CFM56-5B發動機VBV系統故障分析與維護建議

摘要：可變放氣活門（VBV）是防止發動機喘振的主要系統。本文介紹了VBV系統的組成和工作原理，對幾種常見故障進行了深入分析，找出故障原因，并提出合適的維護建議以及維護過程中的注意事項。

關鍵詞：可變放氣活門系統；故障；維護

Keywords：VBV system；failure；maintenance

0 引言

CFM56-5B發動機是大涵道比、雙轉子軸流式發動機，主要裝備于A320系列飛機。盡管該發動機總體性能較好、可靠性高，但在使用過程中也出現了一些問題，嚴重影響了飛行安全，導致航司經濟損失。可變引氣活門（Variable Bleed Valve，VBV）系統故障是發動機常見故障之一，會導致發動機喘振。發動機喘振是一種低頻率高振幅的振動，很容易導致發動機停車，如不及時處理將造成發動機部件損壞，嚴重影響飛行安全。喘振常出現在發動機的啟動、加速、減速、反推4個階段，導致返航、中斷起飛或航班延誤。本文對CFM56-5B發動機VBV系統進行介紹，對該系統故障進行深入分析，并提出維護建議和維護過程中的注意事項。

1 VBV系統組成和工作原理

VBV系統由1個燃油動力液壓齒輪馬達、1個止動裝置、1個位置傳感器、1個主活門、11個次級活門、1根主軟軸和11根從動軟軸構成，如圖1所示。燃油齒輪馬達是一個容積式齒輪馬達，由兩個內正齒輪組成，用于將燃油的液壓勢能轉換成機械能以驅動一系列放氣活門。止動裝置用于限制VBV活門在整個循環過程中燃油齒輪馬達轉動的次數。主活門和主球形螺母作動器作為一個整體組件，可將燃油齒輪馬達的轉動力矩傳遞給其他11個次級活門，從而帶動次級活門運動。位置傳感器感受并反饋主放氣活門的位置。從動軟軸位于每兩個放氣活門之間，是傳遞機械能的機構，以保證各放氣活門同步作動。主軟軸位于燃油齒輪馬達和主放氣活門之間，將馬達的轉動力矩傳遞給主放氣活門。

發動機控制組件ECU監控VBV活門的位置，通過液壓機械組件HMU控制伺服燃油驅動液壓馬達，帶動主軟軸作動主活門，進而帶動11根從動軟軸驅動11個次級活門，再將活門位置通過傳感器送回ECU形成閉合回路，系統的控制原理如圖2所示。發動機工作過程中VBV系統起著重要的調節作用，在發動機低功率低轉速時，核心機所需利用的氣流量小，此時VBV活門打開，將低壓壓氣機提供的多余壓縮空氣排出核心機；發動機高功率高轉速時，核心機所需利用的氣流量較大，此時VBV活門關閉，使得壓縮空氣可以充分進入核心機。當發動機執行減推力操作時，由于核心機所需利用的氣流量變少，VBV活門隨之打開，將多余的低壓壓氣機壓縮空氣排出。在發動機運轉過程中，VBV系統可以調節進入核心機的氣流量，同時改善低壓壓氣機和高壓壓氣機之間的匹配，防止發動機喘振的發生。

航空發動機采用全權限數字式控制FADEC系統，與之前的機械式控制系統相比，提高了發動機控制的精確性、響應速度和可靠性。通過外部傳感器采集風扇轉速、修正風扇轉速、修正核心機轉速、外界大氣壓力、T2、T25、VSV位置、油門桿角度TRA和轉動模式等信號，并將信號送往發動機電子控制計算機EEC，然后計算、制定VBV系統的控制邏輯，實現對VBV活門開度的控制。

2 故障原因分析及維護建議

2.1 VBV齒輪馬達漏油

VBV燃油齒輪馬達的截面圖如圖3所示。在飛機維護過程中，如發現VBV燃油齒輪馬達漏油，可能是由于冷發啟動、軸承磨損、橡膠密封圈損壞、主軸封嚴磨損（碳封嚴頭部）、齒輪表面與軸承板之間過度磨損等原因導致。

在外部大氣溫度較低情況下，燃油齒輪馬達里的橡膠密封圈受冷收縮，在啟動發動機時，燃油齒輪馬達作動VBV活門快速打開，雖然此時流過燃油齒輪馬達的燃油具有一定的溫度，但不足以在短時間內使密封圈完全受熱膨脹，還處于收縮狀態的密封圈周圍與壁面有一定的間隙，高壓燃油容易從此處滲出。為使高溫燃油充分加熱收縮的橡膠密封圈，使密封圈完全膨脹起到密封效果，建議在外界寒冷的情況下發動機啟動后運轉5min進行暖車，這樣將使齒輪馬達燃油滲漏消失。如果發動機在暖車5min后燃油齒輪馬達仍有漏油情況，可能是由于燃油齒輪馬達磨損導致。燃油齒輪馬達的顫振也會造成軸承油膜破壞，在油膜厚度不夠的情況下，當馬達大運動量時將導致軸承磨損和過熱，加劇燃油齒輪馬達損傷，從而出現漏油。

