基于V2500发动机VSV防喘系统的模拟排故面板设计

刘磊

摘 要：喘振对航空发动机的工作危害甚大，先进的航空发动机均设计完善的防喘系统防止发动机喘振。鉴于发动机喘振原理和防喘机理比较复杂和抽象，本文选取V2500发动机为研究对象，对其可调静子叶片（VSV）防喘系统进行深入研究，结合飞机维修手册和工卡，设计一种面板对V2500发动机的VSV防喘系统進行模拟排故维修，以达到良好教学效果。

关键词：V2500;VSV;喘振;模拟排故

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.001

1 引言

飞机发动机的喘振一般是指压气机的喘振，喘振会使压气机叶片断裂，引起发动机熄火停车，严重威胁发动机安全工作[1]。因此在航空发动机设计和使用维护中，喘振问题一直是关注重点。对于在校学生而言，由于客观条件限制，未能直接接触和学习有关发动机喘振方面的知识，只通过课堂上理论学习很难理解这一抽象概念。因此通过研究发动机喘振相关知识，设计一种某机型的防喘系统模拟排故面板，直观地演示发动机的防喘机构工作过程，并结合相关机型的航空维修手册，模拟如何排查防喘系统的故障并给出解决方案，使得学生的学习相对直观且容易，从而对航空发动机喘振以及发动机维护过程有着更为深刻的认知。

2 V2500发动机的VSV防喘系统

由于压气机喘振的危害性极大，为了避免喘振现象的产生，现代先进的民用航空发动机一般都会同时具备多种防喘机构，防喘的机理各不相同。从代表性出发，可调静子叶片（VSV）是在当今民航客机上广泛采用的高压压气机防喘装置，而V2500发动机则为150座级飞机配置的主流发动机，因此本文选取V2500发动机为研究机型，针对其主要的防喘机构——压气机可调静子叶片（VSV）防喘系统展开研究，制定具体的模拟排故方案。

2.1 V2500的防喘系统简介

V2500发动机主要包括三种防喘机构：采用双轴结构、放气机构和可调静子叶片（VSV）系统。其中放气机构包括低压压气机2.5级的放气带，高压压气机第7级的三个放气窗和第10级的一个放气窗。而可调静子叶片（VSV）系统采用了进口导流叶片和前3级的静子叶片可调的形式。通过调整高压压气机进口导流叶片和三级静子叶片的角度，保证低压压气机的气体流量和高压压气机的气体流量匹配，这样能在较宽的工作范围内使发动机保持正常的压气机特性，避免发动机发生喘振[2]。

2.2 V2500的VSV系统构成

V2500的VSV系统简图如图1所示。燃油计量组件（FMU）向可调静子叶片作动筒提供高压燃油，然后从低压路回油，发动机电子控制器（EEC）接收高压压气机的工作参数（压气机进口总温，高压压气机转子转速等），通过进行计算使得执行机构和发动机电子控制器构成的闭环控制系统来准确控制作动筒的运动[3]。VSV作动杆依靠中间的传动机构来控制进口导向叶片和三级静子叶片进行转向[4]，静子叶片角度的偏离量可以影响进入高压压气机的气流量，进而促使高压压气机和低压压气机气体流量的匹配，避免发动机发生喘振，提高压气机的工作效率和喘振裕度[5]。

发动机电子控制器通过接收高压压气机的工作参数，并经过计算和综合校对，最后输出一个电信号来控制位于可调静子叶片作动筒里的力矩马达（TM），达到控制高压油路的开关和开合度的作用，从而准确操控活塞的运动。作动筒内部的线性可变差动传感器（LVDT）同时将活塞的位置信号以电信号的形式反馈到发动机电子控制器，构成了可调静子叶片系统的闭环控制，闭环控制的优点在于控制精度很高。

2.3 V2500的VSV系统故障总结

V2500的VSV系统主要由可调静子叶片作动筒、操纵环、摇臂、曲柄传动机构、进口导流叶片、可调静子叶片（VSV）和EEC组成。VSV系统会因为各种原因导致故障。经过深入研究并归纳总结，V2500的VSV系统的故障主要分为机械故障和电气故障。具体的总结归纳如下：

机械结构可能出现的故障有：（1）VSV作动筒漏油;（2）运动机构摩擦过大;（3）操纵摇臂疲劳断裂。

电气故障有：（1）作动筒位置反馈出错（LVDT故障、LVDT反馈回路线路故障）;（2）连接电气插头老化、松动;（3）力矩马达绕组故障;（4）N2传感器绕组故障;（5）CIT传感器故障;（6）EEC故障。

3 VSV系统模拟排故面板设计

3.1 面板总体布局设计

本文根据V2500发动机的VSV系统常见故障，参照了机务人员的实际维修工卡，设计出一种VSV系统的模拟排故面板，能够简单、清晰、直观地将排故过程展示出来，见图2 。为了实际的教学效果考虑，面板为长1.8米，宽1.2米的矩形。如图2所示，整个演示面板分为三大部分，以黑色粗框线为分隔框，第一部分以图1为基础，经过进一步的细化体现出VSV系统中的主要结构和部件，第二部分作为故障检查和故障排除开关，第三部分是排故流程图，用于指导怎样排故和如何排故。下文将对演示面板中的三大组成部分进行详细地介绍。

