V2500發動機執行升級VSV作動筒作動力矩淺析及思考

唐寧

摘 要：V2500發動機自A5型號裝在空客A320系列上以來，具有較好的經濟性和穩定性。為了進一步提高發動機在翼穩定性，IAE自2014年起就著手研究升級V2500發動機的VSV作動筒作動力矩。本文簡要介紹V2500發動機特點及其VSV改裝的歷程，參考空客及IAE的服務通告并結合現場工作實際，對升級V2500的VSV作動筒緣由以及升級以后遇到的放氣問題進行討論。

關鍵詞：V2500發動機;VSV作動筒;失速;放氣

V2500發動機是由IAE（國際航空發動機公司）設計生產，其A5型號裝備于空客A320系列飛機，采用了無葉間凸臺寬弦空心風扇葉片、“浮壁”燃燒室和單晶渦輪葉片和粉末冶金渦輪盤等主要技術手段。其對比競爭對手CFM56在燃油節省上有一定的優勢。

VSV（可調靜止葉片）系統是V2500高壓壓氣機氣流控制及防喘系統的重要組成部分，它主要由作動筒和其對應的驅動機構、靜止葉片組成。它的主要作用是調整高壓壓氣機前4級（包括進口導向葉片和3級高壓靜子葉片）氣流符合其對應轉子的空氣動力學要求，使得發動機在全功率范圍內保證良好的性能，防止發生失速、喘振的發生。另外，該VSV系統一定程度上控制了氣流量的大小，降低了壓氣機中氣流的各種損耗，提升了壓氣機的運作效率，使得燃油消耗有一定的降低。VSV的驅動力由發動機系統的燃油泵增壓燃油經過FMU（燃油計量組件）后獲得，其控制主要依賴發動機當時的工況由EEC（發動機電子控制）發出指令控制其在N2（高壓壓氣機轉子）轉速下的打開與關閉。其中EEC依據的高壓轉子轉速并不是直接由轉速傳感器直接獲得的實際數據，而是根據當前高壓轉子的實際轉速結合當前的發動機進氣溫度、壓力等計算出的一個轉換高壓轉子轉速。對于VSV系統來說，如果VSV系統無法控制，它的失效安全位是完全打開狀態，這可以最大限度的保證發動機可控、安全。

VSV系統主要的作動元件為VSV作動筒，它安裝在高壓壓氣機機匣前下部，通過自身的液壓力矩馬達精確控制作動筒的伸長長度從而控制靜子葉片以及進口導向葉片的偏轉角度。VSV作動筒主要包括伺服閥、液壓力矩馬達、降壓調節閥、LVDT（線性可辨差動傳感器）等。伺服閥在降壓調節閥的共同作用下，對作動筒兩端的伺服燃油流量調整，從而是作動筒的移動精確對應電信號的驅動;液壓力矩馬達主要在恒壓控制閥的作用下工作，恒壓控制閥控制其上端的壓力始終高于回油壓力180PSI，保證控制源頭準確，力矩馬達控制液壓油路便于下游伺服閥和降壓調節閥正常工作;降壓調節閥主要調節供給伺服閥的壓力，保證其經過計量口的壓降始終維持在68PSI，以維持伺服閥的控制精度;LVDT主要是閉環控制的反饋傳感器，用于反饋當前作動筒的位置，進一步提高作動筒的控制精度。值得注意的是，由于LVDT是通過一個軸承組件連接在作動筒上，所以這也保證了作動筒的活塞是可以360度旋轉。

VSV系統的機械部件主要包括各種連桿、拉桿、曲軸機構、旋轉桿和可調節的靜子葉片，當作動筒的活塞前后移動時，活塞連接的連桿也被拉動，從而帶動曲軸機構旋轉，曲軸機構旋轉將帶動四級可調靜子葉片轉動，如下圖所示：

