陳俊逸

深圳航空有限責(zé)任公司維修工程部，深圳 518128

CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)N2轉(zhuǎn)速管理系統(tǒng)原理

陳俊逸

深圳航空有限責(zé)任公司維修工程部，深圳 518128

CFM56-3系列發(fā)動(dòng)機(jī)是由美國通用電氣公司（GE）和法國國營航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制公司（SNECMA）組成的國際公司（CFMI）研制生產(chǎn)的為波音B737-300/400/500型航空器翼吊發(fā)動(dòng)機(jī)；其N2轉(zhuǎn)速管理系統(tǒng)為飛機(jī)提供精確的燃油控制功能以防止發(fā)動(dòng)機(jī)超速及失速情況的發(fā)生。N2轉(zhuǎn)速管理系統(tǒng)主要通過接受發(fā)動(dòng)機(jī)的核心轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（N2）和動(dòng)力角（PLA）來控制燃油流量使發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速相符。

N2轉(zhuǎn)速管理系統(tǒng)；燃油計(jì)量活門FMV；核心轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N2；伺服活塞作動(dòng)筒；伺服活塞作動(dòng)筒流量控制閥；離心飛重；蓄能彈簧

N2 speed governing system；fuel metering valve；the physical core speed (N2)；governor servo piston；limit pilot valve；governor flyweight；governor restoring spring

引言

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)原理可知，發(fā)動(dòng)機(jī)N2和N1轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速分別取決于高低壓渦輪提供的渦輪功及N2和N1轉(zhuǎn)子需要的壓氣機(jī)功。若渦輪提供的渦輪功大于壓氣機(jī)當(dāng)時(shí)轉(zhuǎn)速下所需要的壓氣機(jī)功，那么轉(zhuǎn)速會(huì)上升，直到壓氣機(jī)所消耗的壓氣機(jī)功等于渦輪所提供的渦輪功。此時(shí)，轉(zhuǎn)子將穩(wěn)定在這一較高的新轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定工作，這就是發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)。同理當(dāng)渦輪提供的渦輪功低于該轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)所需要的壓氣機(jī)功，轉(zhuǎn)速將下降，直到壓氣機(jī)所消耗的壓氣機(jī)功等于渦輪所提供的渦輪功。此時(shí)，轉(zhuǎn)子將穩(wěn)定在這一較低的新轉(zhuǎn)速下。

既然已經(jīng)知道了轉(zhuǎn)速改變的根本原因，即渦輪功與壓氣機(jī)功大小，那么又是什么決定了渦輪功和壓氣機(jī)功的大小呢？在此，將對此作簡要分析。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，對進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體進(jìn)行壓縮，以提高燃燒效率，這勢必會(huì)消耗功，這部分功正是由渦輪提供的。壓氣機(jī)消耗功的大小取決于壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速和進(jìn)口氣流的參數(shù)，如流量、壓力和溫度。而渦輪提供的功取決于發(fā)動(dòng)機(jī)供油量。正常情況下，壓氣機(jī)所消耗的壓氣機(jī)功是不會(huì)突然改變的，因?yàn)榇髿鈪?shù)較穩(wěn)定。因此，可以通過改變發(fā)動(dòng)機(jī)供油量，控制渦輪提供的渦輪功的大小，從而改變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，繼而改變推力，實(shí)現(xiàn)對發(fā)動(dòng)機(jī)的基本控制。而CFM56-3系列發(fā)動(dòng)機(jī)流進(jìn)燃燒室的燃油流量由FMV（燃油計(jì)量活門）控制，其流過的燃油總量決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際推力同時(shí)也決定了核心轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（N2）。燃油計(jì)量活門根據(jù)目標(biāo)值的需要通過一個(gè)液壓機(jī)械連接的伺服活塞作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)控制燃油口的流量大小；而伺服活塞作動(dòng)筒的延伸或縮進(jìn)是由N2轉(zhuǎn)速管理器控制的。在N2轉(zhuǎn)速管理控制器中的活塞流量控制閥將根據(jù)CIT（壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度）、CBP（壓氣機(jī)引氣壓力）、CDP（壓氣機(jī)排氣壓力）、可調(diào)靜子葉片位置反饋及可調(diào)放氣活門位置反饋所給定的彈簧壓力與離心飛重的作用力調(diào)節(jié)內(nèi)部閥門的移動(dòng)；從而確定伺服油量流進(jìn)或流出伺服活塞作動(dòng)筒桶。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)定的核心轉(zhuǎn)子目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的比較將N2轉(zhuǎn)速管理器里的活塞流量控制閥工作狀態(tài)分為：等速、超速及欠速三種情況。

N2轉(zhuǎn)速管理系統(tǒng)通過與核心轉(zhuǎn)子機(jī)械連接的離心飛重間接獲得核心轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速N2；其離心力通過機(jī)械機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為活塞流量控制閥芯向上的作用力。蓄能彈簧根據(jù)各種選定的參數(shù)：PLA（動(dòng)力角）、地面慢車、PS12（風(fēng)扇進(jìn)氣壓力）、空中慢車、FIT（環(huán)境溫度）及力矩馬達(dá)對活塞流量控制閥芯施加了一個(gè)向下的反作用力。N2轉(zhuǎn)速管理系統(tǒng)通過比較發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速來確定活塞流量控制閥門的閥芯位置。

