CFM56发动机控制原理及常见故障分析

宗宏钧 肖敏

[摘 要] 航空发动机一直是民航飞机的核心产业和技术。目前，世界上主要由六家发动机制造商，他们是美国CFM国际发动机公司、美国通用电气公司、英国罗尔斯·罗伊斯公司、美国普拉特·惠特尼公司（Pratt & Whitney）、美国国际航空发动机公司、美国发动机联盟（GE-P&W Engine Alliance）。目前，国产大飞机C919选装了美国通用电气公司的Leap发动机，而国产支线飞机ARJ21选装了国际发动机公司的CFM34。为了国内航空发动机技术的发展，根据有限的资料及实际维护经验对CFM公司的经典机型（CFM56-3）的原理和常见故障进行了分析和推导。

[关键词] 发动机;可变静子叶片;可变放气活门;压气机;涡轮

[作者简介] 宗宏钧（1975—），男，高级工程师，工学硕士，AMECO贵阳分公司技术支援部经理，研究方向：飞机机电工程（通讯作者）;肖敏（1979—），女（布依族），工学硕士，北京飞机维修工程有限公司贵阳分公司工程师，研究方向：计算机体系结构。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）19-0323-03    [收稿日期] 2019-10-17

CFN56-3发动机由4大部分组成：FAN MAJOR MODUL，CORE ENGING MAJOR MODUL，LPT MAJOR MODUL，ACCESSORY GEARBOX，如图1。

主要低压部件包括1级风扇，1级风扇出口导向叶片，3级低压压气机转子，4级低压压气机静子，由4级低压涡轮驱动。高压部件包括9级高压压气机转子，1级可调进口导向叶片，3级可调静子叶片，5级静子叶片，由一级高压涡轮驱动，如图2所示。

CFM56-3发动机控制核心包括液压机械部件MEC（主发动机控制器）和电气部件PMC（推力管理计算机）。其中PMC对N1转速进行微调，由于该发动机是由N1产生78%的推力，所以N1转速是衡量和指示推力的标准，控制N1也是发动机控制的最终目标。MEC是控制发动机的N2转速，即根据所需的N1调节合适的燃油流量而控制得到合适的N2。由于CFM56-3的N1和N2是气动连接的，他们之间没有直接的机械传动关系，因此发动机的核心控制环是N2作为控制目标的，而控制N2的基本手段就是由MEC调节燃油流量。

PMC（推力管理计算机）：因为最后表针发动机推力的量是N1而非N2，所以引入PMC，PMC监控发动机的N1，T12（发动机进口温度），PS12（发动机进口压力），PLA（推力杆角度）。它根据T12，PS12，以计算在任何气象条件下，相同的PLA具有相同的转速百分比，这个就是目标N1，它与实际N1比较得出差值信号送到MEC，使MEC微调供油量以修正N1。当PMC感受的传感器故障时，PMC无法感受所需要的数据既按其内部的列表控制N1或者直接断开PMC的控制。

CBP（压气机引气压力）：当发动机工作时，压气机引气给空调使用，导致发动机进气量减小，发动机会损失一部分功率，为了弥补引气造成的功率损失，将CBP信号送到MEC使MEC修正供油量保证发动机运转在要求的功率。在低速工作时，发动机用9级引气，此时进气损失大，CBP起作用，给MEC信号使MEC提高燃油流量，以补偿转速。高速时，5级引气，损失小，CBP不起作用。

VSV（高压压气机可变静子叶片）：由于高压压气机转速变化，由速度三角形可知高压压气机转子出来进入静子的气流攻角也在变化，且N2越大，高压压气机转速越大，攻角越朝切向偏移。此时若静子叶片攻角不变，会造成叶背失速，局部压力急剧下降，这就会形成气栓，气流停顿（甚至倒流）。燃烧室得不到足够的气流，就会有燃油过剩。发生失速的叶片前压力不断积蓄，当压力达到一定大时冲破气栓，大量空气进入燃烧室与过剩的燃油燃烧。这就发生了喘振，严重时就发生放炮。所以把高压压气机的进口导向叶片和前3级静子叶片设计成可调攻角的以满足不同转速下进气的需要，这就是VSV，VSV的作动器安装在反推包皮下大约3点和9点位置，靠近反推前部。VSV是油MEC控制的，同时把反馈信号送回MEC。在发动机的整个工作过程中VSV在开和关位之间运动。N2=0时全关（与轴向角度最大），随着N2增大VSV增大，当N2=88%N2时，VSV全开。VSV的实际控制关系是由MEC接收N2和CIT（高压压气机进口温度，用于计算进入高压压气机的空气量，也就是计算气流的轴向速度），有了这两个参数就可以计算出当时的气流真实速度，这就得到了VSV修正的目标值。

VBV（可变放气活门）：VBV由MEC控制，安裝在低压压气机出口，高压压气机进口，总共有12个放气活门，VBV作动器安装在反推包皮下大约10～11点位置，比VSV作动器还要靠前。由于沿发动机轴向压气机的进口面积是收缩的，所以低速时，压气机的功率不足以把所有的气体压缩使之进入燃烧室，若无VBV会使压气机后级压力过大，前面的空气无法被吸入从而引起喘振。所以，为了使发动机在低速时候能稳定工作引入VBV。VBV在低速时是全开的，当N2达到88%真实N2时，VBV迅速关闭，使发动机在高速时压气机有足够的进气量。同时VBV的外形设计能防止外来物和雨水进入内涵道，防止暴雨天气发动机在低速时熄火。VBV是由N2和VSV共同控制的。

下面以启动过程来说明发动机控制的过程：启动电门放到GND位，启动机带动N2旋转。N2↑，MEC感受到启动手柄提起N2↑则开始控制作用，MEC感受T2和PS12，通过T2，PS12慢车位置的PLA计算出当时气象条件下的目标N2（既不同气象条件相同的慢车PLA应该具有相同的N2百分比）应该具有的稳态供油量，同时计算出当前N2和目标N2的是否具有差值以决定是以加速运转还是稳态运转。同时MEC感受CIT和CDP以计算适时进入燃烧室的空气量，由此计算加速需供入燃烧室的燃油量。当N2接近目标N2时逐渐减少供油量以减少加速度，最后在N2达到目标N2时进入稳态供油。