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CFM56-7B发动机引气系统的故障分析与排故方法 作者：邓奎 中联航运行控制与技术支援工程师 摘 要 中国有句俗话：“人活一口气”，这句话从人的生理科学角度去理解确实如此，如果人失去了空气中的氧气，必然会导致人大脑缺氧而休克死亡。对于民用航空器来说，如果没有气源向飞机提供，就会造成客舱增压系统失效而失密，就会导致航空器电子部件不能得到正常的散热而失去原有的设计功能，严重的会导致机组成员和乘客缺氧而昏厥，造成惨痛的航空安全事故。 针对737-700/800飞机发动机引气系统故障的多发，尤其是哪些隐蔽的、重复性的故障，对航空器维修人员来说确实很难准确判断故障并一次性排除；因为CFM56-7B发动机引气系统涉及的部件多、关联性强、排除时间长，也很容易造成故障的误判和维修成本浪费。为使大家在实际排故工作中能提高工作效率和准确判断故障，本文从系统工作原理、控制关系、排故思路、故障案例分析和维护建议等方面向大家论述737-700/800发动机引气系统故障分析及排故方法。 本文中所引用的数据、示图均来自BOEING手册，如某些数据与实际维修中的数据不相符，以相应机型的维护手册为准，本文中所有涉及的故障描述、原理分析、处理方法、示图、维护建议和数据仅供大家参考，不作为实践维护中的执行依据。 关键词：CFM56，发动机，引气，737NG
1．引气系统概述 发动机引气系统是一个关联性很强的电控气动控制系统，全面掌握系统原理、构成和控制关系是有效分析和判断故障的基础，大家需仔细阅读并理解系统原理。 1.1 CFM56-7B发动机引气系统的组成 CFM56-7B发动机引气系统由高压级调节器（High Stage Regulator-HSR）、高压级活门（High stage valve-HSV）、引气调节器（Bleed Air Regulator-BAR）、压力调节关断活门(pressure regulating shutoff valve-PRSOV)、第5级单向活门、390℉恒温传感器、450℉恒温传感器、490℉超压电门、空调附件装置(Air conditioning accessories unit-ACAU)、引气控制面板、引气总管和线路等组成。(见示图1.1)
图1.1
1.2系统原理 发动机引气来自于高压压气机5级和9级；在发动机低转速时，引气系统从第9级引气，HSR和HSV控制发动机引气及引气转换。在发动机低转速下，第5级单向活门防止引气倒流。在高转速下，HSR使HSV关闭从而5级单向活门在压力差的作用下打开，使引气从第5级输出到PRSOV。 BAR和PRSOV控制总管的引气压力和流量，BAR内部有一个超压电门来防止引气发生超压；当引气断开时，驾驶舱有指示灯提供警戒信息。 当引气温度达到450℉（232℃）时，450℉恒温传感器使PRSOV向关闭方向移动，以此来减小引气量，而达到引气温度不超温；当引气温度达到490℉（254℃）时，490℉超温电门接通引气断开指示灯并且通过ACAU来控制BAR电路，使PRSOV关断引气，防止引气温度过高而损坏气压总管和系统设备。 ACAU是空调引气控制面板和BAR的一个接口，内部有控制继电器；空调控制面板上有发动机引气电门，该电门通过电路控制BAR的工作，面板上还有引气断开指示灯来显示超压或超温的情况。（见图1.2）
图1.2
1.3系统功能介绍 1.3.1 HSR和HSV的功能 HSR控制HSV的开或关，当不引气时HSV由弹簧加载保持在关闭位，HSR从9级引气总管提供的未经调节的压力空气（PS）通过HSR内部的基准压力调节器将压力调到恒定的控制压力16±2psi；当9级引气压力大于110±10psi时，HSR的基准压力调节器关闭，从而使HSV得不到控制压力源而关闭。 在正常引气情况下，HSR控制HSV的下游引气压力在32±6psi；9级引气是自动调节的，不需要外部其它控制，日常维护中可使用3/8扳手将HSV锁定在关闭位。 