CFM56-5 发动机VBV系统故障分析

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摘要：

根据厂家CMFI报告，从CFM56-5发动机可变放气活门系统（VBV系统）的组成以及FADEC系统对VBV系统的控制逻辑入手，分析了导致CFM56-5发动机VBV系统故障可能的设计因素和维护因素，指出了排故方法和维护提示。

CFM56系列发动机是大涵道比，双转子轴流式发动机，在70年代CFM国际合作部设计制造。其中CFM国际合作部由美国通用电气公司(GE)和法国国营航空发动机研究制造公司(SNECMA)联合组成国际公司。CFM56-5这个型号的发动机安装在空客A320系列上，由于发动机可靠性高、维护简易、营运成本低等特点。

尽管该发动机总体性能好，可靠性高，但在使用过程中其VBV系统出了问题。根据厂家CMFI统计，2012年6月-2012年10月，因VBV系统出现故障而导致飞机延误多达20次。厂家根据VBV系统出现故障的多样性不断更新服务通告，维护提示，改良VBV系统中的组件，提高VBV系统工作的可靠性。

针对CFM56-5发动机VBV系统故障现状，本文根据厂家对于VBV系统设计报告，使用维护过程中由人为因素导致的故障原因，提供解决CFM56-5发动机VBV系统故障排除方法。

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VBV系统是发动机空气系统的重要组成

发动机工作过程中，VBV系统扮演这极其重要的角色。VBV系统和VSV系统是发动机空气系统的重要组成部分,这两个系统都是用来防止发动机喘振的系统。

其中VSV系统时在发动机在恒速工作或者加速工作过程中，调节压气机前4级静子叶片角度而防止喘振；VBV系统则是调节放气活门的开关，而防止低压压气机出口处喘振。

当发动机在低速工作或者减速工作时，VBV活门全开，把多余的气体排到外涵道去；当发动机在恒速工作或者加速工作时，VBV活门全关，让低压压气机出口的高压气体完全进入高压压气机保证发动机工作正常。由此可见，VBV系统在发动机运转时候，起着重要角色。

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VBV系统的组件

VBV系统组件见图1：

 

图1. VBV系统结构图

如图1所示:

1.主放气活门 

2.放气活门反馈连杆

3.止动机构 

4.位置反馈电门 

5.VBV齿轮马达 

6.安装盖板的格栅 

7.放气活门相互连接的软轴

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VBV系统工作原理

VBV作动系统部件的组成

VBV齿轮马达在发动机的9点钟位置；1个主活门和11个从动活门；在发动机的3点钟位置有VBV同步钢索止动点，可以人工操作VBV活门的开关。

VBV系统的12个放气活门安装在低压压气机的出口处，VBV齿轮马达通过一根柔性软轴，穿过机械止动机构带动VBV主放气活门，VBV主放气活门通过11根柔性软轴带动从动活门，VBV位置传感器(RVDT)安装在止动机构上，由一根可调机械连杆连接VBV主活门和VBV位置传感器。

VBV系统由FADEC系统控制，液压机械式组件(HMU)提供伺服燃油作动VBV齿轮马达。

VBV系统工作过程

由FADEC系统的核心电子控制组件(ECU)根据飞机的状态给出控制电信号到液压机械式组件(HMU)，液压机械式组件(HMU)调节供给到VBV齿轮马达工作伺服燃油的压力，带动VBV齿轮马达转动从而带动主活门工作，主活门带动同步钢索传递扭力给从动活门，因此，能保证12个活门同步工作。

在VBV系统工作过程中，主要有4个工作步骤：

第一步，FADEC系统给出控制信号到液压机械式组件(HMU)，液压机械式组件(HMU)调节适当的伺服燃油压力带动VBV齿轮马达工作，让活门打开到达FADEC系统输出指令位置；

第二步，12个活门均由机械同步软轴联动；

第三步，主活门实际的位移作为反馈信号给到了VBV位置反馈电门；

第四步，VBV位置反馈电门提供反馈信号给FADEC系统作为闭环控制。

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VBV系统的控制逻辑

FADEC系统根据飞机的飞行状态，以及发动机的工作状态控制VBV系统的工作状态。

当发动机低速或者减速工作状态下，VBV全开，使进入高压压气机的空气总流量减少，匹配高压压气机输出功率。

当发动机加速或者匀速工作状态下，VBV全关，保证进入高压压气机空气总量，匹配高压压气机输出功率。

FADEC系统根据风扇转速N₁、修正风扇转速N_1K12、修正核心机转速N_2K25、外界大气压力P₀、T₂、T₂₅、VSV位置、油门杆角度TRA等参数来给出VBV系统的控制逻辑。分别是：

