基于QAR數(shù)據(jù)的LEAP-1A發(fā)動機(jī)起動活門故障分析及狀態(tài)監(jiān)控

馮曉 張恩翼

摘要：LEAP-1A發(fā)動機(jī)自投入使用以來發(fā)生多起起動活門故障，對航班的運(yùn)行造成極大的影響，會直接導(dǎo)致航班取消或延誤。本文就LEAP-1A發(fā)動機(jī)起動活門的故障原因進(jìn)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(guān)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(shí)例驗(yàn)證，該方法可以有效避免因起動活門失效導(dǎo)致的航班取消或延誤現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：LEAP-1A發(fā)動機(jī)；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(jī)的A320neo飛機(jī)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(yùn)營了771架A320neo飛機(jī)，共計(jì)1681臺LEAP-1A發(fā)動機(jī)在役。LEAP-1A發(fā)動機(jī)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(shè)計(jì)在獲得性能提升的同時也出現(xiàn)了部件設(shè)計(jì)的不成熟和不穩(wěn)定等問題。

LEAP-1A發(fā)動機(jī)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(jìn)行技術(shù)升級，共經(jīng)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(wù)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(shù)升級。目前的機(jī)隊(duì)同時保留了P04和P05件號，廠家暫時無法徹底解決設(shè)計(jì)缺陷問題，而對于新設(shè)計(jì)也無經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，航空公司面臨較大的運(yùn)行壓力。

1 故障分析

起動活門通過控制進(jìn)入起動機(jī)的引氣達(dá)到控制發(fā)動機(jī)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(gòu)成（見圖1）?；铋T的開關(guān)通過電磁活門組件控制進(jìn)入作動器打開腔和關(guān)閉腔的空氣量實(shí)現(xiàn)。

廠家針對起動活門的技術(shù)升級集中在電磁活門組件上。P03件號的缺陷是電磁活門內(nèi)部推力桿和導(dǎo)軌之間間隙設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致互相妨礙，阻止電磁活門的作動，進(jìn)而導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)致無法作動。廠家通過升級涂層工藝和增加電磁力來改進(jìn)。P05件號是由于電磁活門內(nèi)部電樞桿在球型止擋處發(fā)生嚴(yán)重的磨損，進(jìn)而出現(xiàn)漏氣，導(dǎo)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(dāng)電磁活門內(nèi)部作動桿向上移動時，則會出現(xiàn)活門無法關(guān)閉或無法完全關(guān)閉現(xiàn)象。

2 監(jiān)控模型

對于有設(shè)計(jì)缺陷的起動活門，運(yùn)營人無法左右部件的設(shè)計(jì)和技術(shù)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(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和部件的性能，在航空領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(guān)鍵參數(shù)有兩個，分別是起動活門的開關(guān)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(jìn)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(guān)狀態(tài)。當(dāng)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(jìn)行篩選并與正常參數(shù)進(jìn)行對比分析，同時結(jié)合起動活門工作原理，可將監(jiān)控模型設(shè)置如下。

1）起動階段參數(shù)設(shè)置

a. 設(shè)置參數(shù)識別區(qū)間：從活門首次打開后10s開始至活門關(guān)閉前10s結(jié)束。

b. 統(tǒng)計(jì)變化率delta P大于2的次數(shù)，累計(jì)次數(shù)達(dá)到4次。

c. 在識別區(qū)間內(nèi)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(rèn)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(shè)置

該階段參數(shù)設(shè)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(jī)的巡航階段。

b. 在識別區(qū)間內(nèi)起動空氣壓力大于等于1psi。

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

將以上兩部分監(jiān)控邏輯以警告的形式設(shè)置在監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)，當(dāng)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(shí)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(yīng)對措施。

3 實(shí)例驗(yàn)證

自設(shè)置警告邏輯以來，統(tǒng)計(jì)我司發(fā)生的起動活門故障次數(shù)及監(jiān)控的結(jié)果，共計(jì)發(fā)生18起起動活門故障，具體統(tǒng)計(jì)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(chǎn)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(shí)際故障發(fā)生的時間早約3～7天?？梢姡摫O(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(jìn)行監(jiān)控具有重要意義。

4 總結(jié)

本文分析了目前LEAP-1A機(jī)隊(duì)運(yùn)行的起動活門設(shè)計(jì)缺陷，在暫時無法獲得技術(shù)改進(jìn)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(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，該模型滿足起動活門狀態(tài)監(jiān)控的要求。

參考文獻(xiàn)

[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(jī)故障預(yù)測及驗(yàn)證[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2019，27（10）：31-35.

作者簡介

馮曉，發(fā)動機(jī)主管工程師，負(fù)責(zé)CFM56-3B、CFM56-5B、LEAP-1A發(fā)動機(jī)工程管理工作。

張恩翼，發(fā)動機(jī)工程師，負(fù)責(zé)CFM56-3B、CFM56-5B、LEAP-1A發(fā)動機(jī)性能監(jiān)控工作。