CFM56—5B發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)典型故障分析

王天義

摘要： 當(dāng)今航空業(yè)和民用飛機(jī)中使用的高新技術(shù)越來(lái)越多。為了提高客機(jī)的遠(yuǎn)距離飛行和載客量，航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品不斷升級(jí)換代，原理和結(jié)構(gòu)也變的更加復(fù)雜，這些都為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)和故障的排除帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。本文主要以民航燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)為例，對(duì)民用航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理、基本結(jié)構(gòu)以及相互之間的氣壓流動(dòng)和平衡進(jìn)行了討論。接著筆者通過調(diào)研文獻(xiàn)和查閱書籍，對(duì)基于CFM56-5B系列發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)發(fā)生滲漏典型故障時(shí)的特征進(jìn)行了了解，如發(fā)生燃油滲漏的主要原因包括由于氣溫的變化、部件的磨損和航線機(jī)務(wù)維護(hù)不當(dāng)?shù)仍?。分析了如何快速?zhǔn)確診斷出發(fā)生故障的零件。最后討論了發(fā)生某種故障時(shí)的應(yīng)急措施和針對(duì)該系列發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)的預(yù)防措施。

Abstract： Nowadays， increasingly new technologies are used in aviation and civil aircraft. In order to improve the long distance flight and passenger capacity of aircraft， the performance of aircraft engines has been continuously improved， the engine products have been constantly upgraded， and principles and structures have become more complex， which have brought more challenges for the aero engine maintenance and removal of faults. In this paper， based on the civil aviation gas turbine engine， the working principle and basic structure as well as the pressure flow and balance between each other are discussed. Then through researching literatures and looking for books， the author conducted an understanding on the characteristics of the typical faults of leakage of CFM56-5B series engine aircraft， such as the main causes of fuel leakage including temperature changes， component wear and improper route maintenance， and analyzed how to quickly and accurately diagnose the fault parts. At last， it discussed the emergency measures and the preventive measures against the fuel system faults.

關(guān)鍵詞： 燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)；燃油系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)；預(yù)防措施

Key words： gas turbine engine；basic structure of fuel system；preventive measures

中圖分類號(hào)：V235.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）13-0097-03

0 引言

自2000年以來(lái)我國(guó)主要省會(huì)城市、部分地級(jí)市和大型旅游景點(diǎn)所在地都成功建設(shè)了自己的機(jī)場(chǎng)。乘坐航班出行已經(jīng)成為尋常百姓的主要選擇交通工具，但近年來(lái)因?yàn)轱w機(jī)故障而導(dǎo)致的航班延誤和取消的事例常有發(fā)生。例如發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)工作狀態(tài)不正常，會(huì)直接導(dǎo)致航空公司航班的延誤或取消，最終會(huì)影響到航空公司的聲譽(yù)和盈利。飛機(jī)燃油系統(tǒng)的供應(yīng)是最為重要的，因此研究發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)常見故障現(xiàn)象和對(duì)應(yīng)的應(yīng)急措施具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論價(jià)值。

飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)在執(zhí)行某個(gè)航班任務(wù)時(shí)，燃油系統(tǒng)較常見的問題之一，便是燃油滲漏故障，尤其是在冬季低溫地區(qū)運(yùn)營(yíng)時(shí)，這種現(xiàn)象出現(xiàn)的機(jī)率會(huì)增加，對(duì)保障航班的正常完成任務(wù)是至關(guān)重要的。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)是指利用啟動(dòng)機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)加速到能夠保持轉(zhuǎn)速的慢車工作狀態(tài)這一過程。它主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)的地面啟動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)的冷轉(zhuǎn)（干、濕兩種冷轉(zhuǎn)）和發(fā)動(dòng)機(jī)在空中調(diào)整飛行高度時(shí)的重啟動(dòng)。由于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中機(jī)身受壓會(huì)發(fā)生劇烈變化，因此也是發(fā)動(dòng)機(jī)等重要系統(tǒng)事故多發(fā)期。

1 燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)

