V2500-A5 发动机LPC2.5 级放气系统故障分析

2023-05-30白杰贺斯鸿

中国民航大学学报 2023年2期

白杰，贺斯鸿，2

（1.中国民航大学安全科学与工程学院，天津 300300；2.北京飞机维修工程有限公司，北京 100621）

V2500-A5 发动机LPC（low pressure compressor）2.5 级放气系统故障是航线运行中的常见故障[1]。其中，2.5 级放气活门损伤造成的系统故障由于需要进厂修理，成为近年来发动机非计划下发的主要原因。因此，研究LPC 2.5 级放气系统故障的分类、成因及相应的预防、监控措施能有效避免此类系统故障造成的航线非计划下发。

针对民航发动机故障分析问题，周金辉[2]根据实际排故过程，对CFM56-3C 发动机引气故障产生的原因进行了研究，提出判断和排除此类故障的方法；邓力铭等[3]对一起CFM56-5B 发动机主动间隙控制活门故障案例进行了分析，并总结了此类故障对发动机性能参数造成的影响；陈磊[4]针对V2500 发动机常见的主齿轮箱碳封严漏油问题，从基本原理和失效分析两方面进行了研究，提出一种预防性维修方案。综上，当前对民航发动机故障的研究主要从故障现象、故障成因和预防与维护措施等方面开展，为本文对V2500-A5发动机LPC 2.5 级放气系统故障研究提供了思路。

对于LPC 2.5 级放气系统，余刚[5]针对一起PW4000发动机2.5 级放气系统机械连接失效导致的喘振故障进行了研究，并分析了故障成因；陈信衡等[6]从航线维护角度对V2500-A5 发动机LPC 2.5 级放气系统常见故障进行了分析，并提出了航线维护方案。

因各机型LPC2.5 级放气系统结构及功能不尽相同，无法将已有研究结果直接应用于V2500 发动机。鉴于此，本文使用文献研究法和个案研究法，针对V2500-A5 发动机LPC 2.5 级放气活门损伤成因、排故方法加以研究，提出2.5 级放气活门损伤的监控、预防方法和发动机大修厂的修复方案，可为航空公司航线监控该系统故障，并在发动机首次进厂大修时有针对性地对此系统故障加以预防和修理提供参考。

1 LPC 2.5 级放气系统故障分析

V2500-A5 发动机低压压气机LPC 2.5 级放气系统主要由主作动器、从动作动器、作动杆、电子控制器（EEC，electronic engine controller）、燃油调节组件（FMU，fuel metering unit）、高低压燃油泵（HP/LP fuel pump）和LPC 2.5 级放气活门组成。

LPC 2.5 级放气系统的主要功能是在发动机电子控制器控制下，通过系统作动器作动改变放气活门开度，在发动机运行过程中对通过压气机的空气流量进行控制，从而避免发动机运行中发生转速与流量不匹配的现象，进而避免发生喘振[7]。放气系统活门开度与N1（低压转子）转速关系如图1 所示。从图1 可以看出，活门开度在N1 转速到达67.0%前处于全开位，随着N1 转速继续上升活门开度减小，直到N1 转速到达82.5%时活门进入关闭位。

图1 放气活门开度与N1 转速的关系示意图Fig.1 Diagram of the relationship between the bleed valve opening rate and the N1 speed

EEC 根据传感器提供的燃烧室压力、驾驶舱油门杆角度、N1 转速、N2（高压转子）转速等参数计算2.5级放气活门作动器的开度指令，由FMU 提供的压力燃油驱动作动器运动，EEC 接收作动器内部的线性可变差速传感器反馈的作动器位置信号实现闭环控制[8]。

因此，V2500-A5 发动机LPC 2.5 级系统常见故障主要分为两大类：①作动器故障、EEC 故障等外部附件故障造成的系统故障；②2.5 级放气活门损伤造成的系统故障。