1、VBV系统指令值：VBV系统基本控制规律，由修正风扇转速N_1K12的函数提供。

2、VBV系统修正值：根据VBV修正核心转速偏差计算而来，为了匹配两台发动机输出功率，需要计算双发实时匹配程度率。该匹配程度率是根据低压压气机流量的参数N_1K12、T₂、T₂₅；高压压气机状态的参数N_2K25；VSV实际位置来计算。

3、VBV系统开度值：根据VBV系统修正值和VBV指令值计算的，该值必须满足VBV系统控制逻辑。

4、VBV反馈补偿值：该值由发动机油门杆(TRA)给出。

5、恶劣气候超控功能：FADEC系统从大气数据计算机得到的外界大气压力P₀，风扇转速N₁，来控制VBV活门开度以防止发动机熄火。

6.VBV活门保护逻辑：FADEC系统控制VBV活门打开或者关闭的速率，减少活门机械组件的磨损。

7.VBV系统测试功能：使用FADEC系统对VBV系统进行地面测试时，可以启动慢车渗漏测试，同时还可以在驾驶舱MCDU检查VBV活门的开度是否满足维护手册的要求

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VBV系统可能出现的故障及其原因

VBV系统常见的故障有活门卡阻、软轴打滑、止动机构卡阻、VBV齿轮马达漏油等故障。

1.止动机构：

1).厂家已经确认生产制造中有一批缺少加注油脂因而造成磨损;

2).因缺少油脂的磨损发生在使用时间大于15,000小时。

2.齿轮马达:

1)有少量的磨损情况很可能是由于漏燃油或者转动力矩过量所致;

2).有的是因止动机构的卡阻造成的二次损伤

3.放气活门:

厂家已经对放气活门进行改装，对放气活门加装一个注油嘴，每相隔一定的飞行小时，就对活门进行注油润滑。

4.软轴的疲劳断裂：

有部分软轴由于承受过大的扭矩，软轴疲劳二次断裂。因此，要对软轴进行定期的检查。

 图2.VBV系统 疲劳断裂钢索

当软轴出现故障的时候，可以监控EGT漂移变化来进行探测。

 

图3.EGT漂移探测

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VBV系统在维护中应该注意的事项

1、在安装VBV齿轮马达的时候，要注意止动机构里面的主软轴在安装过程中不能有卡阻现象。

所以我们完成安装后一定要对VBV机构进行操作测试，并且保证活门在全行程工作过程不出现卡阻。否则，表示VBV止动机构主软轴没有安装完好，或其它的部件有卡组。（如图4）

 图4.VBV系统止动机构

2、在更换、安装位置反馈电门时需要注意两点，

一是要用手扳动反馈电门本身的弹簧机构检查是否失去弹力。

一是安装好之后要注意检查。调节位的线是否对齐，如果没有对齐，那么就要调节反馈连接使之对齐。（如图5） 

 

图5.VBV系统位置反馈电门(RVDT)

3、当拆卸主放气活门，要注意不要掉东西进去，如果有东西掉进去，就直接到压气机里面。（有两个白色的塑料垫片容易在拆卸过程中被忽略，导致掉落也没有发现），这个在维护过程中要谨慎小心。

 

图6.VBV系统放气活门

位置反馈连杆连接在主放气活门和位置传感器上，由VBV齿轮马达驱动，其他11个放气活门由主放气活门通过钢索同步带动。

4、对于VBV系统软轴的检查和分析。

VBV系统软轴有两种，一种是11个放气活门相互连接；一种是VBV齿轮马达和止动机构与主放气活门连接的主软轴。

 图7.VBV系统主软轴与次软轴

 如图7可以看出，这两种软轴的构型是一端有弹簧，一端是梅花齿轮。在检查过程中要注意测量梅花齿轮端的尺寸是否符合AMM上的要求，还有软轴中部的弹簧是否磨损或者弹簧之间是否出现不一致。

5、完成所有更换工作之后，一定要用专用工具人工作动活门全行程作动几次，以防止安装错误，导致VBV系统部件卡死。

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结语

本文应用故障分类分析，重点介绍了CFM56-5发动机VBV系统工作原理，对VBV系统失效故障进行了定性分析。这些方法已经实际运用到我公司排故工作中，队减少事故的发生、保障飞机安全、缩短排故时间具有重要的实践意义。