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CFM56-3发动机排故分析
作者： 刘万亮 国航股份工程技术分公司天津维修基地
发动机的正常运转是由发动机控制系统的正常工作来保证的，发动机控制系统分为液压机械部件和电器部件，其中，液压部件包括：MEC、T2传感器、T2.5传感器、VBV马达、涡轮间隙控制活门（TCCV）、和VSV作动器等。电器部件包括PMC、N2转速表发电机、N1传感器，T12传感器、及PS12传感器等。这些部件及传感器对发动机运转特性进行影响，当其中的一个部件工作不正常时，将导致发动机故障，对发动机出现的故障,如果完全按维护手册故障树排除，显得非常复杂，影响排故效率. 如果我们采取适当的方法，我们可以大大的提高排故质量，节省排除故障时间及不必要的部件更换。
根据天津基地的发动机经验，我们认为在飞行员报告故障时，应首先通过FADAMS对发动机的参数进行初步的分析，判断故障的可能部件。主要对参数的匹配性，传感器信号的准确性，如TAT,高度指示等。然后对发动机进行一、两次试车,分析所采集的数据判断出那个系统可能出现故障,再按维护手册进行排故，那么我们的排故工作就会简单化,从而节约时间。
一、发动机控制系统内在关系及其主要部件功用
上图简单地给出了PMC/MEC输入、输出的参数以及他们之间的关系
MEC
MEC在所有工作状态下通过计量到发动机燃油喷嘴的燃油流量控制发动的转速，以保持推力杆所设定的转速及在发动机各种运转情况下建立所需的燃油供油计划。MEC控制瞬时的和稳定的燃油供油以及设定VSV、VBV的位置以保持稳态转速，并且保证发动机在加减速期间的运转在失速和温度限制内。MEC对发动机的控制主要通过计算输入MEC的信号参数来完成的，输入参数包括：风扇进口温度（T2），高压压气机进口温度（CIT），高压压气机出口压力（CDP），高压压气机引气压力（CBP），VSV/VBV位置反馈，N2转速，油门杆位置（PLA）,环境压力（PS12）。
MEC四个主要功用：
1．发动机加减速的燃油控制。MEC为发动机启动、加速、减速提供供油计划，加速计划的控制是为发动机的平稳的启动和转子快速的加速提供必须的燃油，并保证压气机有足够的喘振裕度以及涡轮部件的瞬时超温保护，减速计划是使发动机在快速减速期间，确保发动机不贫油熄火。 所需参数：CDP、CBP、CIT、N2。
2．稳态的转速控制。MEC根据油门杆的位置计划稳态的核心转速，并根据环境参数（高度压力PS12、环境温度T2）的变化对稳态计划进行修正，N2转速控制系统根据环境参数的变化修正N2转速，例如，在高空，空气较稀薄，MEC将增加所需的N2转速计划，以保证必要的燃烧室空气流量。MEC还接受来自PMC的一个扭力马达电流，该信号通过调节（增加或减小）N2转速来获得所需要的风扇转速。MEC速度计量系统通过比较设定核心转速和实际的转速，修正燃油供油计划，已获得所需的转速。所需参数：PLA、PS12、T2。
3．VBV,VSV控制。压气机在低转速时，前几级将泵入气量要超过后几级压气机的处理能力，因此，VSV/VBV的功用既是调节压气机前几级的进气量，从而改进发动机的喘振裕度。MEC根据输入的参数计算调节VSV/VBV位置，优化发动机性能，所需参数：N2、CIT、VSV/VBV位置反馈。 VSV偏关或VBV偏开，将导致发动机启动和加速慢、油门杆不一致、达不到起飞推力和高N2转速；VSV偏开或VBV偏关，将导致压气机失速喘振、油门杆不一致、起飞时的N1超限和高EGT.
