CFM56-5B发动机VBV系统故障分析与维护建议

2021-11-26宁小波

航空维修与工程 2021年10期

摘要：可变放气活门（VBV）是防止发动机喘振的主要系统。本文介绍了VBV系统的组成和工作原理，对几种常见故障进行了深入分析，找出故障原因，并提出合适的维护建议以及维护过程中的注意事项。

关键词：可变放气活门系统；故障；维护

Keywords：VBV system；failure；maintenance

0 引言

CFM56-5B发动机是大涵道比、双转子轴流式发动机，主要装备于A320系列飞机。尽管该发动机总体性能较好、可靠性高，但在使用过程中也出现了一些问题，严重影响了飞行安全，导致航司经济损失。可变引气活门（Variable Bleed Valve，VBV）系统故障是发动机常见故障之一，会导致发动机喘振。发动机喘振是一种低频率高振幅的振动，很容易导致发动机停车，如不及时处理将造成发动机部件损坏，严重影响飞行安全。喘振常出现在发动机的启动、加速、减速、反推4个阶段，导致返航、中断起飞或航班延误。本文对CFM56-5B发动机VBV系统进行介绍，对该系统故障进行深入分析，并提出维护建议和维护过程中的注意事项。

1 VBV系统组成和工作原理

VBV系统由1个燃油动力液压齿轮马达、1个止动装置、1个位置传感器、1个主活门、11个次级活门、1根主软轴和11根从动软轴构成，如图1所示。燃油齿轮马达是一个容积式齿轮马达，由两个内正齿轮组成，用于将燃油的液压势能转换成机械能以驱动一系列放气活门。止动装置用于限制VBV活门在整个循环过程中燃油齿轮马达转动的次数。主活门和主球形螺母作动器作为一个整体组件，可将燃油齿轮马达的转动力矩传递给其他11个次级活门，从而带动次级活门运动。位置传感器感受并反馈主放气活门的位置。从动软轴位于每两个放气活门之间，是传递机械能的机构，以保证各放气活门同步作动。主软轴位于燃油齿轮马达和主放气活门之间，将马达的转动力矩传递给主放气活门。

发动机控制组件ECU监控VBV活门的位置，通过液压机械组件HMU控制伺服燃油驱动液压马达，带动主软轴作动主活门，进而带动11根从动软轴驱动11个次级活门，再将活门位置通过传感器送回ECU形成闭合回路，系统的控制原理如图2所示。发动机工作过程中VBV系统起着重要的调节作用，在发动机低功率低转速时，核心机所需利用的气流量小，此时VBV活门打开，将低压压气机提供的多余压缩空气排出核心机；发动机高功率高转速时，核心机所需利用的气流量较大，此时VBV活门关闭，使得压缩空气可以充分进入核心机。当发动机执行减推力操作时，由于核心机所需利用的气流量变少，VBV活门随之打开，将多余的低压压气机压缩空气排出。在发动机运转过程中，VBV系统可以调节进入核心机的气流量，同时改善低压压气机和高压压气机之间的匹配，防止发动机喘振的发生。

航空发动机采用全权限数字式控制FADEC系统，与之前的机械式控制系统相比，提高了发动机控制的精确性、响应速度和可靠性。通过外部传感器采集风扇转速、修正风扇转速、修正核心机转速、外界大气压力、T2、T25、VSV位置、油门杆角度TRA和转动模式等信号，并将信号送往发动机电子控制计算机EEC，然后计算、制定VBV系统的控制逻辑，实现对VBV活门开度的控制。

2 故障原因分析及维护建议

2.1 VBV齿轮马达漏油

VBV燃油齿轮马达的截面图如图3所示。在飞机维护过程中，如发现VBV燃油齿轮马达漏油，可能是由于冷发启动、轴承磨损、橡胶密封圈损坏、主轴封严磨损（碳封严头部）、齿轮表面与轴承板之间过度磨损等原因导致。

在外部大气温度较低情况下，燃油齿轮马达里的橡胶密封圈受冷收缩，在启动发动机时，燃油齿轮马达作动VBV活门快速打开，虽然此时流过燃油齿轮马达的燃油具有一定的温度，但不足以在短时间内使密封圈完全受热膨胀，还处于收缩状态的密封圈周围与壁面有一定的间隙，高压燃油容易从此处渗出。为使高温燃油充分加热收缩的橡胶密封圈，使密封圈完全膨胀起到密封效果，建议在外界寒冷的情况下发动机启动后运转5min进行暖车，这样将使齿轮马达燃油渗漏消失。如果发动机在暖车5min后燃油齿轮马达仍有漏油情况，可能是由于燃油齿轮马达磨损导致。燃油齿轮马达的颤振也会造成轴承油膜破坏，在油膜厚度不够的情况下，当马达大运动量时将导致轴承磨损和过热，加剧燃油齿轮马达损伤，从而出现漏油。

