可调涡轮冷却系统分析与故障排除方法

■ 杨嘉玮/珠海保税区摩天宇航空发动机维修公司

0 引言

传统的CFM56/GE90 发动机使用高压压气机（HPC）出口气体对高压涡轮（HPT）一级叶片内腔进行冷却。这种设计使用定量的高压气体，无论发动机运行在全起飞推力、巡航还是空中慢车状态，HPT 一级叶片都由同样流量的HPC 出口引气进行冷却。但与高推力、高温时相比，巡航或空中慢车状态时HPT 温度较低，实际上并不需要同样流量的冷却气体。针对这个情况，LEAP发动机和GE9X 发动机引入了可调涡轮冷却系统（MTC）。

1 工作原理

可调涡轮冷却系统（MTC）通过调节HPC 出口向HPT 一级叶片根部的气流通道，实现不同的飞行状态下对气流流量的控制，优化低温运行及巡航状态下燃油消耗经济性控制。这个全新的MTC 将首次应用于LEAP 发动机，此外也在GE9X 发动机上得到了应用。

MTC 系统硬件通过全权数字发动机控制（FADEC）计算机控制由发动机核心机HPC 分配到冷却系统的引气量，尤其是对各个飞行航段HPT 一级叶片气膜冷却所需的气量进行精确分配。进一步地，在巡航和其他低推力飞行航段时，通过减少HPC 供给HPT 一级叶片的冷却气，使更多的HPC 出口气体进入燃烧室与燃油混合，增加了发动机的热效率和燃油效率。得益于MTC 系统，发动机在长时间巡航飞行中，可以大大节约冷却引气量，提高了发动机的整体效率。

2 系统构造

MTC 系统包括MTC 作动筒、MTC活门和MTC 引气管。与MTC 系统相关联的包括安装作动筒和活门的HPC 机匣、燃烧室机匣，以及与MTC 引气管相连形成冷却气流通道的HPT 导向叶片支撑（FINS）。

2.1 MTC 作动筒

LEAP 发动机包含两个MTC 作动筒，分别安装于HPC 机匣两侧。MTC作动筒由伺服燃油驱动，为双方向单侧作动筒。活塞的开关取决于SCU/SVA提供的燃油压力。驱动MTC 作动筒的高压燃油由SCU/SVA 出口的两根伺服燃油管连接，将计量过的高压伺服燃油供给作动筒驱动活塞运动。作动筒带有单通道位移传感器（LVDT），可将作动筒的机械位置转化为电信号。左侧的MTC 作动筒向EEC A 通道反馈活塞位置信息，右侧的MTC 作动筒向EEC B通道反馈活塞位置信息。

2.2 MTC 活门

MTC 活门是可调提升阀，包括曲臂组件、活门壳体、推杆、作动筒耳轴、滑动杆和支撑壳体。MTC 活门通过推杆链接机构与作动筒相连，带动滑动杆实现与壳体之间的相对运动。带有三个通气孔的中空壳体安装在HPC 出口和燃烧室入口之间，中间的提升阀通过曲臂组件控制径向位置。如图1 所示，当提升阀向上运动时，壳体通气管的三个通气孔导通，引导流经通气管的HPC出口冷却气进入MTC 总管；当提升阀向下运动时，壳体通气管的三个通气孔被遮挡，HPC 的出口冷却气无法通过MTC 活门进入MTC 总管。

图1 MTC活门提升阀工作状态

2.3 MTC 引气管

MTC 引气管是一个环形中空引气管，连接环壳体一端与MTC 活门的出口端相连，两根轴向的歧管管端与HPT导向叶片支撑（FINS）3 点和9 点位置的导向孔相连。MTC 活门打开时，MTC 引气管可以将HPC 出口气体引导至FINS 导向孔内，用以给HPT 一级叶片冷却。6 个螺孔支架通过与燃烧室机匣相连固定该引气管。