4．发动机间隙控制。MEC通过选择使用高压压气机第5、第9级引气，来冷却或加热高压涡轮罩环支撑结构，以获得最佳的高压涡轮叶片间隙。
PMC
PMC是一个模拟电子控制系统，他根据油门杆位置(PLA)设定风扇转速，并且根据风扇进口温度（T2）和高度气压(PS12)对风扇转速进行偏置。PMC对压力高度和风扇进口温度的变化进行自动补偿，以保持发动机在起飞、爬升、和巡航状态时的油门杆设定。以保证发动机所需推力。PMC所需参数：T12 、N2发电机、PS12、PLA GAIN、N1
传感器部件
CIT—感受高压压气机进口温度，为MEC提供压力信号，MEC使用此信号控制VBV、VSV位置。加减速供油计划。
T2—感受风扇进口温度，为MEC提供压力信号， MEC使用此信号控制高、低慢车。
T12—感受风扇进口温度，为PMC提供电信号。
CDP—感受高压压气机出口压力，用于加减速供油计划
CBP—感受自高压压气机出口引气压力，用于加减速供油计划
PS12--感受风扇进口压力，用于稳态转速控制
N2转速表发电机-为PMC提供电源
二、 .发动机试车及数据采集
发动机试车根据不同的故障情况可选择如下几种试车进行数据采集:
A.高低慢车；B.部分功率；C.大功率校验(MPA)； D.加减速检查
E.振动测试 ；F.T2/CIT测试
另外，飞行数据获得组件所采集的发动机数据也可用作故障初步分析。
数据采集通常需两发同时采集一般须记录下列数据:
1.外界大气温度,大气压力；2.稳定的N1. N2. EGT. FF.
3.PMC ON/OFF；4.目标值
三. 试车排故分析
发动机故障排除主要基于对发动机的运转数据分析。首先检测发动机高、低慢车，部分功率参数是否在设定范围内。AMM71-00-00/501中给出了发动机在不同的工作环境下的正常工作范围，如果发动机超出了给定的工作范围，则发动机存在故障。其次，用来检测MEC/PMC等发动机控制系统及部件的工作是否正常。发动机控制系统的故障主要可分为四种：加减速控制系统故障；稳态转速控制系统故障；VBV/VSV控制系统故障；PMC控制系统故障。通过数据分析，我们可以判断出那个系统存在故障，从而进一步检查相应的部件。第三，评估发动机的健康状况。当发动机工作参数接近使用极限时，我们可以通过对发动机试车数据的分析来对发动机的健康状况进行评估，以确认发动机是否满足使用要求。
对于CFM56-3发动机，稳态运转的发动机转速N1/N2之间有一种特有的关系，这种关系是相对稳定的。通常，如果两发N1完全吻合，两发N2转速差应小于1%，如果N2完全吻合，两发N1相差应小于2%，否则，发动机的VBV,VSV控制系统可能存在故障，可根据具体情况具体分析，做相应的检查排除故障。但对于作过VSV动态较装的的发动机不遵循上述规律。
慢车
慢车参数主要用于检查高/低慢车N2转速是否在AMM范围内,及用于加速性不一致时的调节,(上调/下调)。如果高低慢车都不在范围内，且都向同一个方向偏移，这可能表明MEC N2转速控制系统存在问题。N1/N2关系在此时不精确,不考虑。PMC此时影响也不大。
AMM71-00-00/501中给出了正确的极限范围。
部分功率校验
部分功率校验是在已知的固定油门杆角度（92.5度）进行，它用来判定MEC(PMC OFF) 和PMC(PMC ON)系统在该油门杆角度是否可获得正确的N2和N1转速。PMC/MEC根据油门杆位置、场温、场压决定目标速度，这样，通过地面试车，可对PMC/MEC系统进行测试，以判断系统工作是否正常。
PMC OFF用于确认MEC转速控制系统根据油门杆位置及场温、场压，是否正确的计划N2转速，N2转速必须在AMM要求的范围内。如果N2转速不正确，调节部分功率螺钉对N2转速进行调整。如果N2仍然不正确，检查T2,PS12，油门杆校装。如果仍然不正确（超限），则更换MEC。
PMC ON用于确认PMC系统根据油门杆位置及场温、场压，是否正确的计划N1转速，N1转速必须在AMM要求的范围内。如果不正确，在确认PMC OFF参数正常的情况下检查PMC控制系统：PMC本身，T12,PS12, PLA增益,PMC系统RVDT,N2转速表发电机。
如果PMC OFF/ON参数两发N2完全吻合，可检查两发N1相差是否超过2%；或N1吻合，可检查N2相差是否超1%，如果超出则检查下列项目：VSV、VBV校装及CIT是否正确。
另外，此时可检查油门杆位置，推油门杆到部分功率止动位，检查油门杆是否平齐，否则检查校装钢索。参考AMM76-11-00/501
MPA 大功率检验
用于检查EGT裕度及N2裕度状况, 以此对发动机的健康状况进行评估。如果N2、EGT超限则需要进一步检查，并根据具体情况合理使用发动机。在大功率下评估N1/N2关系较精确， N1完全吻合，N2相差超过1%，检查VSV,VBV,CIT.
四. 举例
飞行员报告:两发油门杆差2个球, 1发超前.
