CFM56发动机控制原理及常见故障分析

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　　[摘 要] 航空发动机一直是民航飞机的核心产业和技术。目前，世界上主要由六家发动机制造商，他们是美国CFM国际发动机公司、美国通用电气公司、英国罗尔斯·罗伊斯公司、美国普拉特·惠特尼公司（Pratt & Whitney）、美国国际航空发动机公司、美国发动机联盟（GE-P&W Engine Alliance）。目前，国产大飞机C919选装了美国通用电气公司的Leap发动机，而国产支线飞机ARJ21选装了国际发动机公司的CFM34。为了国内航空发动机技术的发展，根据有限的资料及实际维护经验对CFM公司的经典机型（CFM56-3）的原理和常见故障进行了分析和推导。
　　[关键词] 发动机;可变静子叶片;可变放气活门;压气机;涡轮
　　[作者简介] 宗宏钧（1975—），男，高级工程师，工学硕士，AMECO贵阳分公司技术支援部经理，研究方向：飞机机电工程（通讯作者）;肖敏（1979—），女（布依族），工学硕士，北京飞机维修工程有限公司贵阳分公司工程师，研究方向：计算机体系结构。
　　[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）19-0323-03    [收稿日期] 2019-10-17
　　 CFN56-3发动机由4大部分组成：FAN MAJOR MODUL，CORE ENGING MAJOR MODUL，LPT MAJOR MODUL，ACCESSORY GEARBOX，如图1。
　　主要低压部件包括1级风扇，1级风扇出口导向叶片，3级低压压气机转子，4级低压压气机静子，由4级低压涡轮驱动。高压部件包括9级高压压气机转子，1级可调进口导向叶片，3级可调静子叶片，5级静子叶片，由一级高压涡轮驱动，如图2所示。
　　CFM56-3发动机控制核心包括液压机械部件MEC（主发动机控制器）和电气部件PMC（推力管理计算机）。其中PMC对N1转速进行微调，由于该发动机是由N1产生78%的推力，所以N1转速是衡量和指示推力的标准，控制N1也是发动机控制的最终目标。MEC是控制发动机的N2转速，即根据所需的N1调节合适的燃油流量而控制得到合适的N2。由于CFM56-3的N1和N2是气动连接的，他们之间没有直接的机械传动关系，因此发动机的核心控制环是N2作为控制目标的，而控制N2的基本手段就是由MEC调节燃油流量。
　　PMC（推力管理计算机）：因为最后表针发动机推力的量是N1而非N2，所以引入PMC，PMC监控发动机的N1，T12（发动机进口温度），PS12（发动机进口压力），PLA（推力杆角度）。它根据T12，PS12，以计算在任何气象条件下，相同的PLA具有相同的转速百分比，这个就是目标N1，它与实际N1比较得出差值信号送到MEC，使MEC微调供油量以修正N1。当PMC感受的传感器故障时，PMC无法感受所需要的数据既按其内部的列表控制N1或者直接断开PMC的控制。
　　CBP（压气机引气压力）：当发动机工作时，压气机引气给空调使用，导致发动机进气量减小，发动机会损失一部分功率，为了弥补引气造成的功率损失，将CBP信号送到MEC使MEC修正供油量保证发动机运转在要求的功率。在低速工作时，发动机用9级引气，此时进气损失大，CBP起作用，给MEC信号使MEC提高燃油流量，以补偿转速。高速时，5级引气，损失小，CBP不起作用。
　　VSV（高压压气机可变静子叶片）：由于高压压气机转速变化，由速度三角形可知高压压气机转子出来进入静子的气流攻角也在变化，且N2越大，高压压气机转速越大，攻角越朝切向偏移。此时若静子叶片攻角不变，会造成叶背失速，局部压力急剧下降，这就会形成气栓，气流停顿（甚至倒流）。燃烧室得不到足够的气流，就会有燃油过剩。发生失速的叶片前压力不断积蓄，当压力达到一定大时冲破气栓，大量空气进入燃烧室与过剩的燃油燃烧。这就发生了喘振，严重时就发生放炮。所以把高压压气机的进口导向叶片和前3级静子叶片设计成可调攻角的以满足不同转速下进气的需要，这就是VSV，VSV的作动器安装在反推包皮下大约3点和9点位置，靠近反推前部。VSV是油MEC控制的，同时把反馈信号送回MEC。在发动机的整个工作过程中VSV在开和关位之间运动。N2=0时全关（与轴向角度最大），随着N2增大VSV增大，当N2=88%N2时，VSV全开。VSV的实际控制关系是由MEC接收N2和CIT（高压压气机进口温度，用于计算进入高压压气机的空气量，也就是计算气流的轴向速度），有了这两个参数就可以计算出当时的气流真实速度，这就得到了VSV修正的目标值。