在飞机维护过程中如确定VBV燃油齿轮马达漏油，需要依据手册进行处理。静态下，若小于60滴/min，不需要做维护工作，若超过60滴/min，需要做慢车渗漏检查。慢车5min后，若小于60滴/min，不需要做维护工作；处于60～90滴/min时，在不影响运行的情况下需在25个飞行循环之内修复；超过90滴/min，则需要更换液压齿轮马达进行修复。检查逻辑图如图4所示。

2.2止动机构卡阻或磨损

在VBV活门转动到特定位置时，止动机构能够使VBV活门的最终位置在关闭时不超过VBV作动筒单圈行程的0.3%，打开时不超过VBV活门作动筒单圈行程的1%。止动机构截面图如图5所示，当止动机构长时间使用后，内部油脂出现老化，导致润滑失效，螺纹管磨损，支撑螺纹管两端的轴承磨损，最终造成止动机构卡阻。

止动机构卡阻的最大故障源是内部的随动螺母，其次为保护罩损坏或漏装间接导致的卡阻。VBV系统灵敏度高，活门作动筒长时间作动后导致随动螺母加速磨损变形，造成止动机构卡死，进而导致活门卡阻。在维修过程中胶皮保护罩损坏或漏装会导致水或杂质进入止动机构，而高空飞行时低温环境下水结冰，这些杂质引入止动机构将导致随动螺母卡阻，最終都可能造成止动机构损坏、主柔性轴被剪切断等故障出现。

2.3 放气活门卡阻或阻尼过大

发动机运行过程中，当工作状态发生微小变化时，由于VBV系统灵敏度高，可能使得系统进行作动，长时间工作后，活门内部油脂老化，润滑失效，造成丝杆组件磨损、内部轴承磨损、保护套破损以及止动机构卡死，最终都可能导致活门卡阻。

当VBV活门出现卡阻情况时，将导致负责传递力矩给卡阻活门的软轴扭曲变形或断裂，从而使一部分VBV活门不能打开或关闭，在发动机处于高功率大推力时，低压压气机的压缩空气从 VBV活门排进外涵道，减少了流向高压压气机和燃烧室的压缩空气量，影响了由高压压气机提供冷却气源的高压涡轮主动间隙控制HPTACC系统的工作，同时也影响到燃烧室的正常工作，最终导致发动机排气温度EGT超温。当发动机执行减推力操作时，核心机所需利用的气流量减少，如果此时多余的压缩气流不能顺利排出，低压压气机内的空气流动将会受阻，导致低压压气机与高压压气机之间的匹配度降低或不匹配，致使发动机出现喘振。

为防止活门故障，应定期对活门进行检查，按照AMM手册检查活门是否有变形、损坏或封严是否破损，同时检查活门是否有卡滞，并更换有问题的活门。

2.4 软轴磨损、扭曲变形、断丝或断裂

在VBV止动机构或活门卡阻情况下，通过软轴传递力矩时，将会加剧软轴的端头磨损、扭曲变形、断丝或断裂损伤、弹簧断裂等，如图6所示。为防止软轴损伤，在安装止动机构时，需要人工转动到全关位置，同时应注意在调定主VBV活门后连接主柔性轴时不要松动止动机构随动螺母的位置，否则将导致活门与止动机构位置不一致，可能出现当活门不能继续运动时止动机构还未到达全关位置，燃油齿轮马达继续转动，而此时作用在活门和软轴上的力矩过大，从而造成软轴损伤，也可能造成活门和机匣磨损。安装VBV活门时需用专用工具将活门设定在全关位，当活门设定好后安装软轴时，如误转动软轴而使活门全关位置发生了改变，将会导致活门与止动机构位置出现不一致，可能造成软轴、活门或机匣损伤。

3 总结

VBV系统故障是由维护过程中的人为因素导致或系统长时间工作后自然老化导致的。为提高VBV系统的可靠性，对于人为因素导致的故障，在VBV系统维护过程中应严格按照手册施工，防止错装、漏装、安装顺序不正确、未注意到细节设置等情况，同时设置检验人员双重把关。为了避免系统长时间工作后自然老化导致的故障，可对VBV系统建立EO，定期进行检查和维护，如有问题及时更换相应部件，后续根据EO执行的效果对EO进行调整。