發(fā)動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理（圖1）。

燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的部件包括進(jìn)氣道、風(fēng)扇、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪、噴管以及附件傳動(dòng)部分，其中壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪組成核心發(fā)動(dòng)機(jī)。航空燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)大體分為四種類型，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪風(fēng)扇發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)。這些發(fā)動(dòng)機(jī)的共同點(diǎn)是都有核心機(jī)部分，故統(tǒng)稱為燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。

發(fā)動(dòng)機(jī)工作的原理是，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)以空氣作為工質(zhì)，進(jìn)氣道將所需的外界空氣以最小的流動(dòng)損失送到壓氣機(jī)；壓氣機(jī)通過高速旋轉(zhuǎn)的葉片對(duì)空氣壓縮作功，提高空氣的壓力；空氣在燃燒室內(nèi)和燃油混合燃燒，將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)變成熱能，生成高溫高壓的燃?xì)?；燃?xì)庠跍u輪內(nèi)膨脹，將燃?xì)鉄崮苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)壓氣機(jī)；燃?xì)庠趪姽軆?nèi)繼續(xù)膨脹，加速燃?xì)?，燃?xì)庖暂^高速度排出，根據(jù)牛頓第三定律，產(chǎn)生推力。

2 CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)燃油滲漏典型故障

2.1 CFM56-5發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)介紹（圖2）

發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)提供燃油流量（FF）進(jìn)入燃燒室、伺服燃油控制壓縮機(jī)的空氣流量，發(fā)動(dòng)機(jī)間隙制系統(tǒng)，給發(fā)動(dòng)機(jī)滑油和整體驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)（IDG）滑油冷卻，如圖2所示。來(lái)自飛機(jī)油箱的燃油通過低壓活門，然后經(jīng)過燃油滑油熱交換器（FOHE），冷卻滑油同時(shí)自身溫度得到升高。隨后燃油被燃油泵增壓，此時(shí)燃油被分成兩個(gè)油路：一部分燃油在從高壓燃油泵出來(lái)后到燃油計(jì)量活門，經(jīng)過高壓燃油關(guān)斷活門、燃油流量傳感器最終到達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴咀；另一部分燃油在燃油泵出來(lái)后經(jīng)過伺服燃油加熱器，到達(dá)HMU的伺服活門，在HUM中，伺服活門是由發(fā)動(dòng)機(jī)的ECU的力矩馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的，進(jìn)而控制發(fā)動(dòng)機(jī)幾何外形?？刂频膶?duì)象有：

①瞬時(shí)放氣活門（TBV）；

②低壓渦輪間隙控制（LPTACC）；

③可調(diào)靜子葉片（VSV）；

④高壓渦輪間隙控制（HPTACC）；

⑤可調(diào)放氣活門（VBV）；

⑥燃油計(jì)量活門（FMV）。

伺服燃油和旁通活門的回油經(jīng)過IDG滑油冷卻器可以給IDG滑油進(jìn)行冷卻，最后流經(jīng)燃油回油活門（FRV），F(xiàn)RV接受來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)車信號(hào)后，由ECU控制FRV關(guān)斷。

2.2 燃油滲漏的主要情況

燃油滲漏對(duì)于飛機(jī)或輪船艦艇等非陸地行使交通工具的危害是致命的。根據(jù)CFM國(guó)際公司的統(tǒng)計(jì)資料顯示，2008年以后，CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)滲漏成為最為多發(fā)的故障，其中活門伺服燃油漏油，又是高壓渦輪控制系統(tǒng)中易發(fā)生滲漏的部件之一，約占世界客運(yùn)飛機(jī)每年非計(jì)劃拆更換活門總量的30%，且發(fā)生滲漏的活門的在翼服役時(shí)間從8000到15000飛行小時(shí)不等，近年來(lái)有縮短的趨勢(shì)。海航集團(tuán)旗下的首都航空和西部航空共有空客A320系列飛機(jī)四十余架，根據(jù)?？诨乜偛考夹g(shù)組的統(tǒng)計(jì)，CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生燃油滲漏的主要有以下幾個(gè)部件：

