[转]CFM56-3发动机控制系统故障隔离方法

kmks · 发表于 2007-5-22 12:34:13

　 CFM56-3是一种高涵道比涡扇发动机，装备在波音737-300/400/500飞机上。CFM56-3发动机的控制方式既不同于简单的机械液压控制，也不同于现在普遍采用的全权限数字电子控制（FADEC），它采用的是机械液压与电子控制相结合的控制方式，即主发动机控制器（MEC）为主、功率管理控制器（PMC）为辅。
　　同一故障现象，引起的因素可能较多，要找出合理方法进行排故，有一定难度。为了方便航空公司进行排故，波音飞机维护手册中将故障进行分类，按照排故难易程度和出现的概率提出了故障树。在实际工作中，用故障树能够排除约80%的故障，但效率较低，而且有很多故障不能排除。
　　出现这种情况的原因可能有：故障描述不准确，选用程序错误；同时出现多个故障；航材本身质量问题；故障树本身不完善等。
　　CFM56-3发动机故障中，发动机控制系统的故障占有相当大的比例，是引起航班取消或延误的主要原因。
　　发动机控制输入参数出现故障，对性能的影响可以根据发动机的控制结构（如图1所示）来分析，主要包括MEC/PMC本身故障、传感器故障、调节错误以及校装不正确。
　　CFMI和波音公司给出了一些试车程序，对于排故非常有效。通过一两个试车并且将所收集到数据进行分析，有助于决定哪一个系统失效或工作不正常。对故障树中的排故次序就可进行重排或取消某些步骤，这样不仅能够节省时间，还可以减少不必要的零部件更换。试车不能用来代替故障隔离树，但是可以使故障树效率更高。
　　通常，通过慢车转速检查、部分功率检查和最大功率确认检查来评估发动机性能。通常两台发动机都做测试，这样可对两台发动机的N1/N2关系、慢车转速的差异、加速性等作比较，以确定是哪一台发动机出现故障。
　　利用发动机试车，可以隔离的系统包括MEC的N2转速调节系统，可变几何系统可调静子叶片（VSV）/可调放气活门（VBV），PMC系统和飞机发动机控制系统的故障。
　　MEC的N2转速调节系统根据风扇进口压力（PS12），风扇进口温度（T2）和油门杆角度（PLA）控制N2转速。输入信号出错或MEC内部失效都可能引起油门杆错位，启动困难。
　　可变几何系统根据N2转速，压气机出口压力（CDP）和高压压气机进口温度（CIT）输入制定VSV和VBV位置计划。可变几何系统影响N1/N2的转速关系。相关部件不正确的输入就会改变这个速度关系。错误计划会影响加速性、出现油门杆错位、推力不足。
　　PMC根据PS12，T12和PLA输入制定风扇转速计划，PMC系统故障可能引起油门杆错位，起飞时N1/EGT（排气温度）超调或推力不足。
　　CFM56-3发动机在稳定工作状态，N1/N2有一定的气动关系，但影响N1/N2特性关系的参数很多，如性能衰退、控制系统的误差。但是，如果可变几何控制VSV/VBV计划不正确，发动机N1/N2关系将发生明显的漂移，可能引起油门杆错位、达不到起飞功率、N1超调、加速性差、失速等。评估N1/N2关系在发动机高转速更为准确，因此，判别是否是VSV/VBV有问题，可以使用大功率试车。
慢车转速测试
　　慢车转速测试可以决定低转速时发动机的健康状态，隔离MEC转速调节系统的故障。例如，飞机进近时油门杆错位、加速慢、起动慢等问题。对每台发动机进行慢车转速测试，对发动机运转数据表上记录低慢和高慢转速进行比较，以确定其是否超出限制，如果超出，则是转速调节系统故障。影响慢车转速的因素如下。
　　1. PS12
