CFM56-7B发动机空中停车故障预测机制研究

2021-12-21姜琪

航空维修与工程 2021年11期

摘要：2020年国内航司CFM56-7B发动机发生因霍尼韦尔CH-T1型液压机械组件故障导致的发动机空中停车重大故障，本公司机队发生2起该型HMU引起的燃油供油系统故障，并致使中断起飞。本文介绍了HMU典型故障与改进设计历程，综合分析世界及公司机队可靠性数据，并进行维修方案回顾、技术风险总结，形成针对发动机燃油系统空中停车重大故障的预测机制。

关键词：CFM56-7B发动机；液压机械组件；供油；空中停车；预测

Keywords：CFM56-7B engine；HMU；fuel supply；IFSD；prediction

1 CFM56-7B发动机液压机械组件简介

航空发动机控制的发展历程大致可分为初始（液压机械式）、成长（模拟电子式）、电子（监控式）、综合（全权限数字电子式）4个阶段，发动机控制技术由20世纪40年代简单的液压机械控制、“液压机械+电子控制”发展到现代航空发动机采用的全权限数字电子控制（FADEC）技术，并向智能/分布式控制方向发展[1]，霍尼韦尔公司CH-T1型液压机械组件（HMU）即是飞机发动机FADEC的一个部件。HMU响应发动机电子控制器（EEC）的电子信号，计量供应发动机燃油，调节通往6个液压系统的伺服燃油，如图1所示。HMU根据EEC控制命令计量燃油，具体工作流如下：

1）EEC通过感测发动机参数计算所需燃油量，满足不同运行状态下的燃烧需求，所需燃油量以电信号的方式输送给HMU内部燃油计量活门（FMV）的电液伺服活门（FMV EHSV）；

2）EHSV响应来自EEC的信号，控制HMU内部的燃油计量活门开度，计量活门的开度决定最终输送到燃烧室的燃油量；

3）机械超转保护系统限制发动机最大转速不超过106%。

以下对计量供油路几个重要活门——燃油计量活门、旁通活门和压头传感器、高压关断活门的工作进行介绍，为便于理解，相关参数如表1所示。

1.1 燃油计量活门

FMV控制通往高压关断活门的通油孔面积，通过FMV EHSV接收EEC指令进行控制。FMV打开或关闭燃油通路，EHSV根据EEC指令控制PX压力至计量活门活塞两端。当增加或减小发动机燃油流量时，FMV活塞随两边压差大小左右移动，直至实际流量满足EEC指令。解析器由FMV活塞杆端连杆机构作动，提供FMV反馈位置给EEC，如图2所示。

1）FMV通过开度大小控制通往发动机燃烧的燃油。由于FMV上游P1与下游P2压差值在压头传感器作用下保持定值，因此FMV的任何位置均对应特定的燃油流量。

2）解析器将FMV位置反馈给EEC，提供发动机的供油量反馈信号，建立EHSV的闭环回路。

3）FMV EHSV接收EEC指令进行控制。当发动机处于加速状态时，反馈信号以防止向发动机输送过多燃油。当燃油量增大到接近所要求的供油量时，反馈系统减小EHSV信号，同时当计量活门开度到位时，EEC会收到反馈信号，EEC取消燃油增加指令。

1.2 旁通活門和压头传感器

压头传感器箱体与旁通活门配合工作，以维持计量活门进口P1和P2的压差。两个系统作动燃油进口和计量活门之间油路。旁通活门将发动机多余燃油旁通回Pb。压头传感器控制积分旁通活门，以建立旁通多余燃油至Pb的基准开度。压头传感器的有效长度由P1-P2压差决定。箱体长度的变化由箱体上的支杆传递至压头传感器伺服活门。伺服活门位置与压头传感器孔口开度有关：