3.2 VSV系统原理图设计

如图3所示，在图1的基础上，首先将VSV作动筒部分细化，将其内部的恒压阀、减压阀、力矩马达和线性可变差动传感器（LVDT）呈现出来。其次细化VSV机械组件部分，在其中添加出作动筒、摇臂和曲轴。燃油计量组件为主动间隙控制系统（ACC）、风冷式滑油冷却器活门控制系统（ACOC）、低压级放气系统和VSV系统供高压燃油。在VSV系统和发动机电子控制器（EEC）之间有力矩马达电流和线性可变差动反馈联系，并且发动机电子控制器将会在接受到高压压气机转子转速传感器（N2）、压气机进口温度传感器（CIT）和新件使用循环数（CSN）的数据下，通过校核来发送下一步的指令。VSV作动筒、VSV机械组件、摇臂、和VSV叶片之间通过机械传动来联结。

在演示面板中，将每一个部件设置成故障灯，另外设定两个指示灯用来体现整个VSV系统处于正常状态和非正常状态，如图3中右上角所示，其中绿灯亮起表示系统处于正常状态，红灯亮起处表示系统处于非正常状態。

3.3 VSV系统排故流程设计

在对V2500发动机的VSV系统故障深入研究的基础上，本文对机务人员日常维修工卡进行研究，针对VSV系统的组成和具体的故障分布，设计具体的模拟排故流程，如图4所示。

VSV系统是一个相对复杂的控制系统，故障大多因为不同部件之间的故障相互影响、诱导而成。当VSV系统出现故障时，第一步进行故障诊断，检查发动机的VSV控制系统、主动间隙控制系统、风冷式滑油冷却器活门控制器、发动机低压级放气系统都是由来自燃油计量组件的高压燃油驱动的，如果发生两个或两个以上的系统一同失效，则可以判断出故障来自燃油计量组件或者燃油增压泵。如果仅仅是VSV控制系统发生故障，则检查最近一次的飞行报告，将相关警告失效信息从ECAM中调出来。若警告ENGINE2 COMPRESSOR VANE的两条信息是CHA VSV ACT/HC/EEC2和CHB VSV ACT/HC/EEC2，并同时满足以下条件：引擎的新件使用循环数（CSN）大于2000，在起飞和爬升过程中ECAM的警告时间大于一分钟，发动机出现了喘振现象、突破温度界限或参数变化异常，出现了两台引擎持续的参数差异，那么故障是由于可调静子叶片作动筒失效，需要及时修复或更新VSV作动筒。

3.4 VSV系统故障检查和故障排除开关设计

如图5所示，面板中设置了18个检查开关和15个排故开关，分别对应着相应的部件、组件。在依照排故流程的前提下，先拨开检查开关，若出现故障即灯未亮，后拨开排故开关。

VSV机械结构检查部位主要有作动筒、连杆、曲轴和摇臂。每一部分用一个LED灯来指示，并用一个总LED灯来指示VSV机械结构是否存在问题。当动筒、连杆、曲轴、摇臂有故障时，此灯不亮。每一个部件均有三个开关控制，其中一个开关为故障检查开关，另两个为故障设置开关和故障排除开关。如若事先把故障开关打开，则当检查到这一步时，按下故障检查开关，LED灯是不亮的，代表此处有问题，那么需要按下故障排除开关进行排故。

最终演示面板将呈现出的是：若该部件设定为故障件，那么在检查此部件时，灯为灭，在完成正确的排故程序即打开相对应的排故开关后，灯亮，说明此部件已处于正常状态。经过完整的排故流程后，所有的部件灯和正常状态指示灯绿灯亮起，如果红灯亮起，说明还有故障没有排查完毕。

4 结语

本文主要以V2500航空发动机为研究背景，根据其压气机防喘系统中的一种——可调静子叶片系统进行深入研究，了解其中的结构部件、常见故障以及排故手段，再根据实际的维修工卡设计出一块模拟排故面板，后续的会选用合适的材料制作出实物，作为实际教学用具，为民航系今后的教学实验打下基础，使枯燥的理论知识学习变得具体化、形象化，使学生能够直观的感受现实机务工作中的流程。

参考文献：

[1]王云.航空发动机原理[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009（96）.

[2]夏存江.CFM56—3发动机可变几何控制系统对发动机性能的影响[J].航空发动机，2008，34（03）：42-45.

[3]吴天翼，樊丁，杨帆等.某型航空发动机FADEC系统设计与仿真[J].科学技术与工程，2012，20（01）：106-111.

[4]李世林.VSV系统对CFM56发动机喘振的影响分析[J].科学技术与工程，2011，11（20）：4934-4936.

[5]张元华.联合循环机组压气机喘振裕度低事件分析[J].燃气轮机技术，2013，26（02）：57-61.