2.4 运行方式

如图2 所示，在MTC 系统中，MTC 作动筒由EEC 控制的SCU/SVA分配燃油作动，带动MTC 活门中的提升阀。当提升阀运动到100%位置时，MTC 活门的通气孔打开，HPC 出口气体通过MTC 活门进入MTC 引气管，对FINS 的其中两个导向孔通气。当提升阀运动到0%位置时，MTC 活门的通气孔关闭，FINS 这两个与MTC 引气管相连的导向孔就没有引气通过。

图2 MTC系统运行原理简图

另一点需要注意的是，在FINS 上共有8 个导向孔，其中3 点和9 点方向的两个导向孔与MTC 引气管相连，起到冷却气气量调节的作用；另外6 个导向孔没有与MTC 引气管相连，HPC 出口的气体直接供给HPT 一级叶片进行冷却。两种构型导向孔的冷却气流路线如图3 所示。换言之，即便在MTC 活门关闭、MTC引气管没有供气的情况下，HPT 一级叶片也由于75%的导向孔作用而保有持续冷却气。

图3 HPT一级叶片冷却气流

2.5 运行计划

MTC 系统通过调节MTC 活门的打开位置，控制HPC 出口压力（CDP）气流引向HPT 一级叶片的气流流量。根据不同的飞行状态，MTC 作动筒打开或关闭MTC 活门。MTC 活门带的单通道LVDT 将活门位置的电信号反馈给EEC。

•在低功率运行（巡航、减速和地面运行）时，MTC 系统关闭MTC 活门，HPC 出口压力（CDP）气流通过FINS的8 个导向孔中的6 个，对HPT 一级叶片进行冷却；

•在高功率运行（起飞和爬升）时，MTC 系统打开MTC 活门，HPC 出口压力（CDP）气流被引向FINS 全部8个导向孔，提供HPT 一级叶片的冷却气。

在图4 所示的MTC 系统工作计划中，MTC 位置信号100%代表活门全开位，0%代表活门全关位。可以看出，EEC 规划MTC 活门位置计划时带有迟滞性，应避免在发动机加减速过程中频繁作动活门。

图4 MTC系统工作计划

2.6 构型更改

CFMI 针对LEAP-1B 发动机发布了服务公告 72-00-0124，对在翼和生产线上的发动机提出改进。使用数据证明现有的双MTC 系统过于冗余。改进后的构型删除了右侧的MTC 系统，包括一个MTC 作动筒、一个MTC 活门，并引进了构型更改后的MTC 引气管。

完成服务通告后的MTC 系统进一步减少了高温、高推力下的一级涡轮叶片高压所需的冷却气。与原构型相比，在高温、高推力工作情况下，所需调节的冷却气变化量为原来的50%，且改装可为每台发动机减少12.5Pb（5.7kg）重量。

3 故障分析

3.1 作动部件故障

在飞机运行过程中，MTC 作动筒、MTC 活门等活动部件可能存在卡阻或作动筒伺服燃油泄压，使作动筒命令值与实际值不符。在MMEL 75-23-02 中，允许每台发动机有两个MTC 作动筒（已执行SB 72-00-0124 的构型为一个MTC作动筒）失效。当出现故障信息需要保留飞行时，需将至少一个MTC 活门锁在开位。将MTC 活门的曲臂组件向发动机后侧伸展，锁定螺杆可将活门锁在接耳上，从而使活门锁在开位。锁定在开位的MTC 活门能保证在任何飞行阶段HPC 出口送往HPT 一级涡轮叶片根部的冷却气量都是最大的通气模式。

3.2 静止部件故障

另一种故障模式为MTC 引气管的活塞环错位或丢失。MTC 引气管每个歧管管端和FINS 的导向孔之间装有一个金属材质、周向带弹性的活塞环，起密封作用。活塞环在作动过程中曾被发现错位甚至丢失。活塞环错位或丢失不会对MTC 系统的工作带来影响，因此在飞机运行状态下无法被发现。