　　PS12同时向MEC和PMC提供风扇进口压力，如果发动机工作正常，通常PS12空气信号管没有故障，也可用目视检查和通气检查其有无故障。
　　2 . T2
　　通过试车11即可检查有无故障。
　　3 . 高慢车和低慢车的调节
　　高慢车和低慢车的调节是独立的，同时调节错误的可能性较小。如果低慢和高慢同方向超出限制，由于慢车调节错误导致故障的可能性较小，由于PS12或T2原因引起故障的可能性较大。如果低慢车和高慢车只有一个超出限制或超出限制方向相反，则最大可能是调节错误。
　　4. MEC内部油路或机构故障
　　部分功率测试
　　部分功率测试PMC关闭时，发动机仅在MEC控制下工作，可以测试发动机工作是否正常；部分功率测试PMC打开时，发动机在PMC控制下工作，可以测试发动机工作是否正常。因此，部分功率测试可以隔离MEC故障和PMC故障，也可以比较两台发动机N1/N2的关系，以确定可变几何系统VSV/VBV是否工作正常。
　　1.PMC关闭，部分功率测试
　　对每台发动机，PMC关闭时，作部分功率测试，记录实际的N2转速和目标转速，比较实际转速是否在目标值限制范围内。如果超出限制，则说明发动机仅在MEC控制下工作不正常，引起不正常的原因有如下。
　　（1）部分功率调节故障。如果部分功率N2转速不在限制范围内，调节功率配平螺钉修正N2转速；如果N2转速仍然不在范围内，则不是部分功率调节故障。
　　（2）T2故障。进行试车11，即可确定是否T2故障。
　　（3）PS12故障。根据相应程序即可进行排故。
　　（4）MEC内部故障。
　　当两台发动机的N2转速都匹配了，检查两台发动机的N1转速。通常情况下，由于N1和N2的气动关系，当N2相同时，两台发动机N1转速的差异小于2%，如果超出这个范围，N1/N2关系发生漂移，可能的原因如下。
　　（1）VSV反馈钢索校装不正确。可以校装VSV。
　　（2）VBV反馈钢索校装不正确。可以校装VBV反馈钢索。
　　（3）CIT温度传感器故障。试车11可以测试是否是该传感器故障。
　　（4）发动机内部叶片损坏。可能是遭受外物或内物损伤，可用孔探进行检查。
　　如果该差异虽然小于但接近2%，可进行最大功率测试，检查N1/N2关系是否发生漂移。
　　2.PMC打开，部分功率测试
　　对每台发动机，PMC打开时，作部分功率测试，记录实际的N1转速和目标转速，比较实际转速是否在目标值限制范围内。如果没有超出限制，则说明发动机在PMC控制下工作正常。如果PMC打开时部分功率测试不正常，其原因有以下几点。
　　（1）PLA增益调节不正确，从而使N1发生变化。可以通过PLA增益调节测试仪或数字式电压表进行测试。
　　（2）PS12故障。根据相应程序即可进行排故。
　　（3）T12故障。通常会激发PMC失效灯亮，如果失效灯不亮，且灯泡和断路器正常，即可排除T12故障。
　　（4）N2控制交流发电机给PMC供电，当电接头松动或该发电机失效时，可能使PMC失效灯亮，也可能不会激发。
　　（5）PMC本身故障会激发PMC失效灯亮，也可以通过PMC测试仪来进行测试。
隔离MEC和PMC故障更快速的方法是飞行员在N1>46%时作一次PMC打开和关闭操作，若PMC失效灯不亮，PMC打开时N1转速通常会向上或向下配平。若PMC打开时N1改变，PMC出现故障的可能性较小；若N1不改变，则PMC出现故障的可能性很大。这种方法虽不能完全隔离MEC和PMC故障，但绝大多数时候比较适用，还可以节省时间和试车所需的大量燃油。
　　最大功率确认检查
　　发动机如果出现超温或N2超转的故障以及需要隔离N1/N2关系是否发生漂移时，可以利用本测试进行隔离。