1）如果P2P（指P2经过限流孔后到达旁通活门和压头传感器的压力，略低于P2）过高，箱体向远离压头传感器伺服活门的方向移动，伺服孔口关闭，伺服系统压力增加；

2）如果P1过高，箱体向压头传感器伺服活门的方向移动，伺服孔口打开，伺服系统压力下降。

旁通活门按比例加积分方式设计，包含两个活门。比例活门在积分活门腔体内移动。两个活门均靠弹簧加载于关位。比例活门移动迅速，用来修正突发的P1-P2波动。活门位置由活门侧的P1值与另一侧P2值加上弹簧力的差值来控制。活门作动改变流经积分活门的旁通燃油量。积分旁通活门移动较慢，积分活门通过旁通维持P1-P2压差所需的多余P1燃油来建立孔口基准开度。燃油的旁通路径由P1流经活门侧边的端口到达PB。P1供向积分旁通活门活塞面积较小的一端。由压头传感器控制的伺服系统作动压力及弹簧力共同供给积分旁通活门活塞面积较大的一端。发动机启动前，弹簧力把积分旁通活门完全限制在旁通活门套筒内。随着燃油供油压力的建立，积分旁通活门开始向下移动。当压头传感器箱体两端的P1-P2P压差变化时，积分旁通活门开度改变。旁通活门套筒内的积分旁通活门在其行程内有无限多个位置。无论积分旁通活门如何改变行程，压头传感器伺服活门可回到零位（null position）[2]。

比例旁通活门在积分旁通活门内移动，直至比例旁通活门腔体两侧压力平衡。发动机关车时，压头传感器箱体感受P1高压，打开压头传感器伺服活门，减少积分旁通活门弹簧侧伺服压力。P1克服降低的伺服驱动压力Psf和弹簧力，作动比例和积分两个旁通活门至全开位。P1通过打开的旁通活门向PB释压。发动机关车后，燃油不再供给HMU。弹簧力使积分旁通活门和比例旁通活门均移至关位，如图3所示。

1.3 高压关断活门

高压关断活门有两项功能，一是确保伺服压力在发动机起动和低流量状态下受控，二是在关车时关断油路。压力关断活门位于FMV下游，由弹簧力保持在关位。当发动机起动和加速时，压力关断活门的Pcb被供至压力关断活门弹簧腔体。随着起动循环继续，在低流量工况下，当P2可以克服活门关闭力时，压力关断活门开始打开。压力关断活门的开度通过活门弹簧保持器内的永磁铁临近或远离位置电门，给驾驶舱提供燃油开关的灯光指示。

发动机关车时，压力关断活门保持在开位，直到计量活门关闭。此后，HMU关断环路开始工作。P1/Psf加上关断活门弹簧力，驱动压力关断活门关闭。关断活门首先通过套筒端口的移动来关闭P2至P22油路。活门弹簧保持器内的磁铁位置发生变化，闭合位置电门，同时向飞机指示系统提供关断信号，如图4所示。

2 HMU重大改装

1）世界机队发生过多起空中推力无响应导致的发动机空中停车案例，调查发现HMU内部旁通活门（BPV）弹簧磨损、断裂，原因为油液流动引起积分旁通活门旋转，阀上的固定弹簧座随动旋转，与相对静止的弹簧摩擦产生金属屑，金属屑随燃油流入阀套与阀芯之间的配合面缝隙，阀芯被卡滞。最终本公司推动美国制造商通用电气联合霍尼韦尔公司深入调查，并在全球率先完成全机队改装，执行服务通告SB73-0174/0175、SB73-0193/0194，将BPV的弹簧改进为一体机加工弹簧（见图5）[3]。

2）TBV EHSV二级衬套组件内腔积油（Trapped Volume）可能导致柱塞式活门卡滞，触发75-X058Y（TBV位置信号不一致），导致控制灯亮的严重故障。执行改装服务通告SB73-0188，在密封空腔内加工溢流口，避免油液积存。

3）针对退化的银钎焊堵塞EHSV喷头问题，2015年第4季度起新产品改为镍焊，旧件在大修时改装。

4）EHSV中电磁线圈使用的硅酮剂会挤出而干涉伺服活门作动，导致指令和反馈不一致。2019年1月，霍尼韦尔公司发布SIL，介绍序号BECWG333之后使用特氟龙胶替代硅胶，旧件在HMU大修时改装，如图6所示。

3 近期故障案例

3.1 HMU导致发动机空中停车故障案例

2020年7月，厦航一架的波音737NG飞机（编号B-55XX）在哈尔滨短停，右发起动转速上升至N2=56%时燃油流量降低，从最高880pph下降至低于300pph，FMV开度逐渐减小，燃油流量在短暂冲至464pph后下降为0。随后尝试数次重起，燃油流量均偏低，N2最高至33%，最后一次尝试起动燃油流量为0，最终更换燃油泵及HMU，试车验证工作正常，排除故障。

