劉磊

摘 要：喘振對航空發(fā)動機(jī)的工作危害甚大，先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)均設(shè)計(jì)完善的防喘系統(tǒng)防止發(fā)動機(jī)喘振。鑒于發(fā)動機(jī)喘振原理和防喘機(jī)理比較復(fù)雜和抽象，本文選取V2500發(fā)動機(jī)為研究對象，對其可調(diào)靜子葉片（VSV）防喘系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，結(jié)合飛機(jī)維修手冊和工卡，設(shè)計(jì)一種面板對V2500發(fā)動機(jī)的VSV防喘系統(tǒng)進(jìn)行模擬排故維修，以達(dá)到良好教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：V2500;VSV;喘振;模擬排故

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.001

1 引言

飛機(jī)發(fā)動機(jī)的喘振一般是指壓氣機(jī)的喘振，喘振會使壓氣機(jī)葉片斷裂，引起發(fā)動機(jī)熄火停車，嚴(yán)重威脅發(fā)動機(jī)安全工作[1]。因此在航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)和使用維護(hù)中，喘振問題一直是關(guān)注重點(diǎn)。對于在校學(xué)生而言，由于客觀條件限制，未能直接接觸和學(xué)習(xí)有關(guān)發(fā)動機(jī)喘振方面的知識，只通過課堂上理論學(xué)習(xí)很難理解這一抽象概念。因此通過研究發(fā)動機(jī)喘振相關(guān)知識，設(shè)計(jì)一種某機(jī)型的防喘系統(tǒng)模擬排故面板，直觀地演示發(fā)動機(jī)的防喘機(jī)構(gòu)工作過程，并結(jié)合相關(guān)機(jī)型的航空維修手冊，模擬如何排查防喘系統(tǒng)的故障并給出解決方案，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)相對直觀且容易，從而對航空發(fā)動機(jī)喘振以及發(fā)動機(jī)維護(hù)過程有著更為深刻的認(rèn)知。

2 V2500發(fā)動機(jī)的VSV防喘系統(tǒng)

由于壓氣機(jī)喘振的危害性極大，為了避免喘振現(xiàn)象的產(chǎn)生，現(xiàn)代先進(jìn)的民用航空發(fā)動機(jī)一般都會同時(shí)具備多種防喘機(jī)構(gòu)，防喘的機(jī)理各不相同。從代表性出發(fā)，可調(diào)靜子葉片（VSV）是在當(dāng)今民航客機(jī)上廣泛采用的高壓壓氣機(jī)防喘裝置，而V2500發(fā)動機(jī)則為150座級飛機(jī)配置的主流發(fā)動機(jī)，因此本文選取V2500發(fā)動機(jī)為研究機(jī)型，針對其主要的防喘機(jī)構(gòu)——壓氣機(jī)可調(diào)靜子葉片（VSV）防喘系統(tǒng)展開研究，制定具體的模擬排故方案。

2.1 V2500的防喘系統(tǒng)簡介

V2500發(fā)動機(jī)主要包括三種防喘機(jī)構(gòu)：采用雙軸結(jié)構(gòu)、放氣機(jī)構(gòu)和可調(diào)靜子葉片（VSV）系統(tǒng)。其中放氣機(jī)構(gòu)包括低壓壓氣機(jī)2.5級的放氣帶，高壓壓氣機(jī)第7級的三個(gè)放氣窗和第10級的一個(gè)放氣窗。而可調(diào)靜子葉片（VSV）系統(tǒng)采用了進(jìn)口導(dǎo)流葉片和前3級的靜子葉片可調(diào)的形式。通過調(diào)整高壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)流葉片和三級靜子葉片的角度，保證低壓壓氣機(jī)的氣體流量和高壓壓氣機(jī)的氣體流量匹配，這樣能在較寬的工作范圍內(nèi)使發(fā)動機(jī)保持正常的壓氣機(jī)特性，避免發(fā)動機(jī)發(fā)生喘振[2]。

2.2 V2500的VSV系統(tǒng)構(gòu)成

V2500的VSV系統(tǒng)簡圖如圖1所示。燃油計(jì)量組件（FMU）向可調(diào)靜子葉片作動筒提供高壓燃油，然后從低壓路回油，發(fā)動機(jī)電子控制器（EEC）接收高壓壓氣機(jī)的工作參數(shù)（壓氣機(jī)進(jìn)口總溫，高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等），通過進(jìn)行計(jì)算使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)和發(fā)動機(jī)電子控制器構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)來準(zhǔn)確控制作動筒的運(yùn)動[3]。VSV作動桿依靠中間的傳動機(jī)構(gòu)來控制進(jìn)口導(dǎo)向葉片和三級靜子葉片進(jìn)行轉(zhuǎn)向[4]，靜子葉片角度的偏離量可以影響進(jìn)入高壓壓氣機(jī)的氣流量，進(jìn)而促使高壓壓氣機(jī)和低壓壓氣機(jī)氣體流量的匹配，避免發(fā)動機(jī)發(fā)生喘振，提高壓氣機(jī)的工作效率和喘振裕度[5]。

