CFM56-5B發(fā)動機推力管理及一起故障分析

譚 燕

(中國民航飛行學(xué)院，四川 廣漢618307)

1 引言

CFM56-5B發(fā)動機是由CFM國際公司于上世紀(jì)90年代研制生產(chǎn)的一種發(fā)動機，其推力范圍為97 455～142 400 N，是目前航空市場上唯一可用于空客A320全系列(包括A318/A319/A320/A321)的發(fā)動機[1]。在其投入使用以來的近20年時間里，它以較高的可靠性、較長的在翼時間和較低的維護成本贏得了廣泛的市場。截至2009年12月，全球共有3 730臺CFM56-5B發(fā)動機在翼，累計飛行小時達(dá)5 628萬，用戶達(dá)127家[2]。

CFM56-5B發(fā)動機采用了先進的FADEC控制方式，其控制核心是ECU。ECU與飛機、發(fā)動機交換信號，直接或間接通過HMU控制發(fā)動機上的各種作動機構(gòu)、活門，從而實現(xiàn)對發(fā)動機點火/起動/關(guān)車、燃油流量、壓氣機流量、渦輪間隙以及反推等的控制。為實現(xiàn)對發(fā)動機的可靠控制，ECU由兩臺電子計算機構(gòu)成，分別稱為通道A和通道B，任何一個通道均能實現(xiàn)對整個FADEC系統(tǒng)的控制和監(jiān)控，從而保證了發(fā)動機的多冗度控制。此外，由于采用了數(shù)字控制，實現(xiàn)了發(fā)動機控制精度、可靠性、靈敏度以及維護性的極大提高。

2 CFM56-5B發(fā)動機推力管理原理

CFM56系列發(fā)動機在進行推力管理時選擇N1為其控制參數(shù)，因此CFM56-5B發(fā)動機推力管理即是由ECU根據(jù)飛機推力要求計算出一個N1CMD，ECU將使用此N1CMD來控制HMU內(nèi)部FMV的開度，實現(xiàn)對燃油流量的控制，從而實現(xiàn)對發(fā)動機推力的控制。

根據(jù)飛機向ECU輸入推力要求的方式不同，CFM56-5B推力管理有兩種模式：①自動模式，指飛機的FMGC向ECU輸入一個N1TRAGET；②人工模式，指ECU直接依據(jù)座艙中的TLA來計算N1CMD。座艙中的TLA將通過油門桿解析器轉(zhuǎn)換為電信號(稱為TRA)直接輸入給ECU。ECU根據(jù)識別插頭(ID PLUG)提供的發(fā)動機額定推力信息，按照對應(yīng)推力的控制邏輯計算出N1REF。TRA與N1REF的對應(yīng)曲線如圖1所示。

圖1 TRA與N1REF對應(yīng)曲線Fig.1 Correspondence curve of TRA and N1REF

在一定的飛行高度和飛行馬赫數(shù)下，由于發(fā)動機所產(chǎn)生的推力與N1REF成正比[3]，因此，為使推力控制更加精確，ECU還需要引入大氣壓力和飛行馬赫數(shù)對N1REF進行修正。除此之外，A320系列飛機的客艙增壓、短艙和大翼防冰引氣均來自CFM56-5B發(fā)動機的壓氣機，該引氣會造成發(fā)動機推力下降，因此ECU還需要考慮引氣情況對N1REF進行修正。在得到精確反映推力的N1REF后，ECU再根據(jù)T12計算出人工模式下的N1ACT。

