷在航線中無法修復，必須下發(fā)進廠修理。

2 基于案例的LPC 2.5 級放氣活門損傷分析

造成LPC 2.5 級放氣活門損傷故障的具體原因如下：①2.5 級放氣活門銷釘缺失；②2.5 級放氣活門放氣環(huán)出現(xiàn)磨損和裂紋。

2.1 損傷成因分析

2.5 級放氣活門結構示意圖如圖2 所示，其主要由放氣活門環(huán)、保持環(huán)、銷釘和襯套軸承等組成。其中，保持環(huán)固定于發(fā)動機風扇機匣內(nèi)，放氣活門環(huán)依靠銷釘和動力臂與支撐環(huán)相連接。當EEC 發(fā)出作動信號后，作動器通過作動連桿使放氣環(huán)位置發(fā)生變化進而改變活門開度和放氣量。2.5 級放氣活門損傷最常見的類型為放氣活門環(huán)銷釘孔的磨損和銷釘?shù)娜笔?，而銷釘?shù)娜笔且驗殇N釘孔磨損變形使其直徑增大，導致銷釘從銷釘孔中脫出。

通過對2.5 級放氣活門結構分析不難發(fā)現(xiàn)，與2.5級放氣活門環(huán)銷釘孔直接接觸的是安裝于銷釘孔內(nèi)的襯套和襯套內(nèi)的銷釘。隨著放氣活門的開閉過程，銷釘外的軸承發(fā)生旋轉(zhuǎn)使得放氣活門開度發(fā)生變化。據(jù)此分析，導致銷釘孔磨損的主要因素應為活門運動造成的銷釘旋轉(zhuǎn)，由于襯套和銷釘之間的間隙不足，銷釘?shù)男D(zhuǎn)會引起襯套和保持環(huán)的旋轉(zhuǎn)。

如果保持環(huán)發(fā)生松動，襯套就會隨著銷釘?shù)男D(zhuǎn)而發(fā)生移動，進一步導致銷釘孔的嚴重磨損。一旦保持環(huán)隨著銷釘?shù)男D(zhuǎn)而發(fā)生旋轉(zhuǎn)，保持環(huán)的另一端就接觸放氣活門環(huán)的支撐環(huán)，這會直接導致支撐環(huán)發(fā)生磨損和保持環(huán)從銷釘上脫落，并最終導致銷釘或襯套缺失、放氣活門環(huán)磨損和斷裂故障的產(chǎn)生。

2.2 基于實例的2.5 級活門損傷排故

國內(nèi)某家航空公司的一架A320 飛機在航后例行檢查中出現(xiàn)了CHA 2.5 BLD ACT/HC/EEC2&CHN 2.5 BLD ACT/HC//EEC2 故障信息（右側發(fā)動機LPC 2.5 級作動器故障）[9]。

航線機務人員按照排故手冊（TSM，trouble shooting manual）確認出現(xiàn)的故障代碼為B25TK，需立即對LPC 2.5 級放氣活門進行孔探檢查，由于孔探設備和人員不能迅速到位且此故障代碼為該發(fā)動機第一次出現(xiàn)，經(jīng)航線工程師評估后，當日未進行孔探檢查，機務人員按TSM 進行其他排故工作，并按照TSM 要求更換發(fā)動機EEC 后故障代碼消失，飛機放行。

飛機繼續(xù)運行3 天后，相同故障再次出現(xiàn)。航線工程師按航線手冊要求對故障飛機進行停場排故。TSM 排故路線示意圖如圖3 所示，和前述過程不同，由于本次故障距上次故障間隔時間短，為確保發(fā)動機狀態(tài)可靠，機務人員按TSM 手冊要求進行了孔探檢查。

圖3 TSM 排故路線示意圖Fig.3 Trouble shooting route diagram of TSM

孔探檢查中發(fā)現(xiàn)LPC 2.5 級放氣活門放氣環(huán)有4處銷釘丟失，所有銷釘孔均出現(xiàn)不同程度磨損，其中一處銷釘孔發(fā)生斷裂。按飛機維修手冊（AMM，aircraft maintenance manual）要求，此故障發(fā)動機需立即下發(fā)執(zhí)行進廠修理。

3 監(jiān)控與預防

3.1 監(jiān)控

由于LPC 2.5 放氣系統(tǒng)外部附件故障引起的系統(tǒng)故障多為隨機發(fā)生，無法有效監(jiān)控。因此，對于該類故障，應按前文所述加強對附件更換的管理，使附件按發(fā)動機維修管理手冊建議的修理時限進行修理或測試，以減少由于附件故障引起的系統(tǒng)故障。