飞行人员的故障报告描述通常非常模糊，该故障报告中,没有写明油门杆不一致发生时,飞机处于那一个阶段,因此我选择做慢车和部分功率检查,如果N1/N2可用部分功率评估,那MPA没有必要作.
试车数据：外界大气:温度22度, 气压29.0英寸HG
慢车数据:
1发 2发
N1 20.1 20.0
N2 62 61.4
EGT 503 492
FF 712 688
N2目标值 61.7(+3/-1%)
部分功率:
PMC OFF PMC ON
1发 2发 1发 2发
N1 77.4 77.4 N1 72.2 74.2
N2 92.5 92.9 N2 89.7 92
N2目标值92.8(+/-0.5) N1目标值 74.8(+/-1.5
分析
1．慢车转速没有问题, 说明MEC慢车调节正确.
2．PMC OFF目标值在范围内, 说明此时MEC对N2值与油门杆位置一致.另外我们注意到PMC OFF数据N1两发完全吻合, 此时两发N2相互差值为0.4%, 前面说过N2差值在1%以内正常,所以显然N1/N2匹配没有问题,即VSV/VBV系统部件正常.
3．PMC ON数据,显然1发N1不在目标值范围内, 此时发动机转速低于目标值, 说明PMC下调了转速,因此为保持两发马力一致前推1发油门杆,这与飞行员报告符合.
综上,故障发动机为1发，1发慢车参数及PMC OFF时的参数都在正常范围内，且两发N1/N2关系正常，发动机不存在加减速问题，因此我们认为MEC对发动机的控制是正常的。发动机参数只有在接通PMC时出现不正常，因此我们认为故障存在于PMC系统。由于PMC ON/OFF发动机参数变化，说明N2发电机工作正常。PS12信号同时供给MEC，说明PS12工作正常。对PMC系统检查时可将上述两个部件排除。
PMC输入:T12 、N2发电机、PS12、PMC本身、PLA GAIN、N1
例2
飞行员报告：
起飞加油门过程中，两发加速不一致，右发领先约8%，手柄差一个球。
起飞时，增加到额定推力最后阶段，左发N1滞后于右发5-6% 左右。
T/O加油门双发加速性不一致，右发快8%。
以上三项记录为飞行员报告的三次故障。由于涉及加速性、起飞推力，我们进行的试车项目数据如下：
外界状态: 温度 21℃ 压力29.5”HG
低慢车 高慢车
1发 2发 1发 2发
N1 23.4 25.4 N1 30.6 32.5
N2 62.4 62.4 N2 70.8 70.2
EGT 524 480 EGT 511 490
N2目标值 61.4(+3/-1%) N2目标值 70.7(+3/-0.7)
部分功率
PMC OFF PMC ON
1发 2发 1发 2发
N1 73.5 75.5 N1 73.6 73.3
N2 90.4 90.5 N2 90.3 89.4
EGT 654 700 EGT 656 678
N2目标值 90.4(+/-0.5%) N1目标 73.4(+/-1.5)
MPA(85%N1表)
1发 2发
N1 92.6 92.6
N2 97.6 96.1
MPA目标 92.6
加速性检查：低慢车到40%N1，NO.1发：13.2秒；NO.2发：8秒
高慢车到目标值：NO.1发：7.6秒； NO.2发：7.2秒
分析：
1．发动机试车时，一般都要记录高低慢车，有两个原因，一是记录较方便，二是涉及加速性，调节慢车至高限也是改变加速性的手段。检查两发高低慢车数据，N2参数均在目标值范围内，说明高低慢车没有问题。
2．PMC OFF时，两发N2转速在目标值内。此时没有完全匹配的参数值，但注意到在N2相差仅0.1%的情况下，N1相差达到2%，应该引起注意。
3．PMC ON时，两发N1转速均在目标值内，且PMC ON/OFF参数有变化，因此可以确定两发PMC系统工作正常。需指出的是当PMC正常工作的情况下，PMC ON/OFF参数也可能没有变化。此时没有完全匹配的参数值。
4．MA参数，在N1完全匹配的情况下N2相差达到1.5%，这样很明显其中一台发动机VBV/VSV控制系统存在问题。那么哪一台发动机的VBV/VSV控制系统存在问题呢？
5．加减速情况看，低慢车到40%N1时，1发加速性明显比2发慢，且两发相差超过4秒限制要求。自高慢车到目标转速，1发超出7.4秒的手册要求范围，说明故障在1发。
6．检查参数：N2、CIT、VSV/VBV 反馈
综上所述，对于涉及发动机加减速问题的故障，加减速检查将非常有助于判断那台发动机故障，节省排故时间，提高工作效率。 |
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