等速狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)設(shè)定轉(zhuǎn)速相等；離心飛重作用在活塞流量控制閥門向上的作用力與蓄能彈簧提供的反作用力達(dá)到平衡，閥芯在停留在“零位”，伺服活塞作動(dòng)筒內(nèi)的活塞靜止不動(dòng)，燃油計(jì)量活門保持均衡油量輸出，見圖1。

圖1

超速狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速大于目標(biāo)設(shè)定轉(zhuǎn)速；活塞流量控制閥門失去“零位”狀態(tài)。離心飛重在離心力的作用下向外擴(kuò)伸，并將離心力轉(zhuǎn)換為活塞流量控制閥門向上的作用力同時(shí)克服蓄能彈簧的作用力使閥芯向上移動(dòng)，打開回油油路使伺服活塞作動(dòng)筒回油縮進(jìn)，燃油計(jì)量活門依靠自身復(fù)位彈簧的作用順時(shí)針旋轉(zhuǎn)減少活門開口大小，從而減少供油量使發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速下降至目標(biāo)值使閥芯重新達(dá)到平衡，見圖2。

圖2

欠速狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速小于目標(biāo)設(shè)定轉(zhuǎn)速；離心飛重的離心作用力小于蓄能彈簧的作用力。活塞流量控制閥門的閥芯在蓄能彈簧的作用下向下移動(dòng)打開壓力油路，壓力油流進(jìn)伺服活塞作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)活塞伸出并克服燃油計(jì)量活門內(nèi)復(fù)位彈簧的作用力而逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)使計(jì)量活門開度增大；從而增大供油量使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加直至與目標(biāo)轉(zhuǎn)速平衡，活塞流量控制閥門重新達(dá)到“零位”，見圖3。

圖3

N2轉(zhuǎn)速管理系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的過程中通過接受發(fā)動(dòng)機(jī)的核心轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（N2）和動(dòng)力角（PLA）來提供精確的燃油流量控制，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速相符；是防止發(fā)動(dòng)機(jī)失速、超速及低燃油流量安全飛行的關(guān)鍵系統(tǒng)。

結(jié)論

如圖4MEC內(nèi)部的主體結(jié)構(gòu)如圖中的虛線框所示。燃油調(diào)節(jié)器，簡稱燃調(diào)，是供油量大小的最終決定部件。它由調(diào)節(jié)器伺服活塞驅(qū)動(dòng)，而伺服活塞由調(diào)節(jié)器分油活門控制，控制著它的運(yùn)動(dòng)方向。向左和向右運(yùn)動(dòng)即對應(yīng)著供油量的增大和減小。分油活門又與離心飛重機(jī)械相連，離心飛重由N2轉(zhuǎn)子帶動(dòng)，并被轉(zhuǎn)速給定彈簧壓緊。離心飛重的運(yùn)動(dòng)方向由離心力和彈簧力的大小決定。在穩(wěn)態(tài)，離心力與彈簧力相等，離心飛重保持不動(dòng)，此時(shí)與之相連的分油活門也處于中立位，不會(huì)改變供油量。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，離心飛重受到的離心力變大，原先給定的彈簧力小于離心力，故飛重將向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)了分油活門向上運(yùn)動(dòng)。分油活門一旦向上運(yùn)動(dòng)，就會(huì)打開減速油路，使伺服活塞向左運(yùn)動(dòng)，讓燃油調(diào)節(jié)器減小供油量。由于供油量的減小，轉(zhuǎn)速不然下降。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原來的數(shù)值時(shí)，飛重的離心力又與原先給定的彈簧力相等，離心飛重和分油活門都回到中立位。給定彈簧與油門桿機(jī)械連接，駕駛員操作油門桿到一定角度時(shí)，就對應(yīng)地給彈簧設(shè)定了一個(gè)彈簧力。當(dāng)飛重的離心力增大到這一給定值時(shí)就會(huì)穩(wěn)定在給定的轉(zhuǎn)速下工作。因此，MEC不僅能夠控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，還能穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，對偏差進(jìn)行糾正。

圖4

[1] Boeing737 300/400/500 AMM.THE BOEING COMPANY

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[10] CFM56-3 ENGINE SHOP MANUAL. THE CFMI[11] CFM56-3 T R A I N I N G M A N U A L COMPONENT IDENTIFICATION ANSWERBOOK. THE CFMI

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The principle of the N2 Speed Governing System to the CFM56-3 series engine

Chen Jun Yi

Department of Aerocraft Repair Engineering ,Shenzhen Airlines ,ShenZhen 518128

The CFM56-3 series engine is designed for the Boeing B737-300/400/500 aircraft as wing hoisting engine by the CFMI. The N2 speed governing system provides the correct amount of fuel to the engine for operation under different operating conditions. It protects the engine from stalling or over speeding. The N2 speed governing system senses the physical core speed (N2) and the power lever angle (PLA) and adjusts the fuel flow that is necessary to maintain the desired speed setting established by the PLA.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.09.064