1.3.2 BAR和PRSOV和450℉传感器的功能 发动机引气电门的电信号控制BAR来使其操纵PRSOV工作，在不引气的情况下PRSOV由弹簧加载保持在关闭位。 当发动机引气电门接通时，控制电源经火警控制板、引气电门、ACAU内部的发动机启动信号继电器和引气超限继电器到BAR的电磁活门使其打开，BAR将控制压力调节到恒定的24±4psi去控制PRSOV，PRSOV根据预冷器下游的引气压力和引气温度来调节引气量；正常情况下，PRSOV将下游的引气压力调节在42±8psi。(见示图1.3) 450℉传感器内部有充满滑油的螺旋管，当滑油受热膨胀时，推动球型活门打开；当引气温度达到450℉时开始打开，当引气温度在达到490℉之前全部打开，使其PRSOV关小引气量来达到推迟超温引气切断的发生。
当发动机火警手柄提起或引气发生超压（220±10psi）或超温（490℉/254℃）时，BAR的电磁活门关闭使其引气关断。 1.3.3 第5级单向活门、490℉电门的功用 5级单向活门是防止第9级引气进入发动机第5级碰压气机而损失发动机慢车时的引气压力。490℉电门向ACAU内的超限继电器提供引气超温信号，当引气温度＞490℉/254℃时，电门接通使ACAU内的超限继电器吸合，从而断开BAR的打开电源并接通关闭电源，起到超温断开引气的作用。(见上示图1.2) 1.3.4发动机引气预冷系统组成及功用 1.3.4.1预冷系统组成 引气预冷系统由预冷器、预冷器控制活门(Precooler control valve-PCCV)、机翼热防冰(Wing thermal antiicing-WTAI)电磁活门和390℉（199℃）传感器组成并控制发动机引气进入引气总管之前的引气温度。 1.3.4.2预冷系统的功能介绍 预冷器是一个热量交换器，当PRSOV打开时，发动机引气通过预冷器流到引气总管；当引气流过预冷器时，发动机风扇气流通过PCCV到预冷器并将热量带走排入发动机的核心机匣。 PCCV是一个自带调压系统的活门，由弹簧加载保持在打开位的蝶型活门，用来控制发动机风扇到预冷器的气流；PCCV上有人工操控和位置指示器，人工操控装置是用于检验活门是否被弹簧保持在开位。PCCV内部的基准压力调节器将活门控制压力调节到恒定的压力9±3psi。 390℉传感器控制PCCV的运动，传感器内部有充满滑油的感温螺旋管，当温度升高滑油受热膨胀并推动传感器上部的球型活门向上移动而打开活门，引气温度越高，滑油膨胀越多，活门开度就越大，传感器的球型活门在390℉（199℃）时开启，在440℉（227℃）全部打开。390℉传感器与WTAI电磁活门并行工作来控制PCCV。（见示图1.4） WTAI电磁活门是地面使用机翼热防冰时保护机翼过热。当机翼热防冰电门在地面接通时，WTAI电磁活门打开放掉PCCV的控制管路气压，使PCCV全开以冷却机翼热防冰空气来保护机翼过热。
2．引气系统常见故障及分析 2.1常见的故障现象对于BOEING 737-700/800飞机CFM56-7B发动机的引气系统故障比较常见，机队规模越大，系统的故障就越多，大多数引气故障在驾驶舱内都有效应，有的故障现象甚至无法从引气系统的原理上去理解和分析，造成重复性/疑难故障，但总的来说故障表现有三种：
（1）、引气压力低： A、地面慢车①引气压力指示低（小于手册中的最低压力）； B、起飞、趴升、巡航、下降时引气压力指示低； C、地面和飞行各阶段引气压力都偏低。 （2）、引气跳开（BLEED TRIP OFF）： A、引气超压跳开②——“BLEED TRIP OFF”灯亮； B、引气超温跳开——“BLEED TRIP OFF”灯亮； C、引气跳开后不能复位； D、引气跳开后能复位或复位一段时间后再次跳开。 （3）、特殊故障现象： A、引气压力超过55psi并且不可控，最后导致引气跳开； B、引气电门接通后无引气压力，但在推油门后的某一个转速时突然有引气压力并指示正常。 2.2常见的故障分析 对于引气系统的故障分析，首先必须完全了解故障发生的时间段、具体的故障现象和驾驶舱内的指示和效应，如果有AHM（Airplane Health Management）监控系统的可以读取ACMS报文来分析故障原因较为准确，否则会在排除故障过程中走很多弯路或造成排故不彻底而产生重复性故障或造成飞行安全事故。