　　VBV（可变放气活门）：VBV由MEC控制，安裝在低压压气机出口，高压压气机进口，总共有12个放气活门，VBV作动器安装在反推包皮下大约10～11点位置，比VSV作动器还要靠前。由于沿发动机轴向压气机的进口面积是收缩的，所以低速时，压气机的功率不足以把所有的气体压缩使之进入燃烧室，若无VBV会使压气机后级压力过大，前面的空气无法被吸入从而引起喘振。所以，为了使发动机在低速时候能稳定工作引入VBV。VBV在低速时是全开的，当N2达到88%真实N2时，VBV迅速关闭，使发动机在高速时压气机有足够的进气量。同时VBV的外形设计能防止外来物和雨水进入内涵道，防止暴雨天气发动机在低速时熄火。VBV是由N2和VSV共同控制的。
　　下面以启动过程来说明发动机控制的过程：启动电门放到GND位，启动机带动N2旋转。N2↑，MEC感受到启动手柄提起N2↑则开始控制作用，MEC感受T2和PS12，通过T2，PS12慢车位置的PLA计算出当时气象条件下的目标N2（既不同气象条件相同的慢车PLA应该具有相同的N2百分比）应该具有的稳态供油量，同时计算出当前N2和目标N2的是否具有差值以决定是以加速运转还是稳态运转。同时MEC感受CIT和CDP以计算适时进入燃烧室的空气量，由此计算加速需供入燃烧室的燃油量。当N2接近目标N2时逐渐减少供油量以减少加速度，最后在N2达到目标N2时进入稳态供油。 　　慢車控制：在稳态的慢车状况下，MEC感受T2和PS12做稳态控制，所以说T2和PS12是稳态参数。
　　HPTCCV（高压涡轮间隙控制活门）的作用：从高压压气机引气加热机匣，让发动机机匣和涡轮同步膨胀，防止涡轮高温下膨胀撞上风扇机匣;实时调整引气的来源，减少高压涡轮和机匣之间的间歇以减少漏气，提高涡轮效率。
　　具体控制如下：慢车：9级引气加热机匣;起飞：突然加大功率，为了防止HPT撞上机匣，9级引气加热机匣;爬升：安全和效率综合考虑，9，5级共同引气加热机匣;巡航：由于飞行的大部分时间处于巡航状态，故在巡航时设计为高效率，5级引气加热机匣。
　　相对于CFM56-3B1，CFM56-3C1对HPTCCV作了改进，加了一个定时器以改善起飞时的效率。具体控制如下：初始推油门加速时，HPTCCV不引气，HPT迅速膨胀涡轮间歇迅速减小，若干秒后，5级引气加热机匣，增大机匣膨胀速度，180秒，9级引气，更增大机匣膨胀速度。以此提高起飞时的效率。
　　故障分析举例：
　　故障A。原因：VBV部分门故障不能正常关闭。现象：起飞时发动机排气温度EGT急剧上升超温，N1保持不变，N2急剧上升。分析：起飞时处于大功率状态，VBV应该处于全关位置，当VBV故障打开后，内涵的气被放掉一部分，致使内涵做功气流减少，做功的气体膨胀率减小，使N2下降，N1下降。此时MEC增加供油以保持N2，PMC也给MEC增加供油信号以保持N1，而控制N1具有最高的优先级，既优先保证N1，所以为了保证N1会使N2升高，供油增加使EGT升高。同时，由于PMC的控制范围在大约5%以内，当VBV打开使N1下降超过这个范围PMC将无法修正，此时自动油门计算机将介入控制，自动油门计算机感受的最终调节的目标是N1，所以自动油门计算机感受到N1下降后会自动前推油门杆，增大PLA，因此通过分析可知，此时有可能可观察到油门杆前移。
　　故障B。原因：PMC的N1调定系统故障。现象：双发飞行中N1保持一致，但油门杆位置不一致，对自动油门计算机系统进行测试可知自动油门计算机系统无故障。分析：自动油门计算机的功用是调定飞行中双发的N1在所需的调定值，当PMC系统故障时无法精调或错误的调定N1，使N1在PMC调定下发生偏移，N1的偏移使之不符合自动油门计算机的要求。自动油门计算机将调节PLA，这就使得油门杆发生偏移。
　　故障C。原因：PS12传感系统故障。现象：运转中的发动机发生转速摆动，无法稳定。分析：在加速过程中正常表示动态参数正常，在稳态工作时无法稳定很大程度上判断是稳态参数发生错误。稳态参数就是T2，T12，PS12，而T2，T12这两个参数在正常时几乎没有波动，MEC，PMC对这两个参数的采集频率比PS12低，敏感程度也比PS12低，所以分析故障的来源很大可能上是PS12故障所引起。