但如果活塞环在工作过程中断裂脱落，活塞环碎片有可能被HPC 气体吹至HPT 一级叶片的冷却腔，即HPT 前转子封严盘和HPT 一级盘之间。活塞环在高速转动的涡轮转子空腔内被打碎成碎片，并随冷却气流继续向下游运动，如图5 所示，碎片最终会卡阻在一级涡轮叶片根部的冷却气道内。卡阻的活塞环碎片将严重影响涡轮叶片的冷却气流道，导致这一流道的冷却气无法供应。世界机队中曾有一例MTC引气管活塞环脱落案例，最终导致一片HPT 一级叶片烧伤、叶身剥落的事件。

图5 MTC总管活塞环造成内物损伤

4 排故工作范围

4.1 HPT 导向叶片支撑（FINS）

移位的活塞环材料卡在MTC 通气管歧管管端和HPT导向叶片支撑（FINS）的引气孔之间，将导致引气孔孔壁磨损。对于发现有活塞环移位或者丢失的发动机，需要在厂内维修时详细检查FINS，尤其是与MTC 通气管相连的引气孔配合面。

4.2 HPT 前转动封严（FOS）和HPT 出口静子封严（HPTOSS）

脱落的活塞环材料向下游移动，可能被HPC 出口气体吹至HPT 前转动封严（Forward Outer Seal） 和HPT 出 口静子封严（HPTOSS）之间。如图6 所示，当活塞环卡在FOS 的篦齿封严和HPTOSS 的金属蜂窝之间时，高速旋转的FOS 会使活塞环绞烂HPTOSS 的蜂窝材料，产生大量的金属屑。这些金属屑会在运行状态下继续向后移动，通过剩余的篦齿封严间隙进入主流道。也会有部分金属屑在碰撞过程中穿过FOS 的导向孔，进入FOS 与HPT 一级盘之间。图7 所示为因上述原因造成的金属蜂窝损伤，需要根据ESM 对蜂窝材料进行恢复修理，相应的FOS 则需要执行齿尖涂层喷涂修理。

图6 MTC总管活塞环导致HPTOSS损伤

图7 HPTOSS金属蜂窝损伤

4.3 HPT 转子叶片

世界机队中曾有一台运营中的LEAP-1B 发动机孔探发现一片HPT 一级转子叶片后缘材料丢失，其他叶片却没有类似损伤情况。发动机拆下后，发现这片损伤的涡轮叶片后缘冷却流道里有外来物残留，材料分析为来自MTC通气管活塞环。活塞环碎片堵塞在涡轮叶片后缘冷却流道，导致冷却气流无法通过，继而导致涡轮叶片叶身缺乏冷却而烧蚀，损伤状况如图8 所示。因此，针对发现有MTC 通气管活塞环脱落或丢失的发动机，需要在发动机分解过程中收集活塞环碎屑。如果所收集的碎屑不能拼出完整的活塞环，则需要对HPT一级转子叶片进行详细检查，尤其要确保叶片榫头的冷却气道内没有残留的外来物，包括活塞环或是蜂窝材料碎屑等堵塞气道。

图8 MTC总管活塞环导致涡轮叶片损伤

4.4 改进方案

当前使用的件号为2548M46G02的MTC 引气管在两个歧管管端有圆角凹槽，装配C 型金属带预张紧的活塞环，但圆角凹槽的尺寸有可能使活塞环滑出凹槽。CFMI 公司针对MTC引气管活塞环松脱情况发布了LEAP-1B SB 72-00-0293，该服务通告发布了新构型的MTC 引气管，改善了活塞环的张紧度。执行该服务通告后，MTC 引气管件号从2548M46G02 更改到2548M46G03。此外，执行SB 72-00-0296 前需先完成上文提到的SB 72-00-0124。