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民用航空燃气涡轮发动机:CFM56—5B发动机燃油系统渗漏故障分析

2019-08-13

摘要:当今航空业和民用飞机中使用的高新技术越来越多。为了提高客机的远距离飞行和载客量,航空发动机性能不断提高,发动机产品不断升级换代,原理和结构也变的更加复杂,这些都为航空发动机的维护和故障的排除带来更大的挑战。本文主要以民航燃气涡轮发动机为例,对民用航空燃气涡轮发动机的工作原理、基本结构以及相互之间的气压流动和平衡进行了讨论。接着笔者通过调研文献和查阅书籍,对基于CFM56-5B系列发动机的飞机发生渗漏典型故障时的特征进行了了解,如发生尊龙d88燃油渗漏的主要原因包括由于气温的变化、部件的磨损和航线机务维护不当等原因。分析了如何快速准确诊断出发生故障的零件。最后讨论了发生某种故障时的应急措施和针对该系列发动机燃油系统的预防措施。


自2000年以来我国主要省会城市、部分地级市和大型旅游景点所在地都成功建设了自己的机场。乘坐航班出行已经成为寻常百姓的主要选择交通工具,但近年来因为飞机故障而导致的航班延误和取消的事例常有发生。例如发动机燃油系统工作状态不正常,会直接导致航空公司航班的延误或取消,最终会影响到航空公司的声誉和盈利。飞机燃油系统的供应是最为重要的,因此研究发动机燃油系统常见故障现象和对应的应急措施具有重要的现实意义和理论价值。


飞机的发动机在执行某个航班任务时,燃油系统较常见的问题之一,便是燃油渗漏故障,尤其是在冬季低温地区运营时,这种现象出现的机率会增加,对保障航班的正常完成任务是至关重要的。发动机启动是指利用启动机将发动机从静止状态加速到能够保持转速的慢车工作状态这一过程。它主要用于发动机的地面启动、发动机的冷转(干、湿两种冷转)和发动机在空中调整飞行高度时的重启动。由于飞机发动机启动过程中机身受压会发生剧烈变化,因此也是发动机等重要系统事故多发期。


1燃气涡轮发动机的主要结构

民用航空燃气涡轮发动机:CFM56—5B发动机燃油系统渗漏故障分析

发动机的基本结构和工作原理(图1)。


燃气涡轮发动机的部件包括进气道、风扇、压气机、燃烧室、涡轮、喷管以及附件传动部分,其中压气机、燃烧室和涡轮组成核心发动机。航空燃气发动机大体分为四种类型,涡轮喷气发动机、涡轮风扇发发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机。这些发动机的共同点是都有核心机部分,故统称为燃气涡轮发动机。


发动机工作的原理是,涡轮喷气发动机以空气作为工质,进气道将所需的外界空气以最小的流动损失送到压气机;压气机通过高速旋转的叶片对空气压缩作功,提高空气的压力;空气在燃烧室内和燃油混合燃烧,将燃料化学能转变成热能,生成高温高压的燃气;燃气在涡轮内膨胀,将燃气热能转变为机械能,驱动涡轮旋转,带动压气机;燃气在喷管内继续膨胀,加速燃气,燃气以较高速度排出,根据牛顿第三定律,产生推力。


2 CFM56-5B发动机燃油渗漏典型故障


2.1 CFM56-5发动机燃油系统介绍(图2)

民用航空燃气涡轮发动机:CFM56—5B发动机燃油系统渗漏故障分析

CFM56-5B发动机燃油系统提供燃油流量(FF)进入燃烧室、伺服燃油控制压缩机的空气流量,发动机间隙制系统,给发动机滑油和整体驱动发电机(IDG)滑油冷却,如图2所示。来自飞机油箱的燃油通过低压活门,然后经过燃油滑油热交换器(FOHE),冷却滑油同时自身温度得到升高。随后燃油被燃油泵增压,此时燃油被分成两个油路:一部分燃油在从高压燃油泵出来后到燃油计量活门,经过高压燃油关断活门、燃油流量传感器最终到达发动机燃油喷咀;另一部分燃油在燃油泵出来后经过伺服燃油加热器,到达HMU的伺服活门,在HUM中,伺服活门是由发动机的ECU的力矩马达来实现控制的,进而控制发动机几何外形。控制的对象有:


①瞬时放气活门(TBV);


②低压涡轮间隙控制(LPTACC);


③可调静子叶片(VSV);


④高压涡轮间隙控制(HPTACC);


⑤可调放气活门(VBV);


⑥燃油计量活门(FMV)。


伺服燃油和旁通活门的回油经过IDG滑油冷却器可以给IDG滑油进行冷却,最后流经燃油回油活门(FRV),FRV接受来发动机关车信号后,由ECU控制FRV关断。


2.2CFM56-5B发动机燃油渗漏的主要情况


燃油渗漏对于飞机或轮船舰艇等非陆地行使交通工具的危害是致命的。根据CFM国际公司的统计资料显示,2008年以后,CFM56-5B发动机燃油系统渗漏成为最为多发的故障,其中活门伺服燃油漏油,又是高压涡轮控制系统中易发生渗漏的部件之一,约占世界客运飞机每年非计划拆更换活门总量的30%,且发生渗漏的活门的在翼服役时间从8000到15000飞行小时不等,近年来有缩短的趋势。海航集团旗下的首都航空和西部航空共有空客A320系列飞机四十余架,根据海口基地总部技术组的统计,CFM56-5B发动机发生燃油渗漏的主要有以下几个部件:


