航线运行中,机组反映某飞机2发N1加速到50%比1发慢2秒,航后排故,更换2发HMU,依据71-00-00-710-025-A做加速性检查,N1从30%到灵活起飞位减5%,实际加速时间为5秒,门槛值为7.5秒,在范围之内。
1.加速程序及加速裕度
1.1一次性加速程序
在飞机起飞从慢车加速时,某台发动机的加速性较另一台发动机缓慢,因此两台发动机的加速出现差值,引起较大的推力差,导致飞机在一定时间范围内推力不平衡(图1),影响飞行操作甚至危及飞行安全。
图1一次性加速程序
1.2 暂停功率位加速程序
实际上,由于各台发动机的状态不可能完全相同,有时确实存在加速不同步的情况,飞行员操作手册三要求飞行员在每次起飞时使用推力杆设置程序,该程序要求飞行员在起飞加速时,不是一次性地将推力杆从低慢车位推到起飞位,而是将推力杆先从低慢车位推到一个暂停功率位(对于A320系列飞机,CFM56发动机的暂停功率位为N1=50%,而V2500发动机的暂停功率位是EPR=1.05),待发动机稳定后再将推力杆从暂停功率位推到起飞位,从而有效控制整个发动机的起飞功率设置期间的加速差,见图2
图250%N1暂停功率的起飞加速程序
1.3 发动机加速裕度
发动机稳定状态工作线是发动机维持一个稳定状态转速的油气比,此工作线发生迁移是影响发动机加速性的根本原因,一个发动机的工作受发动机健康状况,发动机热状态,VSV轨迹和气动引气等条件影响,因此每台发动机的工作线是不同的,而且就算是同一台发动机,随着其使用时间和使用循环的增长,工作线也会发生改变,表现为较慢加速性的发动机的低转速稳定状态工作线表现出向上迁移,靠近固定的加速计划,从而减小加速裕度,进而使该发动机从低慢车加速时的加速性更慢。如图3
图3发动机加速裕度
针对B-2372飞机,2012年7月13日机组反映2发N1加速到50%比一发慢2秒,我们查阅当天的发动机日报,见表1
表1
机号 | 日期 | 发动机型号 | 序号 | 装机位置 | TSN | CSN |
2372 | 2012-7-13 | CFM56-5B*/P | 575854 | 1# | 23575.58 | 15042 |
2372 | 2012-7-13 | CFM56-5B*/P | 779885 | 2# | 33130.37 | 20711 |
可知,B-2372飞机2发比1发使用时间多出将近一万小时,使用循环多出将近六千个,因此,2发低转速稳定状态工作线在1发低转速稳定状态工作线之上是非常有可能的,也就是说有2发加速裕度比1发的加速裕度小的概率非常高,即使没有硬件故障的情况下,2发加速性也可能不如1发。
2. 工作线上移的原因
2.1 发动机健康状况
发动机内部机械损坏,发动机性能衰减以及发动机系统及传感器失效等状况的恶化都会使工作线向上迁移,可通过孔探检查,查阅发动机历史档案和发动机寿命来分析判断是否由于发动机健康问题引起稳定工作线的迁移。
2.2 VSV轨迹
VSV轨迹对于发动机低转速工作线的影响是很大的,VSV轨迹趋于其公差范围内开的一边,工作线将变低,相反,趋于其公差范围内关的一边,工作线将上移,出现过多次工作线迁移的原因是由于VSV轨迹在其关闭极限造成的,在此情况下,只须开大VSV,下移工作线,加速时间将下降,VSV动态调整即为此目的。对于B-2372飞机的发动机控制,为全权限数字发动机控制系统(FADEC),关于VSV系统我们不必考虑VSV控制问题,只须考虑硬件问题即可,在TSM71-00-00-810-807-A中我们也可以找到关于VSV的检查也只是进行了硬件方面的检查。
2.3 引气系统漏气
引气系统管路或部件漏气会造成发动机功率损失,从而引起工作线的迁移,以致于加速裕度降低。
3. 双发加速不一致分析
