白杰，賀斯鴻，2

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

V2500-A5 發(fā)動機(jī)LPC（low pressure compressor）2.5 級放氣系統(tǒng)故障是航線運(yùn)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(jìn)廠修理，成為近年來發(fā)動機(jī)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(yīng)的預(yù)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(jī)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(jī)引氣故障產(chǎn)生的原因進(jìn)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(jī)主動間隙控制活門故障案例進(jìn)行了分析，并總結(jié)了此類故障對發(fā)動機(jī)性能參數(shù)造成的影響；陳磊[4]針對V2500 發(fā)動機(jī)常見的主齒輪箱碳封嚴(yán)漏油問題，從基本原理和失效分析兩方面進(jìn)行了研究，提出一種預(yù)防性維修方案。綜上，當(dāng)前對民航發(fā)動機(jī)故障的研究主要從故障現(xiàn)象、故障成因和預(yù)防與維護(hù)措施等方面開展，為本文對V2500-A5發(fā)動機(jī)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(jī)2.5 級放氣系統(tǒng)機(jī)械連接失效導(dǎo)致的喘振故障進(jìn)行了研究，并分析了故障成因；陳信衡等[6]從航線維護(hù)角度對V2500-A5 發(fā)動機(jī)LPC 2.5 級放氣系統(tǒng)常見故障進(jìn)行了分析，并提出了航線維護(hù)方案。

因各機(jī)型LPC2.5 級放氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能不盡相同，無法將已有研究結(jié)果直接應(yīng)用于V2500 發(fā)動機(jī)。鑒于此，本文使用文獻(xiàn)研究法和個案研究法，針對V2500-A5 發(fā)動機(jī)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(yù)防方法和發(fā)動機(jī)大修廠的修復(fù)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(jī)首次進(jìn)廠大修時有針對性地對此系統(tǒng)故障加以預(yù)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(jī)低壓壓氣機(jī)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(jī)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(jī)運(yùn)行過程中對通過壓氣機(jī)的空氣流量進(jìn)行控制，從而避免發(fā)動機(jī)運(yùn)行中發(fā)生轉(zhuǎn)速與流量不匹配的現(xiàn)象，進(jìn)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(guān)系如圖1 所示。從圖1 可以看出，活門開度在N1 轉(zhuǎn)速到達(dá)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(dá)82.5%時活門進(jìn)入關(guān)閉位。

圖1 放氣活門開度與N1 轉(zhuǎn)速的關(guān)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(yùn)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(jī)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(jī)隊自2017—2021 年5 年中2.5 級放氣系統(tǒng)故障的相關(guān)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(dá)故障和封嚴(yán)環(huán)漏油。為解決此類故障，國際航空發(fā)動機(jī)公司（IAE，International Aero Engines）發(fā)布了多條服務(wù)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(jī)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(jī)務(wù)工程師應(yīng)在相關(guān)附件接近大修間隔前適時安排更換相應(yīng)的附件，避免影響機(jī)隊運(yùn)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(yùn)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(fù)，必須下發(fā)進(jìn)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(jié)構(gòu)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(jī)風(fēng)扇機(jī)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(dāng)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(jìn)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ВN釘?shù)娜笔且驗殇N釘孔磨損變形使其直徑增大，導(dǎo)致銷釘從銷釘孔中脫出。

通過對2.5 級放氣活門結(jié)構(gòu)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(dǎo)致銷釘孔磨損的主要因素應(yīng)為活門運(yùn)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(jìn)一步導(dǎo)致銷釘孔的嚴(yán)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(dǎo)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(dǎo)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(jī)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(cè)發(fā)動機(jī)LPC 2.5 級作動器故障）[9]。

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

飛機(jī)繼續(xù)運(yùn)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(jī)進(jìn)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(jī)狀態(tài)可靠，機(jī)務(wù)人員按TSM 手冊要求進(jìn)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(jī)維修手冊（AMM，aircraft maintenance manual）要求，此故障發(fā)動機(jī)需立即下發(fā)執(zhí)行進(jìn)廠修理。

3 監(jiān)控與預(yù)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(jī)發(fā)生，無法有效監(jiān)控。因此，對于該類故障，應(yīng)按前文所述加強(qiáng)對附件更換的管理，使附件按發(fā)動機(jī)維修管理手冊建議的修理時限進(jìn)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(jī)的運(yùn)行直至發(fā)生故障。因此，可通過發(fā)動機(jī)運(yùn)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(jī)運(yùn)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(guān)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(yīng)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(dāng)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(jié)構(gòu)的相對位置變化，為了使放氣活門完全關(guān)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(jī)運(yùn)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(yīng)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(dāng)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(jìn)行常規(guī)孔探，機(jī)務(wù)人員不必在日常工作中對此系統(tǒng)進(jìn)行孔探檢查。為了監(jiān)控活門狀態(tài)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注LPC 2.5放氣系統(tǒng)LVDT 信息，當(dāng)LVDT 位置超過100%并有增加趨勢時，應(yīng)提前安排孔探檢查，掌握損傷情況，并按照AMM 要求進(jìn)行監(jiān)控，避免發(fā)生影響飛行安全的事件。

3.2 預(yù)防

如前文所述，對于由外部附件引起的系統(tǒng)故障，航線機(jī)務(wù)人員應(yīng)通過合理安排附件更換及按AMM 要求進(jìn)行附件修理和測試來預(yù)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(yùn)行角度考慮，可通過加強(qiáng)2.5 級放氣活門潤滑工作來減小相關(guān)件的磨損進(jìn)而起到預(yù)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(jī)進(jìn)廠修理時可對此問題進(jìn)行修復(fù)和預(yù)防。針對此問題，IAE 已于2019 年第一季度頒發(fā)了新的服務(wù)通告。

服務(wù)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(jī)大修廠為客戶提供發(fā)動機(jī)大修服務(wù)時，應(yīng)按照客戶要求和IAE 發(fā)布的服務(wù)通告對相關(guān)零件進(jìn)行修理或改裝以保證發(fā)動機(jī)在翼壽命。

4 結(jié)語

LPC 2.5 級放氣系統(tǒng)作為保障發(fā)動機(jī)安全可靠運(yùn)行的重要系統(tǒng)，其安全可靠的運(yùn)行對發(fā)動機(jī)至關(guān)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(yù)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(jié)構(gòu)設(shè)計所致，從航線運(yùn)行角度考慮，需加強(qiáng)對此活門狀態(tài)的監(jiān)控，盡早發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致下發(fā)的損傷并在發(fā)動機(jī)進(jìn)廠修理時按照新頒發(fā)的服務(wù)通告對相關(guān)零件進(jìn)行改裝。