因此，掌握详细的故障现象是非常重要的。 其次，参照有效的FIM（Fault Isolation Manual）、SSM (System Schematic Manual)、WDM (Wiring Diagram Manual)、AMM (Aircraft Maintenance Manual)实施排故，有的维修人员甚至有的机务管理干部一味地要求严格按FIM的每一个步骤进行排故工作，这是一个非常大误区，这样也会对排故进程和分析思路不利，具体的故障现象要根据具体情况并结合系统组成和控制关系去分析。 2.2.1引气压力低的故障分析 当发动机引气压力低时，首先要了解故障发生的时机，比如：地面、起飞、巡航和下降等，如果发生的时间段不同，造成故障的原因以及排故处理方法不同。 2.2.1.1地面慢车或滑行时引气压力低 引起该故障现象的可能原因有以下几种： A、PRSOV失效：活门卡阻或弹簧腔内因弹簧疲劳弹力减弱； B、BAR故障：内部基准调压功能失效，使输出的控制压力小于20psi 注释： ①慢车:是发动机起动后靠自身稳定运转的最小工作转速称为慢车。 ②跳开:是指引气在正常工作状态下突然断开,并伴有无压力指示和警告灯亮的现象. C、450℉传感器失效：内部感温元件不能正确感受引气温度，从而使引气温度小于450℉时打开放气； D、PRSOV控制管路漏气； E、HSR故障：内部基准调压功能失效，使输出的控制压力小于14psi； F、HSV故障：活门卡阻或弹簧腔内因弹簧疲劳弹力减弱。 上述几种原因是造成PRSOV或HSV移动到最小开度位置的主要因素，当活门开度小，引气量自然会小，引气压力就低。因此，在排除此类故障时，需结合理论知识和实际维修经验进行综合分析判断，先易后难地对系统进行目视、测试、校验等检测工作，发现问题逐一排故。 首先使用3/8的扳手人工旋转HSV和PRSOV来检查活门是否有卡阻现象，确保其活门能自由移动；如果活门没有在关闭位或有卡阻，需更换有问题的活门；其次是在操作测试引气系统前，应先检查HSV和PRSOV的控制管路是否有渗漏，如果3、4和5#软管渗漏（见示图1.1）或HSV和PRSOV控制管路（PC）的固定卡子处因磨损漏气，也会造成引气压力低，所以应先检查上述两种可以存在的问题，这样才能保证在后续的检查测试结果有效，否则，当你更换了其它部件后故障可能还会存在。一般来说，慢车时引气压力如果不低于18psi是一个可接受的范围，能保证其空调系统正常工作。 如果引气压力低发生在空中，排故人员必须要了解故障发生时的阶段，比如：起飞、爬升、巡航或下降等阶段，这有利于判断故障发生原因，其主要原因是用来判断高压级控制系统是否存在故障，换句话说是发动机转速是否达到转换引气的转速。（参见示图2.1）
2.2.1.2空中出现引气压力低 当飞机在空中出现引气压力低时，一般为单发引气压力偏低，也就是航空维修界常说的剪刀叉，由于各个飞行阶段不同，故障引发的原因不同，飞机在空中大部分时间是巡航阶段，空中的外界环境温度一般都在-20℃以下，根据热量交换原理，空中的引气制冷效果比地面相同条件下会更好，如果引气压力低出现在起飞、爬升、巡航或下降阶段，大多数是由PCCV故障引气，主要原因是390OF电门探测到温度高并且完全打开气掉PCCV的控制管压力使PCCV全开，但由于PCCV内腔的弹簧力因疲劳减弱导致活门不能完全打开，从而使引气温度升高到450OF时，由450OF电门执行放气来控制PRSOV关小，使其引气温度下降，从而也减小了引气量和引气压力。 2.2.2引气跳开 所为引气跳开就是引气系统自动断开，并且“BLEED TRIP OFF”灯亮。引气有超温或超压两种情况跳开： A、引气压力＞220±10psi； B、引气温度＞490℉（254℃）。 那么什么原因会引起超温或超压呢？当引气量大时，引气压力就大，而引气量的大小是靠PRSOV来控制的；引气超温跳开给引气量大和预冷器控制系统有关，所以我们在判断故障时还需要了解引气跳开是否能复位或复位后是否又再次跳开以及跳开发生的阶段等信息。 