　　故障D。原因：CIT，CDP（高压压气机出口压力），VSV故障。现象：转速悬挂，热启动（VSV）。分析：具体加速的过程是这样的：MEC感觉N2与目标N2是否一致，若N2低于目标N2则MEC发出加速指令，保证供油量大于稳定供油的供油量，此时MEC感受CIT和CDP以测定实际进入燃烧室的空气量，以此决定到底多喷多少油从而调节计量活门。所以可看出当CIT偏高和CDP偏低故障时，MEC无法得到真实的空气量，MEC认为进入燃烧室的空气量少于实际进气量，所以MEC调定的供油比实际需要的供油少，造成悬挂和启动慢。当VSV故障时，实际进气量减少，使CDP下降，故供油量也减少，也造成悬挂和启动慢，同时由于N2无法上升，MEC将增大供油量，与CIT，CDP故障不同，这时是实际气少，而不是传感器故障，所以气少油多有可能造成超温，既热启动。
　　参考文献
　　[1]BOEING737-300/400/500 Aircraft Maintenance Manual BOEING PROPRIETARY Copyright（C） Jun.05/12.
　　[2]BOEING737-300/400/500 Aircraft Illustrated Parts Catalog BOEING PROPRIETARY Copyright（C） Jun.05/12.
　　[3]BOEING737-300/400/500 System Schematic diagram Manual  BOEING PROPRIETARY Copyright（C） Jun.05/12.
　　CFM56-3 Engine Control Principle and Common Faults Analysis
　　ZONG Hong-jun1*，XIAO Min2
　　（1. Department of Technical Support， AMECO Guiyang Branch，Guiyang， Guizhou 550012， China;
　　2. College of Computer Science and Technology， Guizhou University， Guiyang， Guizhou 550025， China）
　　Abstract：Aviation engine has always been the core industry and technology of civil aviation aircraft. Currently， there are mainly six engine manufacturers in the world. They are CFM International Engine Company， General Electric Company， Rolls-Royce Company， Pratt & Whitney， Aero Engine Company and GE-P&W Engine Alliance. The C919 is equipped with GE's Leap engine， while the ARJ21 with the CFM34. These engine suppliers have done a very good job in keeping technical confidentiality， and the technical information provided makes it impossible for customers to understand the internal control logic of the engine. In order to promote the development of the domestic aviation engine technology， this article analyzes and deduces the principles and common faults of CFM classic models （CFM56-3） based on the limited data and actual maintenance experience.
　　Key words：engine; VSV; VBV; compressor; turbine
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