　　对两台发动机，PMC打开，作最大功率测试。经过修正后，检查N2和EGT是否有裕度。如果有裕度，说明发动机本身性能还没有衰退到需要送修的情形。如果没有裕度，可以参考趋势监控的数据是否由发动机性能衰退所致。对趋势监控的数据进行性能衰退分析比最大功率测试更准确。
　　发动机高转速时，测试N1/N2关系更为准确。当两台发动机N1相同时，N2的差异通常不应该超过±1%；当两台发动机N2相同时，N1的差异通常不应该超过±2%。如果超出该限制，N1/N2关系发生漂移，可能的原因如下。
　　（1）VBV反馈钢索校装不正确、燃油齿轮马达油管滤网堵塞、制动机构和活门卡阻、柔性轴打滑都可能引起VBV系统工作不正常。当EGT和N2严重偏高时，VBV系统故障可能性较大。因为VBV活门一个失效，可能引起EGT上升12℃左右。
　　（2）VSV反馈钢索校装不正确。
　　（3）高压压气进口温度（CIT）温度传感器故障。CIT出现冷漂移或热漂移时，引起VSV计划和VBV计划改变，同样影响N1/N2关系。
　　（4）外物或内物损伤。通过孔探检查增压器、高压压气机、燃烧室和高压涡轮叶片是否有缺陷。
　　控制系统故障隔离的一般步骤
　　对于一个发动机控制系统的故障，首先用试车确认该故障报告是否准确。如果是飞行员给的故障报告，应该与飞行人员进行沟通，确认故障的情况。如果有故障，飞行人员可以进行PMC ON/OFF（打开/关闭）测试、慢车测试、测试大功率时的转速。
　　确认故障后，搜集尽可能多的数据，如以前故障记录、发动机状态监控数据、飞行记录等。特别是发动机状态监控数据，它是发动机实际状态的记录。利用这些数据，可减少或取消试车，节省时间，也节约燃油。
　　通过上述分析，隔离发动机控制系统故障的一般步骤如下。
　　（1）隔离是MEC故障还是PMC系统故障。
　　● 飞行或测试过程中PMC失效灯状态。如果该灯亮，则PMC不工作。
　　● 如果该灯不亮，说明PMC没有失效。在N1>46%时，飞行员或试车员做打开、关闭PMC操作，观察转速是否发生变化。如果不发生变化，可以首先考虑PMC失效。
　　● 部分功率测试PMC关闭时，如果N2在手册规定的限制范围内，则MEC工作正常（不包括慢车调节）；如果超出范围，则MEC工作不正常，可能是T2、PS12、部分功率调节、PLA或MEC故障。
　　● 部分功率测试PMC打开时，如果N1在手册规定的限制范围内，则PMC工作正常（不包括慢车调节）；如果PMC关闭时N2正常、而PMC打开时N1超出范围，则PMC工作不正常，可能是PLA增益、PS12、T12、N2控制交流发电机或PMC故障。
　　● 如果怀疑与慢车稳定转速有关的故障，应进行慢车转速测试。
　　（2）隔离是否是空气系统故障。分析高转速状态下N1/N2的比例关系，确定发动机高低压转子气动关系是否发生改变。如果改变，则考虑空气系统故障。考虑反馈钢索校装是否正确、CIT传感器是否有故障。
　　（3）与发动机过渡态相关的故障，考虑燃油限制系统和空气系统的输入、调节是否正确。
　　（4）通过试车或已有数据对故障进行隔离，结合可能的传感器失效、不正确的调节和校装，进一步确认故障所在。
　　（5）如果对控制规律不熟悉，可以根据分析数据，结合故障树，去掉不必要的步骤，能加速排故。结束语
　　利用试车对故障进行隔离，能够解决大多数故障树不能解决的发动机控制系统故障，能够减少航材的误换，节约误拆零部件的时间，可大大提高维护效率，节约维护费用，提高发动机的签派可靠性，对航空公司提高航班正点率，降低运营成本，提高经济效益具有较大意义。