CFM56-3发动机N2转速管理系统原理

陈俊逸

深圳航空有限责任公司维修工程部，深圳 518128

CFM56-3发动机N2转速管理系统原理

陈俊逸

深圳航空有限责任公司维修工程部，深圳 518128

CFM56-3系列发动机是由美国通用电气公司（GE）和法国国营航空发动机研制公司（SNECMA）组成的国际公司（CFMI）研制生产的为波音B737-300/400/500型航空器翼吊发动机；其N2转速管理系统为飞机提供精确的燃油控制功能以防止发动机超速及失速情况的发生。N2转速管理系统主要通过接受发动机的核心转子转速（N2）和动力角（PLA）来控制燃油流量使发动机实际转速与目标转速相符。

N2转速管理系统；燃油计量活门FMV；核心转子转速N2；伺服活塞作动筒；伺服活塞作动筒流量控制阀；离心飞重；蓄能弹簧

N2 speed governing system；fuel metering valve；the physical core speed (N2)；governor servo piston；limit pilot valve；governor flyweight；governor restoring spring

引言

根据发动机原理可知，发动机N2和N1转子的转速分别取决于高低压涡轮提供的涡轮功及N2和N1转子需要的压气机功。若涡轮提供的涡轮功大于压气机当时转速下所需要的压气机功，那么转速会上升，直到压气机所消耗的压气机功等于涡轮所提供的涡轮功。此时，转子将稳定在这一较高的新转速下稳定工作，这就是发动机的稳态。同理当涡轮提供的涡轮功低于该转速下压气机所需要的压气机功，转速将下降，直到压气机所消耗的压气机功等于涡轮所提供的涡轮功。此时，转子将稳定在这一较低的新转速下。

既然已经知道了转速改变的根本原因，即涡轮功与压气机功大小，那么又是什么决定了涡轮功和压气机功的大小呢？在此，将对此作简要分析。压气机转动，对进入发动机的气体进行压缩，以提高燃烧效率，这势必会消耗功，这部分功正是由涡轮提供的。压气机消耗功的大小取决于压气机的转速和进口气流的参数，如流量、压力和温度。而涡轮提供的功取决于发动机供油量。正常情况下，压气机所消耗的压气机功是不会突然改变的，因为大气参数较稳定。因此，可以通过改变发动机供油量，控制涡轮提供的涡轮功的大小，从而改变发动机转速，继而改变推力，实现对发动机的基本控制。而CFM56-3系列发动机流进燃烧室的燃油流量由FMV（燃油计量活门）控制，其流过的燃油总量决定了发动机的实际推力同时也决定了核心转子的转速（N2）。燃油计量活门根据目标值的需要通过一个液压机械连接的伺服活塞作动筒驱动旋转控制燃油口的流量大小；而伺服活塞作动筒的延伸或缩进是由N2转速管理器控制的。在N2转速管理控制器中的活塞流量控制阀将根据CIT（压气机进气温度）、CBP（压气机引气压力）、CDP（压气机排气压力）、可调静子叶片位置反馈及可调放气活门位置反馈所给定的弹簧压力与离心飞重的作用力调节内部阀门的移动；从而确定伺服油量流进或流出伺服活塞作动筒桶。根据发动机设定的核心转子目标转速与实际转速的比较将N2转速管理器里的活塞流量控制阀工作状态分为：等速、超速及欠速三种情况。

N2转速管理系统通过与核心转子机械连接的离心飞重间接获得核心转子的转速N2；其离心力通过机械机构转换为活塞流量控制阀芯向上的作用力。蓄能弹簧根据各种选定的参数：PLA（动力角）、地面慢车、PS12（风扇进气压力）、空中慢车、FIT（环境温度）及力矩马达对活塞流量控制阀芯施加了一个向下的反作用力。N2转速管理系统通过比较发动机的实际转速与目标转速来确定活塞流量控制阀门的阀芯位置。

等速状态时，发动机的实际转速与目标设定转速相等；离心飞重作用在活塞流量控制阀门向上的作用力与蓄能弹簧提供的反作用力达到平衡，阀芯在停留在“零位”，伺服活塞作动筒内的活塞静止不动，燃油计量活门保持均衡油量输出，见图1。

图1

超速状态时，发动机的实际转速大于目标设定转速；活塞流量控制阀门失去“零位”状态。离心飞重在离心力的作用下向外扩伸，并将离心力转换为活塞流量控制阀门向上的作用力同时克服蓄能弹簧的作用力使阀芯向上移动，打开回油油路使伺服活塞作动筒回油缩进，燃油计量活门依靠自身复位弹簧的作用顺时针旋转减少活门开口大小，从而减少供油量使发动机的实际转速下降至目标值使阀芯重新达到平衡，见图2。

图2

欠速状态时，发动机的实际转速小于目标设定转速；离心飞重的离心作用力小于蓄能弹簧的作用力。活塞流量控制阀门的阀芯在蓄能弹簧的作用下向下移动打开压力油路，压力油流进伺服活塞作动筒驱动活塞伸出并克服燃油计量活门内复位弹簧的作用力而逆时针旋转使计量活门开度增大；从而增大供油量使发动机转速增加直至与目标转速平衡，活塞流量控制阀门重新达到“零位”，见图3。

图3

N2转速管理系统在发动机运行的过程中通过接受发动机的核心转子转速（N2）和动力角（PLA）来提供精确的燃油流量控制，从而使发动机实际转速与目标转速相符；是防止发动机失速、超速及低燃油流量安全飞行的关键系统。

结论

如图4MEC内部的主体结构如图中的虚线框所示。燃油调节器，简称燃调，是供油量大小的最终决定部件。它由调节器伺服活塞驱动，而伺服活塞由调节器分油活门控制，控制着它的运动方向。向左和向右运动即对应着供油量的增大和减小。分油活门又与离心飞重机械相连，离心飞重由N2转子带动，并被转速给定弹簧压紧。离心飞重的运动方向由离心力和弹簧力的大小决定。在稳态，离心力与弹簧力相等，离心飞重保持不动，此时与之相连的分油活门也处于中立位，不会改变供油量。当转速增加时，离心飞重受到的离心力变大，原先给定的弹簧力小于离心力，故飞重将向上运动，同时带动了分油活门向上运动。分油活门一旦向上运动，就会打开减速油路，使伺服活塞向左运动，让燃油调节器减小供油量。由于供油量的减小，转速不然下降。当转速下降到原来的数值时，飞重的离心力又与原先给定的弹簧力相等，离心飞重和分油活门都回到中立位。给定弹簧与油门杆机械连接，驾驶员操作油门杆到一定角度时，就对应地给弹簧设定了一个弹簧力。当飞重的离心力增大到这一给定值时就会稳定在给定的转速下工作。因此，MEC不仅能够控制发动机的转速，还能稳定发动机的转速，对偏差进行纠正。

图4

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The principle of the N2 Speed Governing System to the CFM56-3 series engine

Chen Jun Yi

Department of Aerocraft Repair Engineering ,Shenzhen Airlines ,ShenZhen 518128

The CFM56-3 series engine is designed for the Boeing B737-300/400/500 aircraft as wing hoisting engine by the CFMI. The N2 speed governing system provides the correct amount of fuel to the engine for operation under different operating conditions. It protects the engine from stalling or over speeding. The N2 speed governing system senses the physical core speed (N2) and the power lever angle (PLA) and adjusts the fuel flow that is necessary to maintain the desired speed setting established by the PLA.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.09.064