3.1 发动机控制系统
3.1.1 FADEC功能
CFM56-5B型发动机使用了全权限数字发动机控制系统(FADEC),主要包括以下功能:
稳态下发动机排气控制和安全限制内发动机瞬态操作、发动机限制保护、动力管理、发动机自动启动程序、反推控制、驾驶舱发动机参数指示、发动机状态参数监控、内部失效的探测隔离调节和记忆、燃油回油活门控制。
整个发动机控制系统中最核心的计算机为ECU,最重要执行部件为HMU。
3.1.2发动机控制参数
P0,PS12,PS3,T12,T25,T3,TC,T495,N1,N2,WF,VSV,VBV,FRV,HPTCC,LPTACC活门或作动筒位置信号等等(见图4),其中与我们所讨论的故障现象相关的参数也即燃油计量系统所需的参数为PS12和PS3。
PS12提供风扇出口静压值给ECU,PS3提供第九级压气机出口静压值给ECU,由于发动机为双转子结构,因此主要通过调节燃油供给量来控制N2和N1达到目标值,从而达到控制发动机推力的目的。
图4发动机控制参数
结合B-2372发动机2发加速慢的实例,我们进行如下分析:
根据伯努利方程P总=P静+动,在一定高度下,P总可视为定值,P静增大,P动必然减小,反之亦然,由于PS12和PS3周围有气流,存在动压,静压值始终低于周围的大气压,因此假如PS12或PS3管路破损漏气,则传递给ECU的压力值为管路周围大气压的值,必然高于实际静压值,因此ECU认为动压值高于实际值,也即N1或N2转速高,从而减少燃油供给,致使发动机转速降低。
同样,如若PS12或PS3管路堵塞,也会造成ECU接收到的静压值不准确,进而导致发动机的加速性变差。在TSM71-00-00-810-807-A中,我们看到关于PS3管路的检查程序,但是没有发现关于PS12及其管路的相关程序,在此保留疑问?
3.1.3 HMU与加速性的关系
HMU接收ECU的控制信号,并且通过力矩马达/伺服活门转换成以燃油为介质的液力信号来改变外部系统状态,如:VSV作动筒,HPTCC作动筒,LPTACC作动筒,RACSB作动筒,VBV马达,燃油流量计等(见图5)。
通过前面的分析,我们知道,VSV轨迹异常也会导致加速裕度的降低,造成发动机加速性变差,除了VSV硬件故障之外,还能造成VSV轨迹异常的便是HMU,另外,改变N1转速最终是通过改变燃油供给,而HMU中的燃油计量活门异常导致的燃油供给异常,同样会导致加速性变差的现象出现。
图5HMU与加速性
因此ECU和HMU作为发动机控制系统中的两个重要部件,任何一个出现异常都有可能造成发动机加速裕度的变化。
3.2 发动机引气
飞机发动机加速时,如果引气系统活门关不严,或者引气管路漏气,都会造成一定的功率损失,进而导致加速裕度的降低,现在结合B-2372飞机发动机引气系统分析可能造成加速性差的原因。
发动机引气系统包括HPV,IPC,下游有PRV,OPV,大翼防冰管路和空调系统还有相关的管路,如图6,因此如果排除是发动机健康状况的原因引起的加速裕度降低,则也可以从引气系统入手详细检查这些部件是否有漏气。
图6发动机引气系统
4. 结束语
通过上面的分析我们可以发现,此类故障有时可能是虚假故障,因为随着发动机寿命的增加,健康状况的恶化,会造成稳定状态工作线的上移,进而导致加速裕度的降低,出现发动机加速性变差的现象,这种情况下应该尽力避免两台寿命相差比较大的发动机装在同一架飞机上。
另外如果是健康状态好的发动机,比如新飞机的发动机或是老飞机安装的全新发动机出现了此类故障,则我们应侧重于判断为硬件故障,可以从发动机控制系统和引气系统着手排故。
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