CFM56發(fā)動機(jī)控制原理及常見故障分析

宗宏鈞 肖敏

[摘 要] 航空發(fā)動機(jī)一直是民航飛機(jī)的核心產(chǎn)業(yè)和技術(shù)。目前，世界上主要由六家發(fā)動機(jī)制造商，他們是美國CFM國際發(fā)動機(jī)公司、美國通用電氣公司、英國羅爾斯·羅伊斯公司、美國普拉特·惠特尼公司（Pratt & Whitney）、美國國際航空發(fā)動機(jī)公司、美國發(fā)動機(jī)聯(lián)盟（GE-P&W Engine Alliance）。目前，國產(chǎn)大飛機(jī)C919選裝了美國通用電氣公司的Leap發(fā)動機(jī)，而國產(chǎn)支線飛機(jī)ARJ21選裝了國際發(fā)動機(jī)公司的CFM34。為了國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)有限的資料及實(shí)際維護(hù)經(jīng)驗(yàn)對CFM公司的經(jīng)典機(jī)型（CFM56-3）的原理和常見故障進(jìn)行了分析和推導(dǎo)。

[關(guān)鍵詞] 發(fā)動機(jī);可變靜子葉片;可變放氣活門;壓氣機(jī);渦輪

[作者簡介] 宗宏鈞（1975—），男，高級工程師，工學(xué)碩士，AMECO貴陽分公司技術(shù)支援部經(jīng)理，研究方向：飛機(jī)機(jī)電工程（通訊作者）;肖敏（1979—），女（布依族），工學(xué)碩士，北京飛機(jī)維修工程有限公司貴陽分公司工程師，研究方向：計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）19-0323-03? ? [收稿日期] 2019-10-17

CFN56-3發(fā)動機(jī)由4大部分組成：FAN MAJOR MODUL，CORE ENGING MAJOR MODUL，LPT MAJOR MODUL，ACCESSORY GEARBOX，如圖1。

主要低壓部件包括1級風(fēng)扇，1級風(fēng)扇出口導(dǎo)向葉片，3級低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子，4級低壓壓氣機(jī)靜子，由4級低壓渦輪驅(qū)動。高壓部件包括9級高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子，1級可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)向葉片，3級可調(diào)靜子葉片，5級靜子葉片，由一級高壓渦輪驅(qū)動，如圖2所示。

CFM56-3發(fā)動機(jī)控制核心包括液壓機(jī)械部件MEC（主發(fā)動機(jī)控制器）和電氣部件PMC（推力管理計算機(jī)）。其中PMC對N1轉(zhuǎn)速進(jìn)行微調(diào)，由于該發(fā)動機(jī)是由N1產(chǎn)生78%的推力，所以N1轉(zhuǎn)速是衡量和指示推力的標(biāo)準(zhǔn)，控制N1也是發(fā)動機(jī)控制的最終目標(biāo)。MEC是控制發(fā)動機(jī)的N2轉(zhuǎn)速，即根據(jù)所需的N1調(diào)節(jié)合適的燃油流量而控制得到合適的N2。由于CFM56-3的N1和N2是氣動連接的，他們之間沒有直接的機(jī)械傳動關(guān)系，因此發(fā)動機(jī)的核心控制環(huán)是N2作為控制目標(biāo)的，而控制N2的基本手段就是由MEC調(diào)節(jié)燃油流量。

PMC（推力管理計算機(jī)）：因?yàn)樽詈蟊磲槹l(fā)動機(jī)推力的量是N1而非N2，所以引入PMC，PMC監(jiān)控發(fā)動機(jī)的N1，T12（發(fā)動機(jī)進(jìn)口溫度），PS12（發(fā)動機(jī)進(jìn)口壓力），PLA（推力桿角度）。它根據(jù)T12，PS12，以計算在任何氣象條件下，相同的PLA具有相同的轉(zhuǎn)速百分比，這個就是目標(biāo)N1，它與實(shí)際N1比較得出差值信號送到MEC，使MEC微調(diào)供油量以修正N1。當(dāng)PMC感受的傳感器故障時，PMC無法感受所需要的數(shù)據(jù)既按其內(nèi)部的列表控制N1或者直接斷開PMC的控制。

