冯晓 张恩翼

摘要：LEAP-1A发动机自投入使用以来发生多起起动活门故障，对航班的运行造成极大的影响，会直接导致航班取消或延误。本文就LEAP-1A发动机起动活门的故障原因进行分析，建立基于QAR数据的起动活门状态监控模型，通过对起动空气压力关键参数的采集，提前捕捉到起动活门的失效状态。通过实例验证，该方法可以有效避免因起动活门失效导致的航班取消或延误现象。

关键词：LEAP-1A发动机；起动活门；QAR；状态监控

Keywords：LEAP-1A engine；starter air valve；QAR；condition monitoring

0 引言

装备LEAP-1A发动机的A320neo飞机自2016年8月投入商用以来，截至2020年10月全球67家航空公司共运营了771架A320neo飞机，共计1681台LEAP-1A发动机在役。LEAP-1A发动机以其高可靠性、高利用率以及出众的燃油效率和低排放赢得了广大用户的青睐，但新设计在获得性能提升的同时也出现了部件设计的不成熟和不稳定等问题。

LEAP-1A发动机起动活门在引入之初就表现出极大的不稳定性，故障率高。针对不同的件號所暴露出的问题，厂家不断地进行技术升级，共经历了P01、P03、P04和P05等4种不同的件号，但在引入P05部件后并没有很好地降低故障率，反而暴露了新的问题，为此厂家发布服务通告，对于新发不再采用P05件号，而是再次引入P04件号的起动活门直到下次技术升级。目前的机队同时保留了P04和P05件号，厂家暂时无法彻底解决设计缺陷问题，而对于新设计也无经验可供借鉴，航空公司面临较大的运行压力。

1 故障分析

起动活门通过控制进入起动机的引气达到控制发动机起动的目的，主要由活门本体、压力传感器、电磁活门组件、速率控制器、伺服本体、作动器组件构成（见图1）。活门的开关通过电磁活门组件控制进入作动器打开腔和关闭腔的空气量实现。

厂家针对起动活门的技术升级集中在电磁活门组件上。P03件号的缺陷是电磁活门内部推力杆和导轨之间间隙设计不合理，导致互相妨碍，阻止电磁活门的作动，进而导致活门无法打开和起动失败[1]。P04件号是由于电枢涂层脱落导致电枢与线圈壳体之间摩擦力增加，电磁力不足以克服不断增加的摩擦力，导致无法作动。厂家通过升级涂层工艺和增加电磁力来改进。P05件号是由于电磁活门内部电枢杆在球型止挡处发生严重的磨损，进而出现漏气，导致活门无法完全打开[2]。

综上所述，起动活门故障的主要原因是电磁活门组件无法正常工作所致，出现活门无法打开或无法完全打开现象。而当电磁活门内部作动杆向上移动时，则会出现活门无法关闭或无法完全关闭现象。

2 监控模型

对于有设计缺陷的起动活门，运营人无法左右部件的设计和技术升级，只能通过参数监控来提高部件的在翼可靠性。QAR（快速存取记录器）用于记录飞机运行中产生的大量数据，监控系统的运行状态和部件的性能，在航空领域得到了广泛的应用[3]。本文尝试基于QAR数据建立起动活门的监控模型。

通过分析可知，QAR数据中可用于监控的关键参数有两个，分别是起动活门的开关状态以及蝶形活门下游的引气压力值，由起动空气压力传感器（SAP sensor）提供。QAR数据记录的频率为1s。为进一步表征起动空气压力P的变化特征，定义压力变化率delta P为后一秒压力值与前一秒压力值之差。

图2至图4为起动活门状态监控趋势图，趋势图上三个参数从上到下依次表示delta P、起动空气压力值、起动活门开关状态。当起动活门完全打开时，输出值为1，否则为0。图中列举了部分活门故障前参数的变化特征。

通过对故障数据进行筛选并与正常参数进行对比分析，同时结合起动活门工作原理，可将监控模型设置如下。

1）起动阶段参数设置

a. 设置参数识别区间：从活门首次打开后10s开始至活门关闭前10s结束。

b. 统计变化率delta P大于2的次数，累计次数达到4次。

c. 在识别区间内起动空气压力最小值大于20。

同时满足以上三个条件则触发警告，认为起动活门有故障并即将发生失效。

2）巡航阶段参数设置

该阶段参数设置是为了识别起动活门空中打开的故障。

a. 识别区间：飞机的巡航阶段。

b. 在识别区间内起动空气压力大于等于1psi。

同时满足以上两个条件则认为起动活门在空中出现空中打开或者无法关紧的现象。

将以上两部分监控逻辑以警告的形式设置在监控系统内，当满足触发条件时即以邮件形式发送至工程师邮箱，可实现对起动活门的有效监控，及时发现潜在故障，并做出应对措施。

3 实例验证

自设置警告逻辑以来，统计我司发生的起动活门故障次数及监控的结果，共计发生18起起动活门故障，具体统计如表1所示。

其中，未触发警告的12次故障在参数上没有异常，且故障类型都为首次起动未打开、第二次自动起动成功。这类故障不会对航班产生任何影响。触发警告的6次故障属于人工操控才能起动，无法自动完成起动，对航班有影响，且警告触发的时间比实际故障发生的时间早约3～7天。可见，该监控模型可以有效地发现起动活门的潜在故障状态，因此对起动活门的状态进行监控具有重要意义。

4 总结

本文分析了目前LEAP-1A机队运行的起动活门设计缺陷，在暂时无法获得技术改进的情况下，基于QAR数据建立了起动活门的监控模型。通过实际应用验证，该模型满足起动活门状态监控的要求。

参考文献

[1] LEAP-1A S/B 80-0003，Revision 001 [Z].

[2] LEAP-1A S/B 80-0008，Revision 002 [Z].

[3]巴塔西，李蕊，熊毅，等.基于QAR数据的民用飞机故障预测及验证[J].计算机测量与控制，2019，27（10）：31-35.

作者简介

冯晓，发动机主管工程师，负责CFM56-3B、CFM56-5B、LEAP-1A发动机工程管理工作。

张恩翼，发动机工程师，负责CFM56-3B、CFM56-5B、LEAP-1A发动机性能监控工作。