①HPTCC主要是由于HPTCC活门呈橘皮表面状的活塞导致特氟龙封严磨损严重,从而引起燃油渗漏。


②VSV作动器,它主要是由于活塞杆端封严、活塞筒腔和活塞头端封严处出现划痕也会导致漏油的发生。


③VBV齿轮马达由于天气冷封严收缩导致漏油。


④HMU如果装配不当,零部件表面不干净未按照AMM手册中规定的顺序磅力矩,或者未按要求磅正确的力矩,此外还有衬套的破损等,都会导致燃油的渗漏。


2.3燃油渗漏应急处理方法


燃油渗漏可能发生在机场陆地上和航线经过的任意地点。针对不同的故障发生场合所要采取的应急处理方法也有所不同。此外CFM56-5B发动机余油排放系统复杂,处理燃油渗漏还需要拆除余油排放管路进行漏油源的确认判断。更换高压涡轮间隙控制活门至少需要4个小时以上的时间。因此,CFM56-5B发动机燃油渗漏故障发生时极易导致航班的延误或取消,给航空公司的运营带来很大的压力。


为此可参考以下方法应急处理渗漏排放桅杆口处(如图3)的燃油渗漏:


2.3.1静态渗漏(CFM56-5B发动机不运转)


①如果燃油渗漏率小于60滴/分钟,不需要采取维修措施。


②如果燃油渗漏率大于60滴/分钟,起动发动机,慢车运转5分钟后参照步骤(二)中的标准进行检查。(备注:当外界温度低于零下20摄氏度时,在没有运转的发动机或者起动过程中可能在渗漏排放口处发生燃油渗漏,燃油总管的余油除外)


2.3.2暖车5分钟之后,运转发动机的渗漏(动态渗漏)


①如果燃油渗漏率小于60滴/分钟,不需要采取维修措施。


②如果燃油渗漏率大于60滴/分钟,而小于90滴/分钟,必须在25个循环内采取维修措施。


③如果燃油渗漏率大于90滴/分钟,参照AMM TASK 71-00-00-790-005进行渗漏检查。


2.4民用航空飞机燃油渗漏实例


近年来在世界各地的主要航空公司,不管是波音还是空客公司的飞机执行冬季航班时都报告了多起燃油泄漏故障。2013年的冬季,海航集团旗下首都航空的一架飞机B-6199发动机类型为CFM56-5B,在执行飞行任务前机务人员发现发动机底部排油桅杆漏油。这时候机务人员在确认渗漏的油液是燃油并确定燃油的渗漏情况后,立刻将发动机的漏油情况通报了基地维修控制中心,笔者通过查找飞机的维护手册TASK-71-00-00-790-002-B找到漏油标准,发现飞机静态燃油渗漏是26滴/分钟,未超标(标准如图4),所以为保障航班正常运行,正常放行飞机。

民用航空燃气涡轮发动机:CFM56—5B发动机燃油系统渗漏故障分析

根据经验来看,一般漏油的部件为VSV作动器和VBV齿轮马达两个部件居多,主要是由于北方冬季寒冷的天气原因导致部件封严密封效果差,最终出现漏油的现象。在航线维护工作中这是很常见的一种现象,航空公司只有在飞机执行完航班后才能进行故障的排查,具体的根据维护手册AMM71-00-00-790-005-A识别出具体哪个部件漏油。手册中只说了将专用的塑料瓶安装在可能渗漏的渗漏源,根据多次的排故经验,我们可以打开发动机反推包皮,顺着发动机底部的排油桅杆断开其上游VBV(如图5)、VSV、TBV、LPTACC和HPTACC部件余油口堵头。


随后在断开处安装塑料瓶,并固定牢靠,然后关闭反推包皮,启动发动机慢车5分钟,关闭发动机,待发动机冷却一段时间后,打开反推包皮,观察看哪个部件余油口处塑料瓶有燃油,证明是该部件故障导致。B-6199飞机就是根据这种方法排查出VBV作动器故障原因导致,根据飞机维护手册更换新的VSV作动器,试车后测试正常,无燃油渗漏。


2.5预防措施


及时进行相关检查并做出相应的预防措施,对于减少故障发生是非常有利的。根据海南航空公司飞机机队的在翼使用情况调查,在冬季外界环境温度比较低时,CFM56-5B发动机上的封严和封圈在外界温度变化时会产生失效和加速老化,燃油渗漏发生的概率较高。在航班起飞前,可对发动机的余油口和油门阀等进行相关危险因素排查检修。在冬季或低温地区,飞机起飞前可以在室内常温下进行一定时间的暖车,如发动机启动5分钟后再驶向室外,可以显着减少飞机发动机系统燃油渗漏情况的发生。还可以检修活门,及时对活门的封严等进行升级和加固,对封严进行定时更换等。


对于高压涡轮间隙控制活门的伺服燃油漏油问题,可以采取定期翻修的解决措施,后期结合相应的服务通告进行改装和电子控制组件逻辑的系统升级。这种主动维修的理念为提高发动机安全使用性能和维护航班安全提供了广阔的思路和空间。


3总结


本文简要介绍了CFM56系列发动机的主要构件及其工作原理,此外还讨论了燃油系统典型故障的特征分析,针对以上对CFM56-5B发动机燃油系统的故障分析,我们提供了处理这些故障的应急措施。发动机的正常运行对于保障航班安全及排除故障能力具有重大的意义。在对飞机和系统原理特性充分掌握的基础上,结合手册灵活运用,才可以快速准确地诊断故障的源头所在,并采取相应的措施。在检查故障问题的工作中要抓住主要部分,由易而难循序渐进地进行尤其对一些关键部位和核心零件磨损的检查。论文研究结果对机组人员快速准确查找故障原因,做出相应的维修措施具有重要的指导意义。

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