2.2.2.1超压跳开 从上述示图1.2电路控制所示，当BAR内部的超压电门感受到发动机引气支管的引气压力＞220±10psi或超压电门本身功能失效时，BAR超压电门发送电信号到ACAU内部的超限继电器，继电器通电吸合使BAR的接通（OPEN）电路断开并使关闭电路接通去指令BAR关断；当BAR关断时，PRSOV由于保持弹簧的作用推动活门移动去关闭引气，同时引气跳开指示灯也会点亮。如果起飞时大推力引起瞬时超压跳开，在爬升或巡航后通过按压复位按键可以进行复位。 2.2.2.2超温跳开 当引气温度＞490℉时，490℉超温电门向ACAU内部的超限继电器发送一个接地电路信号使BAR打开电路断开并接通关断电路；当BAR关断时，PRSOV由于弹簧的作用使PRSOV关闭并断开引气，同时引气跳开指示灯点亮。（见上示图1.2） 那么什么原因导致引气温度过高呢？原因主要有以下几种： A、预冷器控制系统390℉或PCCV故障； B、引气控制系统故障450℉和PRSOV故障； C、预冷器进入外来物或太脏； D、490℉电门内部短路或控制线路短路。 一般情况下，超温跳开可以通过按压复位按钮来验证，如果在空中引气跳开后一段时间能复位，并且再次复位后跳开，基本可以判断为超温跳开。 3、特殊故障案例分析 3.1案例一 3.1.1故障现象描述及处理过程 某公司737-700型飞机更换左侧发动机后试车发现慢车时无引气指示，依据FIM判断为PRSOV故障，更换后试车检查正常，引气压力为28psi。10天后机组报告左发起飞时 DUCT PRESS LEFT引气指示为0，起飞后 Left指示为8psi，Right指示为45psi，在6600m（21700ft）平飞20分钟后恢复正常。后续依据FIM排故更换了HSR、BAR和PRSOV，试车检查引气压力为26psi。在后续几天飞行中故障间断性出现，有时反映慢车时无压力指示或引气压力低，在此期间更换了HSR、HSV、BAR、PRSOV并串换①了引气控制面板，但均没有彻底排除故障，其中检查了控制管路渗漏和第5级单向活门，使用三用表测量了BAR电插头（DP1102）的电压正常，依据AMM对引气系统进行健康测试发现HSV不能在最小控制压力关闭而进行了更换，但故障现象依然存在。 最后在一次地面试车时发现左发在慢车时压力指示时有时无，当推油门到达某一转速时，引气压力突然上升后指示正常，并且可以随发动机转速的增/减平稳指示，压力值正常。为彻底查找故障原因对发动机进行了再次试车，发现故障现象一致，当引气指示正常后断开发动机引气并再次接通后，故障现象出现，再次推油门到某一转速时又恢复正常，随后更换了ACAU，但故障还是没有彻底排除。经重新梳理整个排故过程并对故障现象、系统原理和控制关系进行分析才找到了故障根源，造成该故障重复出现的原因是BAR的DP1102电插头内部线路断路所至，更换导线束后故障彻底排除。 3.1.2故障原因分析 从上述故障案例中，首先我们知道故障的总体现象是引气压力低并且时有时无，其次是在发动机的某一转速突然恢复正常，这种故障现象非常少见。通过上述系统原理、控制关系的掌握就知道有无引气压力主要是靠引气电门、控制电路、BAR、PRSOV和490℉电门来实现控制，如果是超温关断，至少有“BLEED TIRP OFF”灯指示并且说明BAR和PRSOV工作正常，所以上述故障不应属于BAR、PRSOV和490℉电门故障；再者，排故人员使用引气测试设备进行了部件测试也证明了这三个部件没有问题。 注释： ①串换:是指维修过程中为了判定部件是否故障与其它飞机/发动机之间进行部件互换，但互换的部件必须保障在飞机/发动机上能正常工作。 那么我们就要考虑引气控制部分，但从上述排故过程看，已经串换过控制面板并且测试了控制线路均不见效果。还有一个重要现象是为什么在地面慢车时无引气压力，但加油门到某一转速时突然恢复正常，并且再次重新开关引气后故障会再现？从这一现象就可以初步断定是控制线路故障所至，但为什么会在某一转速时会恢复正常？主要原因有以下几点： 1、由于发动机在高转速时共振频率增加，使断路的线路在高频振动下便断开的导线接通，当控制电路接通后，引气自然就恢复了正常。 