發(fā)動機(jī)電子控制器通過接收高壓壓氣機(jī)的工作參數(shù)，并經(jīng)過計(jì)算和綜合校對，最后輸出一個(gè)電信號來控制位于可調(diào)靜子葉片作動筒里的力矩馬達(dá)（TM），達(dá)到控制高壓油路的開關(guān)和開合度的作用，從而準(zhǔn)確操控活塞的運(yùn)動。作動筒內(nèi)部的線性可變差動傳感器（LVDT）同時(shí)將活塞的位置信號以電信號的形式反饋到發(fā)動機(jī)電子控制器，構(gòu)成了可調(diào)靜子葉片系統(tǒng)的閉環(huán)控制，閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)在于控制精度很高。

2.3 V2500的VSV系統(tǒng)故障總結(jié)

V2500的VSV系統(tǒng)主要由可調(diào)靜子葉片作動筒、操縱環(huán)、搖臂、曲柄傳動機(jī)構(gòu)、進(jìn)口導(dǎo)流葉片、可調(diào)靜子葉片（VSV）和EEC組成。VSV系統(tǒng)會因?yàn)楦鞣N原因?qū)е鹿收稀＝?jīng)過深入研究并歸納總結(jié)，V2500的VSV系統(tǒng)的故障主要分為機(jī)械故障和電氣故障。具體的總結(jié)歸納如下：

機(jī)械結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的故障有：（1）VSV作動筒漏油;（2）運(yùn)動機(jī)構(gòu)摩擦過大;（3）操縱搖臂疲勞斷裂。

電氣故障有：（1）作動筒位置反饋出錯(cuò)（LVDT故障、LVDT反饋回路線路故障）;（2）連接電氣插頭老化、松動;（3）力矩馬達(dá)繞組故障;（4）N2傳感器繞組故障;（5）CIT傳感器故障;（6）EEC故障。

3 VSV系統(tǒng)模擬排故面板設(shè)計(jì)

3.1 面板總體布局設(shè)計(jì)

本文根據(jù)V2500發(fā)動機(jī)的VSV系統(tǒng)常見故障，參照了機(jī)務(wù)人員的實(shí)際維修工卡，設(shè)計(jì)出一種VSV系統(tǒng)的模擬排故面板，能夠簡單、清晰、直觀地將排故過程展示出來，見圖2 。為了實(shí)際的教學(xué)效果考慮，面板為長1.8米，寬1.2米的矩形。如圖2所示，整個(gè)演示面板分為三大部分，以黑色粗框線為分隔框，第一部分以圖1為基礎(chǔ)，經(jīng)過進(jìn)一步的細(xì)化體現(xiàn)出VSV系統(tǒng)中的主要結(jié)構(gòu)和部件，第二部分作為故障檢查和故障排除開關(guān)，第三部分是排故流程圖，用于指導(dǎo)怎樣排故和如何排故。下文將對演示面板中的三大組成部分進(jìn)行詳細(xì)地介紹。

3.2 VSV系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)

如圖3所示，在圖1的基礎(chǔ)上，首先將VSV作動筒部分細(xì)化，將其內(nèi)部的恒壓閥、減壓閥、力矩馬達(dá)和線性可變差動傳感器（LVDT）呈現(xiàn)出來。其次細(xì)化VSV機(jī)械組件部分，在其中添加出作動筒、搖臂和曲軸。燃油計(jì)量組件為主動間隙控制系統(tǒng)（ACC）、風(fēng)冷式滑油冷卻器活門控制系統(tǒng)（ACOC）、低壓級放氣系統(tǒng)和VSV系統(tǒng)供高壓燃油。在VSV系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)電子控制器（EEC）之間有力矩馬達(dá)電流和線性可變差動反饋聯(lián)系，并且發(fā)動機(jī)電子控制器將會在接受到高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速傳感器（N2）、壓氣機(jī)進(jìn)口溫度傳感器（CIT）和新件使用循環(huán)數(shù)（CSN）的數(shù)據(jù)下，通過校核來發(fā)送下一步的指令。VSV作動筒、VSV機(jī)械組件、搖臂、和VSV葉片之間通過機(jī)械傳動來聯(lián)結(jié)。

