CFM56-7B 发动机FMV-FF 趋势关系分析

■ 高艺聪/厦门航空有限公司

0 引言

在CFM56-7B 发动机燃油控制系统中，发动机电子控制器（EEC）通过电信号作动液压机械装置（HMU）中的电液伺服阀，控制其中燃油计量活门（FMV）的开度，以此控制供往发动机燃烧室的燃油流量，实现燃油计量和发动机运转控制。HMU 燃油计量功能直接关系到发动机能否正常运转。本文主要讨论FMV 的开度大小与对应的燃油流量FF大小之间可能存在的趋势关系。

1 原理分析

可以将HMU 内部的FMV（见图1）看成是一个薄壁小孔型节流阀，HMU接收EEC 的控制信号，通过力矩马达改变挡板活门开度，调节FMV 开度以改变通油面积，进而调节供给发动机的FF。节流阀的流量近似满足小孔节流方程：

图1 燃油计量活门（FMV）

其中，Q 为流量；A 为流道截面积；Cd为流量系数（特定流道几何形状和流动速度下可近似为常数）；ρ 为流体密度（常数）；ΔP 为小孔上下游压差。

由式（1）可知，经过FMV 的流量与FMV 上下游压差和FMV 的开度有关。

从CMM 中 可 知，HMU 内 部 的旁通活门（包含积分阀、比例阀）和HEAD SENSOR 使FMV 上 下 游 压 差P1-P2 维持在相对恒定的数值，该数值基本不随发动机转速而变化。从HMU的修理报告可知，出厂测试的P1-P2值大致为（54±1）psid，因此，经过FMV 的流量只和FMV 的开度有关，EEC 通过控制其开度来控制燃油流量FF。根据上述分析，正常情况下FMV的开度和燃油流量应有特定函数关系。

2 故障案例

近年来，波音737NG 机队已发生多起因HMU 失效导致发动机工作异常的不安全事件。

1）某航班起飞时，左发无法达到起飞推力，机组中断起飞滑回，排故更换了EEC、燃油泵和HMU，附件送修发现HMU 中存在污染物，分析认为该污染物影响了FMV 开度，导致推力异常。

2）某航班出港时，右发多次起动不成功，故障现象为燃油流量偏小导致起动悬挂，排故更换了EEC、燃油泵和HMU，附件送修后确认HMU 中的FMV 存在异物卡滞，导致起动时燃油流量FF 偏小。

3）某航班飞行中一台发动机转速无法保持，后续自动停车，送修时同样在HMU 中发现污染物卡滞了FMV 的通油面积。

上述几起事件均是因为污染物导致HMU 的燃油计量功能不正常，进而影响了发动机的正常工作。译码时发现，案例1 中飞机在滑出阶段左发已经表现出FMV 开度异常变化，直到起飞阶段才表现为驾驶舱效应。如果能够在飞机滑出甚至之前航段中发现异常，将有助于提前采取预防性维护措施，避免不安全事件的发生。另外，由于当前波音737NG 机队已经积累了大量的运行数据，通过横向对比筛选出FMV 和FF 异常的数据点成为可能。

3 FF-FMV 函数关系的确定和优化

航空公司的737NG 机队QAR 数据能以1 帧/s 的速率采集FMV 的A 通道和B 通道的位置参数和燃油流量（FF）数据。以FMV 为自变量（X 轴），FF为因变量（Y 轴），每一帧的数据都在上述坐标系产生一个数据点，可以发现整个飞行航段所有的数据点基本上都分布在一条曲线上。通过数据拟合，发现FF 和FMV 数值满足严格的二次函数关系（y=ax2+bx+c），如图2 所示，其线性回归系数R²可达0.99 以上。

将数据点和曲线的相对误差与N2转速变化情况对应起来，发现偏离较大的点都处于发动机加减速的过渡阶段（最大误差可达90%以上），而在巡航等发动机稳定阶段，数据点和拟合曲线的偏差很小，如图3 所示。数据点绘制默认FF 和FMV 发生在同一时间点，但实际两者并不完全同步，FF 的变化应该滞后于FMV。通过线性插值的方法尝试0.5s、1.0s、1.5s 和2.0s 四个滞后时间，发现当FF 变化滞后于FMV 1.0s 时，数据点和拟合曲线的相对误差最小（最大误差减小为30%左右），故选取1.0s 作为FF 对FMV 变化的响应时间，得到的FF-FMV 数据点分布明显更靠近拟合曲线（R²=0.9995），如图2 左侧所示。

图2 FMV-FF数据关联性

对我司737NG 机队QAR 数据的随机抽样表明，根据上述数据绘制方法得到的FF-FMV 函数关系对任一飞机的任一航段都适用。因此，可以采用拟合曲线（即函数的三个系数）来表征一个航段的FF-FMV 关系，将该关系表述为FF-FMV 基线。

4 FF-FMV 函数关系随航段的变化情况

为了研究FF-FMV 基线随航段的变化情况，选取某台发动机无故障期间连续488 个航段的数据，每个航段得到一条拟合曲线，将488 条拟合曲线绘制到一起得到FF-FMV 函数曲线，如图4 所示。可以看出，在FMV 小于60°时，所有曲线基本重合；大于60°时，曲线开始有轻微的分离，原因是航段中FMV 开度大于60°的数据点较少，发动机在该开度下持续的时间较短（起飞和初始爬升阶段），数据点存在较大误差（FF和FMV 之间并非完全同步），导致拟合后的曲线出现分离，最大和最小曲线之间的差异仍小于3%（9000 磅流量下相差约270 磅）。

图4 488个航段的FF-FMV函数拟合曲线

5 FF-FMV 函数的故障趋势监控应用

根据上述分析，选取正常发动机工况参数FF 和FMV 进行数据拟合分析，得出特征函数关系y=ax2+bx+c。以我司正常发动机工况参数为基准建立FF 和FMV 的函数关系为y=0.9416x2+34.525x+307.75。在指定FMV角度情况下，将对应的FF 与特征公式计算值进行比较，当差值超过设定阈值时，触发HMU 供油异常告警。建立特征函数后，对我司机队历史QAR 进行数据验证，发现2020 年11 月B-53XX飞机出现左发推力不响应中断起飞，该飞机在起动后慢车阶段时，左发的FMV-FF 关系已偏离特征公式函数并触发了设定的阈值告警，且FMV-FF 偏离特征函数关系在10 月后呈现逐步扩大的趋势，10 月30 日后一直超过设定阈值。这说明，结合更多的验证数据情况，通过FF-FMV 特征函数关系来监控发动机供油系统故障是可行的。

之后，在告警开发试运行期间，B-17XX 飞机触发告警，右发FF-FMV对应的函数关系有明显偏离的现象，对QAR 数据译码发现FMV 开度比正常FF 对应的FMV 角度偏小，巡航时达到了4°，其后一个月内函数关系出现快速恶化的趋势（见图5），并触发了发动机R8DA 加减速异常告警。评估后将该发动机HMU 拆下送修，更换HMU 后FFFMV 函数关系恢复正常。

图5 特征函数预测FF趋势

6 结束语

在737NG 世界机队中已出现多起因HMU 内部FMV 异常导致供油系统故障而引发的空中停车、中断起飞等重大不安全事件，通过对FMV-FF 重要发动机参数进行监控，持续研发优化特征函数关系，有助于发现发动机供油系统早期故障特征规律，建立飞机健康系统的实时监控机制，可以有效地监控发动机健康状况，大幅提高航空安全管理水平。