V2500-A5 发动机排气温度真实超限分析

2024-01-17朱正琨

现代制造技术与装备 2023年11期

朱正琨

（四川航空股份有限公司，成都 610000）

发动机排气温度（Exhaust Gas Temperature，EGT）是发动机性能监控的重要参数。实际运行中，EGT 的相关警告和指示变化可能导致飞行员进行减推力或关车操作，这将影响航班的正常运行和飞行安全。为此，介绍了V2500-A5 发动机EGT 超限的影响因素和故障机制，结合外部环境和工作原理综合分析此类超限故障，并提出相关建议。

1 故障描述

某空中客车A320 系列飞机装配有V2500-A5 发动机，在北京短停滑出后触发“ENG 2 EGT OVER LIMIT”警告，译码快速存取记录器（Quick Access Recorder，QAR）数据发现双发EGT 最高达到619 ℃，超过610 ℃的时间总计181 s。

2 影响EGT 的因素

EGT 作为发动机重要的性能监控参数，反映了发动机的整体工作状态。影响EGT 的因素众多，大致可以分为外部因素和内部因素两大类。

2.1 外部因素

影响EGT 的外部因素有大气温度（Atmospheric Temperature，AOT）、海拔和外来物损伤（Foreign Object Debris，FOD）3 项。高温度和高海拔造成空气密度下降，而飞机的推力与空气质量流量成正比。为了达到所需推力，需要增加燃油流量以获得更高的风扇转速和涡轮前燃气总温，因此造成EGT 上升。对于V2500-A5 发动机，外界温度每增加1 ℃，EGT增加约3 ℃，以保证发动机的起飞推力恒定[1]。鸟击或FOD 可能导致进气道、压气机或涡轮等部件损伤，气路污染，引起空气流量减少，部件效率降低，发动位为保持恒定推力，也会增加燃油流量，使得EGT 上升。

2.2 内部因素

由于内部结构和工作状态，发动机的磨损、腐蚀和污染等问题不可避免，这些因素都将导致压气机和涡轮的效率降低。压气机主要体现在叶片腐蚀、叶轮轴磨损和气路污染等，这将影响压气机的流通能力和压缩效率。涡轮主要体现在叶片的烧蚀、叶尖间隙增大，从而降低气流对涡轮的做功效率。排除FOD 的直接影响，发动机效率降低是一个缓慢的过程，可以通过观察长期的EGT 趋势判断效率衰减程度。

发动机油路、气路或控制系统的故障将导致燃油室内油气比偏离计算值，从而影响气体燃烧，导致EGT 变化。电子发动机控制器（Electronic Engine Control，EEC）通过采集发动机状态数据，结合需求的高度、速度和油门杆角度计算出所需推力，并调整供油量使实际推力值达到指令值。同时，在飞机运行的不同阶段，为了保证压气机在设计工况下工作，EEC 通过改变进气角度和排气避免发动机喘振和失速，这将影响进入燃烧室的空气流量，最终富油燃烧导致EGT 升高。通过QAR 数据读取燃油流量（Fuel Flow，FF）、高压压气机可调静子叶片（Variable Stator Vane，VSV）、低压级放气活门（Beet Soil-Borne Virus，BSBV）、发动机压力比（Engine Pressure Ratio，EPR）和高压压气机转速N2等参数的变化趋势来判断系统故障[2]。

3 发动机各主要系统对EGT 的影响

EGT 参数的变化往往伴随其他参数的同步变化，这些参数的变化共同反映了部件的工作状况。分析部件在不同的发动机状态下的动作情况，配合监控参数的变化趋势，往往能够确定导致EGT 异常的根源[3]。油气比决定了燃烧室内的燃烧情况，反映发动机供油量与供气量的变化，并表现在EGT 上，因此EGT 的异常应主要研究发动机的供油与供气。

3.1 油路系统

燃油流量是发动机唯一的控制参量，通过EEC 精确计算。燃油计量组件（Fuel Metering Unit，FMU）作为执行机构，在所有的飞行操作下执行燃油流量控制，并向EEC 提供反馈。EEC 和FMU 为燃油流量的主控部件，其故障被探测和记录，外部无参数直接衡量EEC 和FMU 的工作状态，因此一般通过对比燃油流量趋势的连续性以及EEC 的故障信息记录来判断燃油系统故障。

