馮曉 張恩翼

摘要：LEAP-1A發(fā)動機自投入使用以來發(fā)生多起起動活門故障，對航班的運行造成極大的影響，會直接導致航班取消或延誤。本文就LEAP-1A發(fā)動機起動活門的故障原因進行分析，建立基于QAR數(shù)據(jù)的起動活門狀態(tài)監(jiān)控模型，通過對起動空氣壓力關鍵參數(shù)的采集，提前捕捉到起動活門的失效狀態(tài)。通過實例驗證，該方法可以有效避免因起動活門失效導致的航班取消或延誤現(xiàn)象。

關鍵詞：LEAP-1A發(fā)動機；起動活門；QAR；狀態(tài)監(jiān)控

Keywords：LEAP-1A engine；starter air valve；QAR；condition monitoring

0 引言

裝備LEAP-1A發(fā)動機的A320neo飛機自2016年8月投入商用以來，截至2020年10月全球67家航空公司共運營了771架A320neo飛機，共計1681臺LEAP-1A發(fā)動機在役。LEAP-1A發(fā)動機以其高可靠性、高利用率以及出眾的燃油效率和低排放贏得了廣大用戶的青睞，但新設計在獲得性能提升的同時也出現(xiàn)了部件設計的不成熟和不穩(wěn)定等問題。

LEAP-1A發(fā)動機起動活門在引入之初就表現(xiàn)出極大的不穩(wěn)定性，故障率高。針對不同的件號所暴露出的問題，廠家不斷地進行技術升級，共經歷了P01、P03、P04和P05等4種不同的件號，但在引入P05部件后并沒有很好地降低故障率，反而暴露了新的問題，為此廠家發(fā)布服務通告，對于新發(fā)不再采用P05件號，而是再次引入P04件號的起動活門直到下次技術升級。目前的機隊同時保留了P04和P05件號，廠家暫時無法徹底解決設計缺陷問題，而對于新設計也無經驗可供借鑒，航空公司面臨較大的運行壓力。

1 故障分析

起動活門通過控制進入起動機的引氣達到控制發(fā)動機起動的目的，主要由活門本體、壓力傳感器、電磁活門組件、速率控制器、伺服本體、作動器組件構成（見圖1）?；铋T的開關通過電磁活門組件控制進入作動器打開腔和關閉腔的空氣量實現(xiàn)。

廠家針對起動活門的技術升級集中在電磁活門組件上。P03件號的缺陷是電磁活門內部推力桿和導軌之間間隙設計不合理，導致互相妨礙，阻止電磁活門的作動，進而導致活門無法打開和起動失敗[1]。P04件號是由于電樞涂層脫落導致電樞與線圈殼體之間摩擦力增加，電磁力不足以克服不斷增加的摩擦力，導致無法作動。廠家通過升級涂層工藝和增加電磁力來改進。P05件號是由于電磁活門內部電樞桿在球型止擋處發(fā)生嚴重的磨損，進而出現(xiàn)漏氣，導致活門無法完全打開[2]。

綜上所述，起動活門故障的主要原因是電磁活門組件無法正常工作所致，出現(xiàn)活門無法打開或無法完全打開現(xiàn)象。而當電磁活門內部作動桿向上移動時，則會出現(xiàn)活門無法關閉或無法完全關閉現(xiàn)象。

2 監(jiān)控模型

對于有設計缺陷的起動活門，運營人無法左右部件的設計和技術升級，只能通過參數(shù)監(jiān)控來提高部件的在翼可靠性。QAR（快速存取記錄器）用于記錄飛機運行中產生的大量數(shù)據(jù)，監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)和部件的性能，在航空領域得到了廣泛的應用[3]。本文嘗試基于QAR數(shù)據(jù)建立起動活門的監(jiān)控模型。

通過分析可知，QAR數(shù)據(jù)中可用于監(jiān)控的關鍵參數(shù)有兩個，分別是起動活門的開關狀態(tài)以及蝶形活門下游的引氣壓力值，由起動空氣壓力傳感器（SAP sensor）提供。QAR數(shù)據(jù)記錄的頻率為1s。為進一步表征起動空氣壓力P的變化特征，定義壓力變化率delta P為后一秒壓力值與前一秒壓力值之差。

圖2至圖4為起動活門狀態(tài)監(jiān)控趨勢圖，趨勢圖上三個參數(shù)從上到下依次表示delta P、起動空氣壓力值、起動活門開關狀態(tài)。當起動活門完全打開時，輸出值為1，否則為0。圖中列舉了部分活門故障前參數(shù)的變化特征。

通過對故障數(shù)據(jù)進行篩選并與正常參數(shù)進行對比分析，同時結合起動活門工作原理，可將監(jiān)控模型設置如下。

1）起動階段參數(shù)設置

a. 設置參數(shù)識別區(qū)間：從活門首次打開后10s開始至活門關閉前10s結束。

b. 統(tǒng)計變化率delta P大于2的次數(shù)，累計次數(shù)達到4次。

c. 在識別區(qū)間內起動空氣壓力最小值大于20。

同時滿足以上三個條件則觸發(fā)警告，認為起動活門有故障并即將發(fā)生失效。

2）巡航階段參數(shù)設置

該階段參數(shù)設置是為了識別起動活門空中打開的故障。

a. 識別區(qū)間：飛機的巡航階段。

b. 在識別區(qū)間內起動空氣壓力大于等于1psi。

同時滿足以上兩個條件則認為起動活門在空中出現(xiàn)空中打開或者無法關緊的現(xiàn)象。

將以上兩部分監(jiān)控邏輯以警告的形式設置在監(jiān)控系統(tǒng)內，當滿足觸發(fā)條件時即以郵件形式發(fā)送至工程師郵箱，可實現(xiàn)對起動活門的有效監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)潛在故障，并做出應對措施。

3 實例驗證

自設置警告邏輯以來，統(tǒng)計我司發(fā)生的起動活門故障次數(shù)及監(jiān)控的結果，共計發(fā)生18起起動活門故障，具體統(tǒng)計如表1所示。

其中，未觸發(fā)警告的12次故障在參數(shù)上沒有異常，且故障類型都為首次起動未打開、第二次自動起動成功。這類故障不會對航班產生任何影響。觸發(fā)警告的6次故障屬于人工操控才能起動，無法自動完成起動，對航班有影響，且警告觸發(fā)的時間比實際故障發(fā)生的時間早約3～7天?？梢?，該監(jiān)控模型可以有效地發(fā)現(xiàn)起動活門的潛在故障狀態(tài)，因此對起動活門的狀態(tài)進行監(jiān)控具有重要意義。

4 總結

本文分析了目前LEAP-1A機隊運行的起動活門設計缺陷，在暫時無法獲得技術改進的情況下，基于QAR數(shù)據(jù)建立了起動活門的監(jiān)控模型。通過實際應用驗證，該模型滿足起動活門狀態(tài)監(jiān)控的要求。

參考文獻

[1] LEAP-1A S/B 80-0003，Revision 001 [Z].

[2] LEAP-1A S/B 80-0008，Revision 002 [Z].

[3]巴塔西，李蕊，熊毅，等.基于QAR數(shù)據(jù)的民用飛機故障預測及驗證[J].計算機測量與控制，2019，27（10）：31-35.

作者簡介

馮曉，發(fā)動機主管工程師，負責CFM56-3B、CFM56-5B、LEAP-1A發(fā)動機工程管理工作。

張恩翼，發(fā)動機工程師，負責CFM56-3B、CFM56-5B、LEAP-1A發(fā)動機性能監(jiān)控工作。