①HPTCC主要是由于HPTCC活門呈橘皮表面狀的活塞導(dǎo)致特氟龍封嚴(yán)磨損嚴(yán)重，從而引起燃油滲漏。

②VSV作動(dòng)器，它主要是由于活塞桿端封嚴(yán)、活塞筒腔和活塞頭端封嚴(yán)處出現(xiàn)劃痕也會(huì)導(dǎo)致漏油的發(fā)生。

③VBV齒輪馬達(dá)由于天氣冷封嚴(yán)收縮導(dǎo)致漏油。

④HMU如果裝配不當(dāng)，零部件表面不干凈未按照AMM手冊(cè)中規(guī)定的順序磅力矩，或者未按要求磅正確的力矩，此外還有襯套的破損等，都會(huì)導(dǎo)致燃油的滲漏。

2.3 燃油滲漏應(yīng)急處理方法

燃油滲漏可能發(fā)生在機(jī)場(chǎng)陸地上和航線經(jīng)過的任意地點(diǎn)。針對(duì)不同的故障發(fā)生場(chǎng)合所要采取的應(yīng)急處理方法也有所不同。此外CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)余油排放系統(tǒng)復(fù)雜，處理燃油滲漏還需要拆除余油排放管路進(jìn)行漏油源的確認(rèn)判斷。更換高壓渦輪間隙控制活門至少需要4個(gè)小時(shí)以上的時(shí)間。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油滲漏故障發(fā)生時(shí)極易導(dǎo)致航班的延誤或取消，給航空公司的運(yùn)營(yíng)帶來(lái)很大的壓力。

為此可參考以下方法應(yīng)急處理滲漏排放桅桿口處（如圖3）的燃油滲漏：

2.3.1 靜態(tài)滲漏（發(fā)動(dòng)機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)）

①如果燃油滲漏率小于60滴/分鐘，不需要采取維修措施。

②如果燃油滲漏率大于60滴/分鐘，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，慢車運(yùn)轉(zhuǎn)5分鐘后參照步驟（二）中的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢查。（備注：當(dāng)外界溫度低于零下20攝氏度時(shí)，在沒有運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)或者起動(dòng)過程中可能在滲漏排放口處發(fā)生燃油滲漏，燃油總管的余油除外）

2.3.2 暖車5分鐘之后，運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的滲漏（動(dòng)態(tài)滲漏）

①如果燃油滲漏率小于60滴/分鐘，不需要采取維修措施。

②如果燃油滲漏率大于60滴/分鐘，而小于90滴/分鐘，必須在25個(gè)循環(huán)內(nèi)采取維修措施。

③如果燃油滲漏率大于90滴/分鐘，參照AMM TASK 71-00-00-790-005進(jìn)行滲漏檢查。

2.4 民用航空飛機(jī)燃油滲漏實(shí)例

近年來(lái)在世界各地的主要航空公司，不管是波音還是空客公司的飛機(jī)執(zhí)行冬季航班時(shí)都報(bào)告了多起燃油泄漏故障。2013年的冬季，海航集團(tuán)旗下首都航空的一架飛機(jī)B-6199發(fā)動(dòng)機(jī)類型為CFM56-5B，在執(zhí)行飛行任務(wù)前機(jī)務(wù)人員發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)底部排油桅桿漏油。這時(shí)候機(jī)務(wù)人員在確認(rèn)滲漏的油液是燃油并確定燃油的滲漏情況后，立刻將發(fā)動(dòng)機(jī)的漏油情況通報(bào)了基地維修控制中心，筆者通過查找飛機(jī)的維護(hù)手冊(cè)TASK-71-00-00-790-002-B找到漏油標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)飛機(jī)靜態(tài)燃油滲漏是26滴/分鐘，未超標(biāo)（標(biāo)準(zhǔn)如圖4），所以為保障航班正常運(yùn)行，正常放行飛機(jī)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，一般漏油的部件為VSV作動(dòng)器和VBV齒輪馬達(dá)兩個(gè)部件居多，主要是由于北方冬季寒冷的天氣原因?qū)е虏考鈬?yán)密封效果差，最終出現(xiàn)漏油的現(xiàn)象。在航線維護(hù)工作中這是很常見的一種現(xiàn)象，航空公司只有在飛機(jī)執(zhí)行完航班后才能進(jìn)行故障的排查，具體的根據(jù)維護(hù)手冊(cè)AMM71-00-00-790-005-A識(shí)別出具體哪個(gè)部件漏油。手冊(cè)中只說了將專用的塑料瓶安裝在可能滲漏的滲漏源，根據(jù)多次的排故經(jīng)驗(yàn)，我們可以打開發(fā)動(dòng)機(jī)反推包皮，順著發(fā)動(dòng)機(jī)底部的排油桅桿斷開其上游VBV（如圖5）、VSV、TBV、LPTACC和HPTACC部件余油口堵頭。