为了研究上述两类故障的实际占比，本研究收集了国内某航司机队自2017—2021 年5 年中2.5 级放气系统故障的相关信息，如表1 所示。

表1 2.5 级放气系统故障信息表Tab.1 Fault information table of 2.5 bleed system

由表1 数据可知，在上述两大类故障中，由系统外部附件故障造成的系统故障占故障总量的72%，而由2.5 级放气活门损伤造成的系统故障仅占8%。由此可见，引起LPC 2.5 级放气系统故障的主要原因为外部附件发生故障，而2.5 级放气活门损伤造成的故障占比不超过10%。

在18 起由外部附件故障引起的系统故障中，放气活门作动器故障占故障总量的55.56%，EEC 故障占故障总量16.67%。高低压燃油泵的故障量最少，占故障总量5.56%。上述外部附件故障的原因不尽相同，其中，放气活门作动器的常见故障原因为作动器内力矩马达故障和封严环漏油。为解决此类故障，国际航空发动机公司（IAE，International Aero Engines）发布了多条服务通告以更换故障涉及的部件。

据统计，放气活门作动器和FMU 发生故障时的大修后时间分别为23 500 h 和24 800 h。尽管附件故障不会造成发动机下发修理，更换可用的附件即可排除故障，但也可能会因附件调拨不及时或其他原因造成航班延误和取消。因此，机务工程师应在相关附件接近大修间隔前适时安排更换相应的附件，避免影响机队运行。

除此之外，还有20%的2.5 级放气系统故障是由2.5级放气环润滑不足造成的，这类问题在航线运行和排故中较容易被发现并排除。但2.5 级放气活门的损伤在航线中无法修复，必须下发进厂修理。

2 基于案例的LPC 2.5 级放气活门损伤分析

造成LPC 2.5 级放气活门损伤故障的具体原因如下：①2.5 级放气活门销钉缺失；②2.5 级放气活门放气环出现磨损和裂纹。

2.1 损伤成因分析

2.5 级放气活门结构示意图如图2 所示，其主要由放气活门环、保持环、销钉和衬套轴承等组成。其中，保持环固定于发动机风扇机匣内，放气活门环依靠销钉和动力臂与支撑环相连接。当EEC 发出作动信号后，作动器通过作动连杆使放气环位置发生变化进而改变活门开度和放气量。2.5 级放气活门损伤最常见的类型为放气活门环销钉孔的磨损和销钉的缺失，而销钉的缺失往往是因为销钉孔磨损变形使其直径增大，导致销钉从销钉孔中脱出。

通过对2.5 级放气活门结构分析不难发现，与2.5级放气活门环销钉孔直接接触的是安装于销钉孔内的衬套和衬套内的销钉。随着放气活门的开闭过程，销钉外的轴承发生旋转使得放气活门开度发生变化。据此分析，导致销钉孔磨损的主要因素应为活门运动造成的销钉旋转，由于衬套和销钉之间的间隙不足，销钉的旋转会引起衬套和保持环的旋转。

如果保持环发生松动，衬套就会随着销钉的旋转而发生移动，进一步导致销钉孔的严重磨损。一旦保持环随着销钉的旋转而发生旋转，保持环的另一端就接触放气活门环的支撑环，这会直接导致支撑环发生磨损和保持环从销钉上脱落，并最终导致销钉或衬套缺失、放气活门环磨损和断裂故障的产生。

2.2 基于实例的2.5 级活门损伤排故

国内某家航空公司的一架A320 飞机在航后例行检查中出现了CHA 2.5 BLD ACT/HC/EEC2&CHN 2.5 BLD ACT/HC//EEC2 故障信息（右侧发动机LPC 2.5 级作动器故障）[9]。

航线机务人员按照排故手册（TSM，trouble shooting manual）确认出现的故障代码为B25TK，需立即对LPC 2.5 级放气活门进行孔探检查，由于孔探设备和人员不能迅速到位且此故障代码为该发动机第一次出现，经航线工程师评估后，当日未进行孔探检查，机务人员按TSM 进行其他排故工作，并按照TSM 要求更换发动机EEC 后故障代码消失，飞机放行。