2020年11月，某航一架波音737NG飞机空中左发推力不响应，出现发动机失效信息（ENG FAIL），发动机燃油流量降至0，空中发动机自动停车，紧急备降。落地后检查燃油滤正常，更换HMU，试车验证工作正常，排除故障。

2020年11月，厦航一架波音737NG飞机（编号B-53XX）在昆明起飞滑跑阶段，机组反映左发推力不响应（左发N1至56%不上升，右发N1=95%），飞机出现偏航，机组中断起飞，最终更换HMU排除故障。

3.2 故障原因——FMV出油口异物卡滞

以上三起故障中HMU送修原OEM厂商的维修机构，分解时均发现FMV出油口异物卡滞，如图7所示。因上游燃油泵组件内有燃油滤，异物可能来自燃油滤本身、油泵齿轮或HMU内部。因异物的颜色、质地与燃油滤端盖粘合物类似，厦航多次与厂家交涉对燃油滤材质进行调查。后续厂家化验发现异物为木屑或环氧树脂，判断木屑可能为执行燃油泵孔探检查时从外界进入燃油系统，环氧树脂为燃油滤端盖溢出的粘合胶[4]。对航空公司而言，在最终厂家出具改进措施前，对故障飞机译码数据进行深入分析，开发实时或趋势性监控预测机制，以避免发动机空中停车尤为重要。

4 QAR数据分析及告警开发

上述B-53XX飞机故障中，译码数据发现，双发起动完成后，左发FMV角度持续低于右发，但燃油流量在慢车稳态下几乎一致；起飞滑跑阶段，随着FMV角度开大，左发的燃油流量明显低于右发，转速最高到56%（右发96%）中断起飞，中断起飞后双发的FMV角度再次趋于一致。另一起737NG空中停车故障飞机的地面阶段数据，双发起动完成后，左发FMV开度较大，维持双发相同的燃油流量。这两架飞机均为发动机供油异常，但表现出FMV角度大小趋势不同。通过数据分析判断，B-53XX飞机慢车时因旁通活门卡滞而保持了固定旁通量（正常慢车时旁通量较大），导致P1-P2偏大，因此只需FMV打开较小角度即可满足指令供油量。中断起飞后故障消失，后续试车导致异物转移并卡阻于FMV出油口尖端部位。另一起空中停车故障，在飞机完成起动后，随即表现出FMV出油口卡滞现象，因需满足指令燃油流量，则必须加大FMV开度。

上述两架飞机在发动机慢车状态时表现出双发燃油流量一致，但FMV角度差异，如图8、图9所示。采用空地数据链实时数据，可对双发油门杆角度、发动机转速、FMV及供油量等参数进行实时监控，当双发特征参数值达到阈值时触发实时告警；同时需精准判断故障发动机位置是左发还是右发，因FMV上下游压差（即P1-P2）為定值，FMV角度与燃油流量存在显著对应关系，可对发动机历史运行大数据进行分析，拟合FMV和FF关系特征多项式，监控FMV对应的燃油流量关系变动状况，当达到预警值时则判断该侧发动机供油异常。

通过持续努力研发，最终拟合出关键参数特征关系（厦航根据自身机队运行数据拟合出的特征多项式，线性回归系数高达0.9995），并成功开发出趋势及实时告警，可以有效监测发动机健康状况（其中一起故障提前15天预警）。后续告警系统稳定运行后将发挥更大作用，大幅提升航空安全工程管理水平。厦航在已退出公司机队的波音757飞机RB211系列发动机上已有成功的类似趋势及实时告警开发经验，通过监控各防喘活门的位置及EGT温度特征关系，排除潜在喘振故障[5]，在该机型的服役周期内未发生空停。

5 结束语

2020年至今，波音737NG机队已有数起因CFM56-7B发动机HMU内部异物卡滞导致供油系统故障而引起的发动机空中停车等重大故障，卡阻异物在外形、颜色、检出元素含量方面均相似，具有一定的共源特征，初步判断为燃油滤端盖上的粘合胶或者孔探时外界带入的木屑。在厂家未出台相关解决方案和有效预防措施前，航空公司应积极分析相似故障发动机运行译码数据，以期发现故障早期特征及规律，开发基于ACARS空地数据链的实时及趋势预警系统，对FMV角度及燃油流量等发动机核心参数进行实时监控及预警，避免发动机空中停车，提升航空安全管理水平。