2、当人工断开引气或停车后再次起动发动机接通引气时，引气故障出现，其主要原因是BAR内部的控制电磁阀是一个双向电磁阀，当打开电路接通后电磁阀会保持在开位，直到有关闭电源去关闭电磁阀，否则，电磁阀门不会关闭，所以当共振使断开的电路接通后，引气压力恢复正常，当人工关闭引气或停车后再次接通引气就出现无引气现象，因为控制线路设计原因，当停车后再次起动发动机时，为保证起动气源不流失，在发动机起动电门放在“GRD”位时会向BAR的引气电磁阀发出关闭指令，电磁阀门吸合被保持在关闭位；当起动好发动机后由于BAR的引气电路断开所以无引气，当发动机达到某一共振频率时断开电路接通使引气正常。 3、由于在排故测量线路时将拆下的DP1102电插头向上向左旋转正好使内部断开线路接通，导致测试电路时没有发现异常问题。（参见示图3.1）
综上分析，从本案例中应吸取几点的经验： （1）、在测量线路时，应使用连接性好的专用测量跳线进行连接或跨接，并且在测量时反复晃动线路或线束来判断导线内部的通断性。 （2）、详细了解故障的现象和发生时段，结合系统原理、线路图和控制关系进行综合分析，有助于理清故障原因。 （3）重复性故障多数是多个原因引起或排故过程中忽略了某个细节，需结合系统原理进行逆向推断并逐一排查。 3.2案例二 3.2.1故障现象描述及处理过程 某公司737-800的发动机引气系统在起飞时左右管道压力不一致(L:40psi,R:61psi),飞机平飞后左右引气压力指示正常,飞机回港后更换了PRSOV，次日飞行中右发引气跳开,复位后压力指示70psi以上并且不可控制，经检查发现PRSOV本体上缺少一个堵塞，PRSOV和HSR的下游感压软管漏气。更换PRSOV和漏气软管后试车检查正常。 3.2.2故障原因分析 （1）从示图3.2可以看出，由于下游感压软管（2）的漏气，使PRSOV在起飞和爬升阶段无法完全感受到引气量的大小，造成PRSOV没有参考压力对比使其开度不断增大，导致引气压力过大； （2）由于更换上的PRSOV缺少堵塞，加剧了下游感压参考压力的泄漏，造成PRSOV不能正常调节。 （3）由于PRSOV感受不到下游的引气压力，就会使PRSOV始终处于最大开位，在引气温度升高的情况下，390℉和450℉传感器完全放气进行调节也无法补偿感压管路的漏气量时，调节功能完全失效导致超温跳开和引气压力不可控故障出现。
4、总结 对于CFM56-7B发动机引气系统故障的分析和排除，目前在航空维修界有很多业内精英总结了不了经验，有理论的和经验的，每位维修者都有不同的思路和方法，最终都是参考现行有效的维修手册来执行，只不过有的排故人员判断故障和处理方法准确、高效，但归根结底都需要扎实的理论基础，善于逻辑推理和逆向思维，科学地运用实践维修经验，综合分析判断才能安全、高效的处理故障。 重复出现的故障往往伴随着一个以上部件故障或排故时没有详细分析系统原理和故障现象的关联性，有时是因为没有注意到排故过程中的细节，造成故障得不到有效排除，很多时候是细节决定成败，一个优秀的航空器维修人员必须有一颗吃苦耐劳、追本穷源的心；一名优秀的运行控制及技术支援工程师没有十二年以上的知识沉淀和丰富的实践经验积累，很难快速、准确的开出“医治配方”。 引气系统的健康测试设备有助于判断引气控制部件的功能正常性，AHM（Airplane Health Management）监控系统可提取ACMS报文数据来分析故障原因，科学地运用引气测试设备和各种译码手段，能提高故障判断的准确度，避免部件重复更换及人力浪费，从而有效的降低维修成本。 参考文献： [1] BOEING COMPANY,USA AIRCRAFT MAINTENANCE MANUAL[P] D633A101 JUNE10,2002.
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发表于 2016-5-17 15:36:20
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