3.2 气路系统

V2500-A5 发动机气路系统主要包括引气系统、防冰系统、BSBV、高压级放气活门、高压压气机VSV 等系统。对于引气与防冰系统，随着引气量的增加，造成燃烧室进口压力减少。EEC 判断转速偏低，会增加FF 和N2，此时EGT 也会有不同程度上升。

BSBV与VSV的位置均由EEC控制。EEC通过BSBV与VSV 自身的线性差动传感器（Linear Variable Differential Transformer，LVDT）信号来调整监控实际位置。低速时，低压机进气比核心机需求多，多余的空气通过BSBV 排到外部。在较高速时，BSBV 关闭，所有增压气体都进入核心发动机。在发动机低速向高速转变的过程中，BSBV 逐渐关闭。若BSBV 卡阻无法关闭，会导致EGT 快速上升，FF、N2上升。

此外，EEC 通过修正N2参数控制VSV 的开度。如果VSV 无法动作到位，会造成叶栅进口形成正负攻角，使得到达燃烧室的气体减少，EGT 上升[4]。

放气活门是额外的防喘机构，用于提高发动机启动和加减速情况下的飞机性能与稳定性。放气活门一共4 个，其中高压7 级放气活门3 个（7A、7B、7C），高压10 级放气活门1 个，每个活门都有1 个电磁阀控制，活门有弹簧保持在打开位。EEC 通过控制电磁阀的通电，让高压压气机出口空气P3作为伺服空气，P3作动使放气活门关闭。EEC 只有作动指令，活门具体的开关情况无法反馈到EEC。

放气活门在不同发动机状态下的工作情况不同。在启动前，4 个放气活门均打开，7B、7C 和10 级在达到慢车的过程中逐渐关闭。慢车和滑行过程中7A级放气活门打开，7C 级响应油门杆打开或关闭，7B和10 级关闭。由于发动机在低功率状态工作，7 级放气活门故障在打开位对EGT 影响较小，10 级放气活门故障在打开位会导致EGT 上升。

4 故障分析

4.1 发动机性能与指示判断

本研究案例故障发生地点在北京，外界温度38 ℃，为低海拔区域，飞机处于启动后滑行阶段。故障发生时和发生前均未发生鸟击和FOD 情况。近3 个月双发EGT 裕度在35 ℃左右。综合判断，该发动机受使用时间和夏季高温影响，存在一定的效率降低趋势，但是整体工作状态尚好，EGT 裕度足够。

FF 与EGT 上升趋势一致，燃油流量关断时EGT迅速下降，由此可以判断EGT 指示正常，EGT 真实超温。

4.2 故障源锁定

检查全权限数字发动机控制器（Full Authority Digital Engine Control，FADEC）的2 个通道，无相关部件故障信息。通过译码检查相关参数趋势，发现PB 值正常，趋势稳定，波动微小。VSV 开度与N2转速一致，BSVB 开关正常，FADEC 指令与反馈一致，可以判断BSBV 和VSV 机构动作正常。

故障触发时，双发启动完成，油门杆到达最小慢车位置。此时，大翼防冰和发动机防冰未开，压力调节器（Pressure Regulating Valve，PRV）引气压力正常。译码检查放气活门控制作动情况，飞机故障时的变化情况如图1 所示，其中N22为右发N2转速。由图1可以看到，7A 级放气活门一直保持打开，7B、7C、10 级都随着N2上升而关闭，证明活门开关情况与控制逻辑一致[5]。但是，放气活门的真实位置没有具体反馈，因此即使EEC 控制逻辑正确，也无法确认放气活门的具体位置和机械故障。同样，压气机、涡轮叶片的缺陷也无法判断，因此有必要测试放气活门和电磁阀，孔探压气机和涡轮叶片。

图1 故障飞机右发4 个放气活门随N2 的变化情况

通过孔探发现，压气机叶片和涡轮叶片均有不同程度损伤，但是仍然满足手册允许损伤范围。操作测试发现，7B、7C 和10 级放气活门关闭缓慢，7B、7C 级放气活门电磁阀约每操作4 次故障一次，最终更换所有的放气活门及其电磁阀。排故完成后多次试车，最小慢车功率下，EGT 大约520 ℃，比排故前下降80 ℃左右。最大起飞功率下，EGT 峰值为614 ℃，距离EGT 红线36 ℃，与排气温度余量（Exhaust Gas Temperature Margin，EGTM）监控值一致。