對于因2.5 級放氣活門損傷引起的系統(tǒng)故障，由于其損傷通常隨著發(fā)動機的運行直至發(fā)生故障。因此，可通過發(fā)動機運行的某些特征數(shù)據(jù)加以監(jiān)控[10]。2.5 級放氣系統(tǒng)作動器中的線性可變差動變壓器（LVDT，linear variable displacement transducer）在發(fā)動機運行過程中會提供電輸出（反饋信號）至EEC，該信號與作動器活塞位置有一定比例關系。LVDT 由作動器活塞上的延伸部分（前端）直接驅(qū)動，通過相應電插頭提供來自EEC 的電流和電信號。因此，LVDT 向EEC 反饋的信號內(nèi)容可以理解為2.5 級放氣活門環(huán)移動的距離。

當2.5 級放氣活門環(huán)出現(xiàn)磨損時，由于放氣活門環(huán)和支撐環(huán)結構的相對位置變化，為了使放氣活門完全關閉，需要使作動器增加一定的作動距離。因此，LVDT 向EEC 反饋的位置（簡稱LVDT 位置）信息會顯示出作動器位移的變化。

2.5 級放氣活門作動器LVDT 位置隨發(fā)動機運行時間變化的示意圖如圖4 所示。從圖4 可以看出，在2016 年08 月20 日前（損傷發(fā)生前），LVDT 位置基本在100%范圍內(nèi)波動。在2016 年08 月20 日后（損傷發(fā)生后），LVDT 位置開始大量出現(xiàn)超過100%的現(xiàn)象。隨著損傷程度的不斷加深，LVDT 位置變化逐漸加大，呈明顯的上升趨勢，直至產(chǎn)生相應故障代碼。

圖4 2.5 級放氣活門LVDT 位置變化示意圖Fig.4 Schematic diagram of LVDT position change of 2.5 bleed valve

因此，當LVDT 位置發(fā)生超過100%現(xiàn)象并明顯增加時，通常代表放氣活門發(fā)生損傷。因AMM 中規(guī)定無需對LPC 2.5 級放氣系統(tǒng)進行常規(guī)孔探，機務人員不必在日常工作中對此系統(tǒng)進行孔探檢查。為了監(jiān)控活門狀態(tài)，應重點關注LPC 2.5放氣系統(tǒng)LVDT 信息，當LVDT 位置超過100%并有增加趨勢時，應提前安排孔探檢查，掌握損傷情況，并按照AMM 要求進行監(jiān)控，避免發(fā)生影響飛行安全的事件。

3.2 預防

如前文所述，對于由外部附件引起的系統(tǒng)故障，航線機務人員應通過合理安排附件更換及按AMM 要求進行附件修理和測試來預防系統(tǒng)故障。對于因2.5級放氣活門損傷造成的系統(tǒng)故障，從航線運行角度考慮，可通過加強2.5 級放氣活門潤滑工作來減小相關件的磨損進而起到預防損傷的作用。但潤滑工作無法從根本上解決放氣活門損傷問題，在發(fā)動機進廠修理時可對此問題進行修復和預防。針對此問題，IAE 已于2019 年第一季度頒發(fā)了新的服務通告。

服務通告要求改變襯套和銷釘?shù)闹睆揭愿淖儍烧唛g的間隙，避免對放氣活門環(huán)造成損傷。此外，還通過在放氣活門環(huán)銷釘孔外去除材料的方法，避免銷釘和保持環(huán)發(fā)生旋轉(zhuǎn)時造成放氣活門環(huán)的損傷。發(fā)動機大修廠為客戶提供發(fā)動機大修服務時，應按照客戶要求和IAE 發(fā)布的服務通告對相關零件進行修理或改裝以保證發(fā)動機在翼壽命。

4 結語

LPC 2.5 級放氣系統(tǒng)作為保障發(fā)動機安全可靠運行的重要系統(tǒng)，其安全可靠的運行對發(fā)動機至關重要。

（1）LPC 2.5 級放氣系統(tǒng)故障主要可分為外部附件故障引起的系統(tǒng)故障和LPC 2.5 級放氣活門損傷引起的系統(tǒng)故障。

（2）以放氣活門作動器故障為主的外部附件故障可通過更換可用附件加以排除并通過合理安排附件更換周期加以預防。

（3）對于LPC 2.5 級放氣活門損傷引起的故障，由于損傷是由不合理結構設計所致，從航線運行角度考慮，需加強對此活門狀態(tài)的監(jiān)控，盡早發(fā)現(xiàn)可能導致下發(fā)的損傷并在發(fā)動機進廠修理時按照新頒發(fā)的服務通告對相關零件進行改裝。