飞机继续运行3 天后，相同故障再次出现。航线工程师按航线手册要求对故障飞机进行停场排故。TSM 排故路线示意图如图3 所示，和前述过程不同，由于本次故障距上次故障间隔时间短，为确保发动机状态可靠，机务人员按TSM 手册要求进行了孔探检查。

图3 TSM 排故路线示意图Fig.3 Trouble shooting route diagram of TSM

孔探检查中发现LPC 2.5 级放气活门放气环有4处销钉丢失，所有销钉孔均出现不同程度磨损，其中一处销钉孔发生断裂。按飞机维修手册（AMM，aircraft maintenance manual）要求，此故障发动机需立即下发执行进厂修理。

3 监控与预防

3.1 监控

由于LPC 2.5 放气系统外部附件故障引起的系统故障多为随机发生，无法有效监控。因此，对于该类故障，应按前文所述加强对附件更换的管理，使附件按发动机维修管理手册建议的修理时限进行修理或测试，以减少由于附件故障引起的系统故障。

对于因2.5 级放气活门损伤引起的系统故障，由于其损伤通常随着发动机的运行直至发生故障。因此，可通过发动机运行的某些特征数据加以监控[10]。2.5 级放气系统作动器中的线性可变差动变压器（LVDT，linear variable displacement transducer）在发动机运行过程中会提供电输出（反馈信号）至EEC，该信号与作动器活塞位置有一定比例关系。LVDT 由作动器活塞上的延伸部分（前端）直接驱动，通过相应电插头提供来自EEC 的电流和电信号。因此，LVDT 向EEC 反馈的信号内容可以理解为2.5 级放气活门环移动的距离。

当2.5 级放气活门环出现磨损时，由于放气活门环和支撑环结构的相对位置变化，为了使放气活门完全关闭，需要使作动器增加一定的作动距离。因此，LVDT 向EEC 反馈的位置（简称LVDT 位置）信息会显示出作动器位移的变化。

2.5 级放气活门作动器LVDT 位置随发动机运行时间变化的示意图如图4 所示。从图4 可以看出，在2016 年08 月20 日前（损伤发生前），LVDT 位置基本在100%范围内波动。在2016 年08 月20 日后（损伤发生后），LVDT 位置开始大量出现超过100%的现象。随着损伤程度的不断加深，LVDT 位置变化逐渐加大，呈明显的上升趋势，直至产生相应故障代码。

图4 2.5 级放气活门LVDT 位置变化示意图Fig.4 Schematic diagram of LVDT position change of 2.5 bleed valve

因此，当LVDT 位置发生超过100%现象并明显增加时，通常代表放气活门发生损伤。因AMM 中规定无需对LPC 2.5 级放气系统进行常规孔探，机务人员不必在日常工作中对此系统进行孔探检查。为了监控活门状态，应重点关注LPC 2.5放气系统LVDT 信息，当LVDT 位置超过100%并有增加趋势时，应提前安排孔探检查，掌握损伤情况，并按照AMM 要求进行监控，避免发生影响飞行安全的事件。

3.2 预防

如前文所述，对于由外部附件引起的系统故障，航线机务人员应通过合理安排附件更换及按AMM 要求进行附件修理和测试来预防系统故障。对于因2.5级放气活门损伤造成的系统故障，从航线运行角度考虑，可通过加强2.5 级放气活门润滑工作来减小相关件的磨损进而起到预防损伤的作用。但润滑工作无法从根本上解决放气活门损伤问题，在发动机进厂修理时可对此问题进行修复和预防。针对此问题，IAE 已于2019 年第一季度颁发了新的服务通告。

服务通告要求改变衬套和销钉的直径以改变两者间的间隙，避免对放气活门环造成损伤。此外，还通过在放气活门环销钉孔外去除材料的方法，避免销钉和保持环发生旋转时造成放气活门环的损伤。发动机大修厂为客户提供发动机大修服务时，应按照客户要求和IAE 发布的服务通告对相关零件进行修理或改装以保证发动机在翼寿命。