自從V2500安裝到A320飛機以來，IAE針對高壓壓氣機前幾級的缺陷或問題做過多次修正，例如：針對高壓壓氣機3級葉片葉間凸臺規則磨損導致發動機提前更換甚至三級葉片直接斷裂的惡性事件，IAE發布了服務通告SB72-0487加大了凸臺的接觸面積，改進了凸臺的涂層;針對高壓壓氣機4級葉片和5及葉片斷裂問題，IAE發布了服務通告SB72-0505和SB72-0586通過超聲波檢查的方式降低了葉片在運行過程中斷裂的可能性;針對高壓壓氣機6級葉片斷裂的問題，IAE發布了服務通告SB72-0471重新設計了葉根的形狀，增加了葉片的深度和寬度，改變了葉片的安裝位置和使用的材料，SelectOne升級更是將4～8及轉子葉片和3～5級靜子葉片更換為3-D葉片，葉片的前緣由圓形變為橢圓形，這使得高壓壓氣機的轉子部分可靠性有了很大的提高。但是，在IAE發布SB72-0122，即升級VSV作動筒的作動力矩前，機隊中長期存在部分發動機運行一段時間就會出VSV系統的相關故障，表現為在飛機階段2，3，8以及5期間出現警告信息：“ENG X COMP VANE”，故障信息中常常帶有SVATK故障信息，地面檢查測試并未發現明顯故障，只能通過更換作動筒或者潤滑VSV機械機構完成故障的排除工作，非常耗費時間。雖然這個期間IAE在不斷的優化VSV作動筒的相關問題，比如修改LVDT的工作環境，優化伺服閥、油濾、恒壓控制閥的制造工藝，但是這些并沒有從根本上降低VSV作動筒在機隊中出現類似故障的幾率。這主要是作動筒在作動時，特定的情況下作動力和系統所需要的力幾乎接近，余度不夠：

在IAE發布SB72-0122后，VSV的作動筒件號統一升級為G4000VSVA01，這次的升級除了重新設計LVDT、伺服閥、恒壓閥、降壓閥等改變外，最為重要的是增加了活塞的面積，從之前的72MM直徑增加到85.6MM直徑，作動筒面積增加了約41%，在液壓不變的情況下，相當于作動力提高了約40%以上，這極大的改善了作動筒的靈敏度。自從機隊2015年開始安裝這種新型作動筒以來，機隊因VSV故障的飛機數量有著明顯的下降，并且在VSV作動筒改裝完以后，機隊出現雙通道VSV故障需要潤滑VSV機構來完成排故的情況幾乎消失，這給我們的維修帶來了極大的好處。

但是在做VSV改裝的同時，我們也發現，在做了改裝后，有兩架飛機在測試大車期間會有明顯的放氣聲音，在放氣的同時，EPR（發動機壓力比）擺動下降，P2、N2、燃油流量均下降。依據V2500運行經驗，判定發動機在試車過程中探測到了喘振的情況，啟動了喘振保護邏輯。V2500的喘振探測主要依賴燃燒室壓力的快速下降或者燃燒室壓力快速變化，如果探測到喘振，EEC將減小VSV的開度并且打開7級和10級的放氣活門，減小燃油供應以期恢復燃燒室壓力，避免發動機喘振。經過排故發現，故障發動機的T2參數存在較大幅度的擺動，這將嚴重影響EEC對發動機的控制，從事后譯碼的數據來看，在T2參數大幅擺動的時候，EPR指令值也隨著快速變化。個人認為，在改裝前，雖然也存在著T2的變化，也一定程度上在影響著發動機的運行，但是由于VSV作動筒作動力較小，不能實時的跟進T2變化導致的推力改變，氣流控制改變相對平緩，不會造成燃燒室壓力變化探測超過預定值引發發動機喘振保護，在改裝后，由于作動筒移動能力增強，造成壓氣機氣流控制更為迅速，進而引發發動機探測到燃燒室壓力變化超過預定值，產生發動機防喘保護。這說明任何改裝雖然經過了很多的測試認證，但是在特定情況下也有可能導致系統在其他方面變差，例如容差余度變小，特定條件下影響其他系統正常工作等。

由于本人專業知識水平有限，文中難免有理解錯誤的地方，懇請批評、指正并提出寶貴意見。總的來說，V2500的VSV作動筒作動力矩升級工作提高了系統的整體穩定性，減小了維修負擔。相信V2500發動機作為當前A320系列上使用的較為成熟的發動機，在今后的類似不斷的改進中會越來越好，逐漸成為一款A320系列的經典配套發動機。