在飛機維護過程中如確定VBV燃油齒輪馬達漏油，需要依據手冊進行處理。靜態下，若小于60滴/min，不需要做維護工作，若超過60滴/min，需要做慢車滲漏檢查。慢車5min后，若小于60滴/min，不需要做維護工作；處于60～90滴/min時，在不影響運行的情況下需在25個飛行循環之內修復；超過90滴/min，則需要更換液壓齒輪馬達進行修復。檢查邏輯圖如圖4所示。

2.2止動機構卡阻或磨損

在VBV活門轉動到特定位置時，止動機構能夠使VBV活門的最終位置在關閉時不超過VBV作動筒單圈行程的0.3%，打開時不超過VBV活門作動筒單圈行程的1%。止動機構截面圖如圖5所示，當止動機構長時間使用后，內部油脂出現老化，導致潤滑失效，螺紋管磨損，支撐螺紋管兩端的軸承磨損，最終造成止動機構卡阻。

止動機構卡阻的最大故障源是內部的隨動螺母，其次為保護罩損壞或漏裝間接導致的卡阻。VBV系統靈敏度高，活門作動筒長時間作動后導致隨動螺母加速磨損變形，造成止動機構卡死，進而導致活門卡阻。在維修過程中膠皮保護罩損壞或漏裝會導致水或雜質進入止動機構，而高空飛行時低溫環境下水結冰，這些雜質引入止動機構將導致隨動螺母卡阻，最終都可能造成止動機構損壞、主柔性軸被剪切斷等故障出現。

2.3 放氣活門卡阻或阻尼過大

發動機運行過程中，當工作狀態發生微小變化時，由于VBV系統靈敏度高，可能使得系統進行作動，長時間工作后，活門內部油脂老化，潤滑失效，造成絲桿組件磨損、內部軸承磨損、保護套破損以及止動機構卡死，最終都可能導致活門卡阻。

當VBV活門出現卡阻情況時，將導致負責傳遞力矩給卡阻活門的軟軸扭曲變形或斷裂，從而使一部分VBV活門不能打開或關閉，在發動機處于高功率大推力時，低壓壓氣機的壓縮空氣從 VBV活門排進外涵道，減少了流向高壓壓氣機和燃燒室的壓縮空氣量，影響了由高壓壓氣機提供冷卻氣源的高壓渦輪主動間隙控制HPTACC系統的工作，同時也影響到燃燒室的正常工作，最終導致發動機排氣溫度EGT超溫。當發動機執行減推力操作時，核心機所需利用的氣流量減少，如果此時多余的壓縮氣流不能順利排出，低壓壓氣機內的空氣流動將會受阻，導致低壓壓氣機與高壓壓氣機之間的匹配度降低或不匹配，致使發動機出現喘振。

為防止活門故障，應定期對活門進行檢查，按照AMM手冊檢查活門是否有變形、損壞或封嚴是否破損，同時檢查活門是否有卡滯，并更換有問題的活門。

2.4 軟軸磨損、扭曲變形、斷絲或斷裂

在VBV止動機構或活門卡阻情況下，通過軟軸傳遞力矩時，將會加劇軟軸的端頭磨損、扭曲變形、斷絲或斷裂損傷、彈簧斷裂等，如圖6所示。為防止軟軸損傷，在安裝止動機構時，需要人工轉動到全關位置，同時應注意在調定主VBV活門后連接主柔性軸時不要松動止動機構隨動螺母的位置，否則將導致活門與止動機構位置不一致，可能出現當活門不能繼續運動時止動機構還未到達全關位置，燃油齒輪馬達繼續轉動，而此時作用在活門和軟軸上的力矩過大，從而造成軟軸損傷，也可能造成活門和機匣磨損。安裝VBV活門時需用專用工具將活門設定在全關位，當活門設定好后安裝軟軸時，如誤轉動軟軸而使活門全關位置發生了改變，將會導致活門與止動機構位置出現不一致，可能造成軟軸、活門或機匣損傷。

3 總結

VBV系統故障是由維護過程中的人為因素導致或系統長時間工作后自然老化導致的。為提高VBV系統的可靠性，對于人為因素導致的故障，在VBV系統維護過程中應嚴格按照手冊施工，防止錯裝、漏裝、安裝順序不正確、未注意到細節設置等情況，同時設置檢驗人員雙重把關。為了避免系統長時間工作后自然老化導致的故障，可對VBV系統建立EO，定期進行檢查和維護，如有問題及時更換相應部件，后續根據EO執行的效果對EO進行調整。

參考文獻

[1] Airbus. A320飛機AMM手冊[Z].

[2]敖良忠. CFM56-5B發動機VBV系統故障分析[J]. 中國民航飛行學院學報，2005（8）.

[3]蔣陵平. 燃氣渦輪發動機[M].第2版.北京：清華大學出版社，2016.

[4]郭利明，王坤. CFM56-5B發動機VBV故障引起的EGT超溫故障分析[J]. 中國民航飛行學院學報，2007（9）.

作者介紹

寧小波，助教，從事航空器維修與教學工作。