在演示面板中，將每一個(gè)部件設(shè)置成故障燈，另外設(shè)定兩個(gè)指示燈用來體現(xiàn)整個(gè)VSV系統(tǒng)處于正常狀態(tài)和非正常狀態(tài)，如圖3中右上角所示，其中綠燈亮起表示系統(tǒng)處于正常狀態(tài)，紅燈亮起處表示系統(tǒng)處于非正常狀態(tài)。

3.3 VSV系統(tǒng)排故流程設(shè)計(jì)

在對V2500發(fā)動機(jī)的VSV系統(tǒng)故障深入研究的基礎(chǔ)上，本文對機(jī)務(wù)人員日常維修工卡進(jìn)行研究，針對VSV系統(tǒng)的組成和具體的故障分布，設(shè)計(jì)具體的模擬排故流程，如圖4所示。

VSV系統(tǒng)是一個(gè)相對復(fù)雜的控制系統(tǒng)，故障大多因?yàn)椴煌考g的故障相互影響、誘導(dǎo)而成。當(dāng)VSV系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，第一步進(jìn)行故障診斷，檢查發(fā)動機(jī)的VSV控制系統(tǒng)、主動間隙控制系統(tǒng)、風(fēng)冷式滑油冷卻器活門控制器、發(fā)動機(jī)低壓級放氣系統(tǒng)都是由來自燃油計(jì)量組件的高壓燃油驅(qū)動的，如果發(fā)生兩個(gè)或兩個(gè)以上的系統(tǒng)一同失效，則可以判斷出故障來自燃油計(jì)量組件或者燃油增壓泵。如果僅僅是VSV控制系統(tǒng)發(fā)生故障，則檢查最近一次的飛行報(bào)告，將相關(guān)警告失效信息從ECAM中調(diào)出來。若警告ENGINE2 COMPRESSOR VANE的兩條信息是CHA VSV ACT/HC/EEC2和CHB VSV ACT/HC/EEC2，并同時(shí)滿足以下條件：引擎的新件使用循環(huán)數(shù)（CSN）大于2000，在起飛和爬升過程中ECAM的警告時(shí)間大于一分鐘，發(fā)動機(jī)出現(xiàn)了喘振現(xiàn)象、突破溫度界限或參數(shù)變化異常，出現(xiàn)了兩臺引擎持續(xù)的參數(shù)差異，那么故障是由于可調(diào)靜子葉片作動筒失效，需要及時(shí)修復(fù)或更新VSV作動筒。

3.4 VSV系統(tǒng)故障檢查和故障排除開關(guān)設(shè)計(jì)

如圖5所示，面板中設(shè)置了18個(gè)檢查開關(guān)和15個(gè)排故開關(guān)，分別對應(yīng)著相應(yīng)的部件、組件。在依照排故流程的前提下，先撥開檢查開關(guān)，若出現(xiàn)故障即燈未亮，后撥開排故開關(guān)。

VSV機(jī)械結(jié)構(gòu)檢查部位主要有作動筒、連桿、曲軸和搖臂。每一部分用一個(gè)LED燈來指示，并用一個(gè)總LED燈來指示VSV機(jī)械結(jié)構(gòu)是否存在問題。當(dāng)動筒、連桿、曲軸、搖臂有故障時(shí)，此燈不亮。每一個(gè)部件均有三個(gè)開關(guān)控制，其中一個(gè)開關(guān)為故障檢查開關(guān)，另兩個(gè)為故障設(shè)置開關(guān)和故障排除開關(guān)。如若事先把故障開關(guān)打開，則當(dāng)檢查到這一步時(shí)，按下故障檢查開關(guān)，LED燈是不亮的，代表此處有問題，那么需要按下故障排除開關(guān)進(jìn)行排故。

最終演示面板將呈現(xiàn)出的是：若該部件設(shè)定為故障件，那么在檢查此部件時(shí)，燈為滅，在完成正確的排故程序即打開相對應(yīng)的排故開關(guān)后，燈亮，說明此部件已處于正常狀態(tài)。經(jīng)過完整的排故流程后，所有的部件燈和正常狀態(tài)指示燈綠燈亮起，如果紅燈亮起，說明還有故障沒有排查完畢。

4 結(jié)語

本文主要以V2500航空發(fā)動機(jī)為研究背景，根據(jù)其壓氣機(jī)防喘系統(tǒng)中的一種——可調(diào)靜子葉片系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，了解其中的結(jié)構(gòu)部件、常見故障以及排故手段，再根據(jù)實(shí)際的維修工卡設(shè)計(jì)出一塊模擬排故面板，后續(xù)的會選用合適的材料制作出實(shí)物，作為實(shí)際教學(xué)用具，為民航系今后的教學(xué)實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)，使枯燥的理論知識學(xué)習(xí)變得具體化、形象化，使學(xué)生能夠直觀的感受現(xiàn)實(shí)機(jī)務(wù)工作中的流程。

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