CBP（壓氣機(jī)引氣壓力）：當(dāng)發(fā)動機(jī)工作時，壓氣機(jī)引氣給空調(diào)使用，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量減小，發(fā)動機(jī)會損失一部分功率，為了彌補(bǔ)引氣造成的功率損失，將CBP信號送到MEC使MEC修正供油量保證發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在要求的功率。在低速工作時，發(fā)動機(jī)用9級引氣，此時進(jìn)氣損失大，CBP起作用，給MEC信號使MEC提高燃油流量，以補(bǔ)償轉(zhuǎn)速。高速時，5級引氣，損失小，CBP不起作用。

VSV（高壓壓氣機(jī)可變靜子葉片）：由于高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速變化，由速度三角形可知高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子出來進(jìn)入靜子的氣流攻角也在變化，且N2越大，高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速越大，攻角越朝切向偏移。此時若靜子葉片攻角不變，會造成葉背失速，局部壓力急劇下降，這就會形成氣栓，氣流停頓（甚至倒流）。燃燒室得不到足夠的氣流，就會有燃油過剩。發(fā)生失速的葉片前壓力不斷積蓄，當(dāng)壓力達(dá)到一定大時沖破氣栓，大量空氣進(jìn)入燃燒室與過剩的燃油燃燒。這就發(fā)生了喘振，嚴(yán)重時就發(fā)生放炮。所以把高壓壓氣機(jī)的進(jìn)口導(dǎo)向葉片和前3級靜子葉片設(shè)計成可調(diào)攻角的以滿足不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣的需要，這就是VSV，VSV的作動器安裝在反推包皮下大約3點(diǎn)和9點(diǎn)位置，靠近反推前部。VSV是油MEC控制的，同時把反饋信號送回MEC。在發(fā)動機(jī)的整個工作過程中VSV在開和關(guān)位之間運(yùn)動。N2=0時全關(guān)（與軸向角度最大），隨著N2增大VSV增大，當(dāng)N2=88%N2時，VSV全開。VSV的實(shí)際控制關(guān)系是由MEC接收N2和CIT（高壓壓氣機(jī)進(jìn)口溫度，用于計算進(jìn)入高壓壓氣機(jī)的空氣量，也就是計算氣流的軸向速度），有了這兩個參數(shù)就可以計算出當(dāng)時的氣流真實(shí)速度，這就得到了VSV修正的目標(biāo)值。

VBV（可變放氣活門）：VBV由MEC控制，安裝在低壓壓氣機(jī)出口，高壓壓氣機(jī)進(jìn)口，總共有12個放氣活門，VBV作動器安裝在反推包皮下大約10～11點(diǎn)位置，比VSV作動器還要靠前。由于沿發(fā)動機(jī)軸向壓氣機(jī)的進(jìn)口面積是收縮的，所以低速時，壓氣機(jī)的功率不足以把所有的氣體壓縮使之進(jìn)入燃燒室，若無VBV會使壓氣機(jī)后級壓力過大，前面的空氣無法被吸入從而引起喘振。所以，為了使發(fā)動機(jī)在低速時候能穩(wěn)定工作引入VBV。VBV在低速時是全開的，當(dāng)N2達(dá)到88%真實(shí)N2時，VBV迅速關(guān)閉，使發(fā)動機(jī)在高速時壓氣機(jī)有足夠的進(jìn)氣量。同時VBV的外形設(shè)計能防止外來物和雨水進(jìn)入內(nèi)涵道，防止暴雨天氣發(fā)動機(jī)在低速時熄火。VBV是由N2和VSV共同控制的。

下面以啟動過程來說明發(fā)動機(jī)控制的過程：啟動電門放到GND位，啟動機(jī)帶動N2旋轉(zhuǎn)。N2↑，MEC感受到啟動手柄提起N2↑則開始控制作用，MEC感受T2和PS12，通過T2，PS12慢車位置的PLA計算出當(dāng)時氣象條件下的目標(biāo)N2（既不同氣象條件相同的慢車PLA應(yīng)該具有相同的N2百分比）應(yīng)該具有的穩(wěn)態(tài)供油量，同時計算出當(dāng)前N2和目標(biāo)N2的是否具有差值以決定是以加速運(yùn)轉(zhuǎn)還是穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)。同時MEC感受CIT和CDP以計算適時進(jìn)入燃燒室的空氣量，由此計算加速需供入燃燒室的燃油量。當(dāng)N2接近目標(biāo)N2時逐漸減少供油量以減少加速度，最后在N2達(dá)到目標(biāo)N2時進(jìn)入穩(wěn)態(tài)供油。