隨后在斷開處安裝塑料瓶，并固定牢靠，然后關(guān)閉反推包皮，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)慢車5分鐘，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，待發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻一段時(shí)間后，打開反推包皮，觀察看哪個(gè)部件余油口處塑料瓶有燃油，證明是該部件故障導(dǎo)致。B-6199飛機(jī)就是根據(jù)這種方法排查出VBV作動(dòng)器故障原因?qū)е?，根?jù)飛機(jī)維護(hù)手冊(cè)更換新的VSV作動(dòng)器，試車后測(cè)試正常，無(wú)燃油滲漏。

2.5 預(yù)防措施

及時(shí)進(jìn)行相關(guān)檢查并做出相應(yīng)的預(yù)防措施，對(duì)于減少故障發(fā)生是非常有利的。根據(jù)海南航空公司飛機(jī)機(jī)隊(duì)的在翼使用情況調(diào)查，在冬季外界環(huán)境溫度比較低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)上的封嚴(yán)和封圈在外界溫度變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生失效和加速老化，燃油滲漏發(fā)生的概率較高。在航班起飛前，可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的余油口和油門閥等進(jìn)行相關(guān)危險(xiǎn)因素排查檢修。在冬季或低溫地區(qū)，飛機(jī)起飛前可以在室內(nèi)常溫下進(jìn)行一定時(shí)間的暖車，如發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)5分鐘后再駛向室外，可以顯著減少飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)燃油滲漏情況的發(fā)生。還可以檢修活門，及時(shí)對(duì)活門的封嚴(yán)等進(jìn)行升級(jí)和加固，對(duì)封嚴(yán)進(jìn)行定時(shí)更換等。

對(duì)于高壓渦輪間隙控制活門的伺服燃油漏油問題，可以采取定期翻修的解決措施，后期結(jié)合相應(yīng)的服務(wù)通告進(jìn)行改裝和電子控制組件邏輯的系統(tǒng)升級(jí)。這種主動(dòng)維修的理念為提高發(fā)動(dòng)機(jī)安全使用性能和維護(hù)航班安全提供了廣闊的思路和空間。

3 總結(jié)

本文簡(jiǎn)要介紹了該系列發(fā)動(dòng)機(jī)的主要構(gòu)件及其工作原理，此外還討論了燃油系統(tǒng)典型故障的特征分析，針對(duì)以上對(duì)CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)的故障分析，我們提供了處理這些故障的應(yīng)急措施。發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行對(duì)于保障航班安全及排除故障能力具有重大的意義。在對(duì)飛機(jī)和系統(tǒng)原理特性充分掌握的基礎(chǔ)上，結(jié)合手冊(cè)靈活運(yùn)用，才可以快速準(zhǔn)確地診斷故障的源頭所在，并采取相應(yīng)的措施。在檢查故障問題的工作中要抓住主要部分，由易而難循序漸進(jìn)地進(jìn)行尤其對(duì)一些關(guān)鍵部位和核心零件磨損的檢查。論文研究結(jié)果對(duì)機(jī)組人員快速準(zhǔn)確查找故障原因，做出相應(yīng)的維修措施具有重要的指導(dǎo)意義。

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