ECU將N1ACT用于燃油控制之前還需要做兩個修正：①消聲組件的修正。部分CFM56-5B發(fā)動機為減小噪聲安裝了消聲組件，使得在相同N1下有消聲組件的發(fā)動機產(chǎn)生的推力比沒有安裝消聲組件的發(fā)動機產(chǎn)生的推力要少，因此需根據(jù)安裝消聲組件的具體情況對N1CMD進行修正。②N1配平級的修正。由于發(fā)動機在生產(chǎn)與裝配過程中有公差，所以每臺發(fā)動機的推進效率都不一樣。為使推力的控制更加精確，每臺發(fā)動機在出廠時都要根據(jù)其車臺測試數(shù)據(jù)設(shè)置一相應(yīng)的N1配平級。此N1配平級共有8級(從0級到7級)，級數(shù)越高代表該發(fā)動機的推進效率越高(即相同N1下所產(chǎn)生的推力越大)。為保證飛機良好的操作性，通過N1配平級的設(shè)置，使得不同效率的發(fā)動機在相同N1指示轉(zhuǎn)速下的推力接近。經(jīng)過以上兩個修正，將最終得到用于燃油控制的N1CMD，從而實現(xiàn)對推力的精確控制。

3 CFM56-5B發(fā)動機慢車轉(zhuǎn)速控制

由于FADEC控制方式的采用，不同發(fā)動機工況下的精確控制成為了現(xiàn)實。但是當(dāng)發(fā)動機工作在慢車時，由于保證發(fā)動機穩(wěn)定工作比精確控制發(fā)動機推力更為重要，因而此時ECU實際用于燃油控制的是N2CMD。其邏輯圖如圖2所示。

N2IDLE應(yīng)滿足以下發(fā)動機工作要求：

(1)最小PS3的要求。當(dāng)發(fā)動機工作在慢車時，高壓壓氣機引氣口的壓力可能會小于發(fā)動機客艙引氣以及防冰引氣的要求，因此ECU還要根據(jù)各種引氣的要求來增加最小PS3的要求以滿足引氣的需要。

圖2 ECU控制N2慢車轉(zhuǎn)速邏輯圖Fig.2 N2 idle speed logic diagram controlled by ECU

(2)最小N2的要求。首先，ECU根據(jù)發(fā)動機穩(wěn)定工作的要求、發(fā)動機附件(如液壓泵等)正常工作的要求、滑油溫度控制的要求以及在惡劣天氣下燃燒室火焰穩(wěn)定燃燒的要求，制定一個N2FLOOR。并在此基礎(chǔ)上，根據(jù)飛機處在進近慢車或反推慢車階段，對N2FLOOR進行修正產(chǎn)生N2MINI。

(3)最小N1的要求。此N1即為在推力管理中計算出的油門桿在慢車位時的N1CMD。

最終，用于燃油控制的N2IDLE為滿足以上三個工作要求的最大轉(zhuǎn)速。

4 一起發(fā)動機推力管理的故障分析

2008年和2009年，裝備CFM56-5B發(fā)動機的A320系列飛機連續(xù)出現(xiàn)了幾次在飛機下降時1發(fā)和2發(fā)兩臺發(fā)動機N1不一致的故障。表1為國內(nèi)某A320飛機經(jīng)歷N1不一致時的QAR數(shù)據(jù)。

從表中可知，在飛行高度為7 362～7 372 m時，1發(fā)和2發(fā)的N1差值達(dá)10%。在排故過程中，先后更換了 SFCC、FRV、FMGC、IDG、TEO，而最終是在更換了飛機外側(cè)油箱的溫度和油量傳感器(29QJ1/30QJ1，28QJ1/38QJ1)后才成功排故。究其原因，此故障與CF56-5B發(fā)動機獨有的發(fā)動機滑油溫度控制以及N2IDLE的控制有關(guān)。

圖3為CFM56-5B發(fā)動機的燃油流路[2]。從圖中可見，CFM56-5B發(fā)動機的IDG滑油僅由HMU的旁通燃油冷卻，冷卻了IDG滑油后的熱燃油流出IDG滑油冷卻器后再流入主滑油/燃油熱交換器，與發(fā)動機燃油泵低壓級出口的冷燃油混合，然后再對發(fā)動機的滑油進行冷卻。如果IDG滑油溫度較高，相應(yīng)地IDG滑油冷卻器出口的旁通燃油溫度也會上升。當(dāng)它進入主滑油/燃油熱交換器后，又會造成發(fā)動機滑油不能有效地被冷卻，進而溫度上升。因此，CFM56-5B發(fā)動機安裝有FRV，當(dāng)ECU通過TEO得知發(fā)動機滑油溫度較高時，它將輸出控制電信號將FRV打開，引出部分IDG滑油冷卻器出口的熱燃油與部分燃油泵低壓級出口的冷燃油相混合，然后經(jīng)打開的FRV后送回飛機油箱。這樣將使得進入主滑油/燃油熱交換器的熱燃油量變少，提高了主滑油/燃油熱交換器的換熱效率，從而能更有效地降低發(fā)動機的滑油溫度。但在以下情況下，無論發(fā)動機滑油溫度如何高，ECU均會控制FRV關(guān)閉，即不能通過將發(fā)動機燃油送回給飛機油箱的方式來降低發(fā)動機的滑油溫度：①發(fā)動機起動過程，N2＜50%時；②燃油流量＞2 504 kg/h時；③發(fā)動機關(guān)車時；④飛機管理系統(tǒng)禁止回油時(飛機燃油溫度高和飛機油箱已滿)；⑤空/地狀態(tài)無效時。

表1 QAR數(shù)據(jù)Table 1 QAR data

如果發(fā)動機在空中，ECU已經(jīng)控制FRV打開，但發(fā)動機的滑油溫度還在上升，當(dāng)滑油溫度達(dá)到105℃時，ECU將通過修正慢車轉(zhuǎn)速的方式來降低滑油溫度。根據(jù)圖2的慢車轉(zhuǎn)速控制邏輯，ECU制定N2FLOOR時，需要考慮滑油溫度控制的要求對N2FLOOR進行修正，具體修正邏輯如圖4所示。

隨著發(fā)動機滑油溫度的增加，ECU將隨之控制N2K25升高，直到發(fā)動機滑油溫度達(dá)到130℃。通過提高慢車轉(zhuǎn)速，由N2轉(zhuǎn)子驅(qū)動的燃油泵將產(chǎn)生更多的旁通燃油，同時IDG的變速齒輪負(fù)載減小將導(dǎo)致IDG滑油溫度下降，致使IDG滑油冷卻器出口燃油溫度下降，進而提高了主滑油/燃油熱交換器的換熱效率，最終降低了發(fā)動機的滑油溫度。因此，在正常情況下，ECU首先是通過控制FRV來降低發(fā)動機滑油溫度，然后才會通過增加慢車轉(zhuǎn)速的方式來降低發(fā)動機滑油溫度。

由此可知，N1不一致故障的原因在于：當(dāng)飛機處在下降階段時，由于IDG的負(fù)載較大，IDG滑油溫度較高，進而造成發(fā)動機滑油溫度上升。正如表1數(shù)據(jù)所示，1發(fā)的滑油溫度達(dá)122～123℃，已遠(yuǎn)大于2發(fā)正常的滑油溫度。而此時飛機外側(cè)油箱的溫度和油量傳感器失效，飛機的FLSCU誤認(rèn)為飛機燃油溫度高或飛機油箱已滿，并將此信號傳遞給ECU，ECU據(jù)此信號關(guān)閉FRV。因此不能通過控制FRV來降低發(fā)動機的滑油溫度，而直接采用了增加慢車轉(zhuǎn)速的方式來降低發(fā)動機滑油溫度，從而造成1發(fā)的慢車轉(zhuǎn)速超過2發(fā)的慢車轉(zhuǎn)速，最大達(dá)10%。

5 結(jié)束語

CFM56-5B發(fā)動機作為一種成熟、已在中國市場上得到廣泛應(yīng)用的發(fā)動機，了解并研究其推力管理原理及分析使用中出現(xiàn)的故障將有助于航空公司對該型發(fā)動機的合理及高效使用，提高發(fā)動機維護和排故的定位能力，減少部件誤換，從而降低維護成本及提高飛機的利用率。

[1]Customer Training Center.CFM56-5B Training Manual:Advanced Engine System[M].France：Snecma，2008.

[2]CFMI.Fleet Highlites[G].2009.

[3]賀爾銘.民用航空發(fā)動機控制原理及典型系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002.