A320neo发动机喘振事件原因分析与工程建议_冯亮.pdf

64航空维修与工程 AVIATION MAINTENANCE&ENGINEERING2023/1 动机喘振发生。飞行员收油门时，油箱供给燃烧室的燃油量减少，使燃烧室内做功减少，高压涡轮做功减少，导致高压涡轮转子转速下降，低压转子转速也随之下降。由于通过低压涵道的空气流量高于通过高压涵道的空气流量，低、高压气机之间因气压不平衡形成反压。反压导致压气机涵道中的空气流量急剧下降，当空气流量下降到一定程度产生逆流时，喘振发生。逆流使压气机后方的反压降低，此时压气机气路又变得顺畅，压气机重新正常工作，但由于飞行员仍在收油门，低压压气机后方反压再次升高，高压气体再次逆流或中断，导致喘振再次 发生。2.2 喘振预防措施通过监控发动机转速和排气温度等参数可确定发动机是否发生喘振。可以通过改进发动机结构以及进行喘振控制系统设计来避免发动机出现喘振。1）改进发动机结构设计采用双转子或三转子结构可以有效减少喘振发生。双转子或三转子0 引言据 预 测，到 2029 年 我 国 商 用 机队的规模将增长至 5970 架，相应产生1096 亿美元的飞机维修需求。发动机作为飞机的“心脏”，其维修费用将高达482 亿美元1-3，成为航空公司巨大的运营成本负担。发动机喘振问题将严重影响发动机的性能，甚至直接影响飞行安全4，5。发动机喘振问题排故是合理规划维修计划、保证飞行安全、降低维修成本的一项关键技术，对航空公司、维修单位等航空企业具有重要意义。本文以某航空公司发生的一起空客A320neo 飞机喘振事件为例，深入分析发动机喘振发生的原理，将发动机喘振原因分为近期扰动、发动机整机稳定性不足、机械故障和调节异常等四大类主要原因，根据现场发动机性能状况以及维修人员的排故分析找出引起事件发生的直接原因，最后结合部件可靠性情况，给出工程分析的建议。1 事件背景2021 年 某 航 空 公 司 一 架 空 客A320neo 飞机在执行航班时，巡航阶段准备下降高度，驾驶舱出现“ENG-1STALL”（1 发 喘 振）ECAM 警 告，机组人员按相关操作程序收油门至慢车，喘振消失。之后，机组尝试推油门，再次出现喘振，下降到 10000ft 左右，机组再次尝试推油门后正常。事后飞机在目的地机场 AOG 停场排故，航班换机执行，延误 330min。该飞机于 2018 年 6 月 15 日交付航空公司，飞行使用时间：TSN7020h，CSN3286 起落。2 喘振发生原理2.1 喘振故障机理分析当气流沿发动机压气机轴向进行低频、高振幅振荡时，容易产生喘振现象。喘振引起的发动机零部件振动和过热会在短时间内对零部件造成严重损伤。当空气流量系数小于设计值时会发生气流分离，气流不断靠近叶片的凹面，凸面上产生不断扩展的强烈涡流，叶片凸面的涡流和凹面的气流在叶栅前后形成压力差，当压力差增大到一定程度时，发A320neo 发动机喘振事件原因分析与工程建议*Cause Analysis and Engineering Suggestion of A320neo Engine Surge Event 冯亮1史宏伟1肖海建2贾宝惠2/1 中国东方航空股份有限公司2 中国民航大学摘要：针对某航空公司一架空客 A320neo 飞机执行航班时出现发动机喘振警告事件，分析了事件原因和相关部件的可靠性问题，提出了相关的工程建议，为避免后续发生发动机喘振事件提供参考。关键词：A320neo；发动机；喘振；原因分析；工程建议Keywords：A320neo；engine；surge；cause analysis；engineering suggestion*基金项目：国家自然科学基金资助项目（U2033209）。工 程 ENGINEERING DOI:10.19302/ki.1672-0989.2023.01.00965AVIATION MAINTENANCE&ENGINEERING航空维修与工程2023/1 发动机通过自动调整转速以保证各级压气机进口处的空气流量系数接近设计值，从而避免喘振发生。当气流分离即将发生时，对进气道内表面开槽可使气流沿开槽方向流入进气道，使气流速度加快，从而有效避免喘振的 出现。2）设计喘振控制系统喘振控制系统由三部分组成：信号、控制和执行。传感器接收到信号后，将信号传递给控制部分，控制部分经过分析后控制相关部件执行动作，避免喘振发生，使发动机始终处于稳定状态。喘振控制系统常采用压气机中间级放气和可旋转的导向叶片来防止喘振。此外，发动机状态与供油量有关，改变供给燃油箱的供油量也可使发动机避免喘振状态。3 故障排查与原因分析为了系统地查找故障原因，根据可能引起喘振的部件建立故障树，如图 1所示。通过故障树分析和维修人员检查发现，喘振发动机的中压级引气单向活门（IPCV）卡阻在半开位。失效的 IPCV曾随该飞机 1 发换发装机，被用于另一飞机作为 2 发使用，因发现金属屑（ASUMP）拆下送修，该 IPCV 为该飞机原始装机件。引气系统原理如图 2 所示，发动机引气系统正常工作时，IPCV 打开，发动机高压压气机的中压级引气口向飞机提供引气。如果中压级引气压力和温度不能满足引气参数要求（36psi4psi），高压引气活门（HPV）打开，由其提供引气，此时 IPCV 的正常工作状态应为关闭，以防止发动机高压级引气串流到中压级，造成发动机气路紊流，气流堵塞，进而发生喘振。经过上述分析可知，引起喘振的原因是该飞机 1 发的 IPCV 卡阻在开位，在高压引气活门提供引气时无法 关闭。4 中压级单向活门可靠性情况飞机维修方案中对于 IPCV 有定期检查项目（361141-07-1），将 IPCV拆下后执行详细检查，周期为每 C 检（12000FH/8000FC/72MO），相当于每两年执行一次6。该航空公司 A320neo机队飞机使用 2 年左右执行首检时，有7 架飞机在检查中发现问题，更换 7 台次 IPCV，发现的问题有磨损、间隙超标等。从 IPCV 在该航空公司 A320neo机队的使用数据来看，该部件存在新机型产品不成熟问题。空客公司就新机型的使用在全世界范围内仅收集重要事件和运行中断数据，目前 A320neo 机队的 IPCV 还没有成为造成重要事件和运行中断的主要问题，其他营运人也没有反映该产品的可靠性问题。5 工程建议从波音 737NG 机型 5 级单向引气活门（等同于空客飞机的 IPCV）问题及造成后果吸取经验和教训，IPCV 存在造成喘振导致空停甚至导致双发空停的风险，建议技术公司高度关注。提出以下建议：1）提 醒 厂 家 认 识 到 A320neo 的IPCV 存在新机型产品不成熟问题；2）对 A320neo 的 IPCV 进行可靠性调查，将其作为机队问题，建立机队可靠性项目，密切跟踪；3）对于停场飞机，做好技术管控，严格执行厂家对停场飞机 IPCV 的维护要求；4）鉴于该航空公司发动机库房保管条件不完善，在 A320neo 发动机换发时，对装机发动机上的 IPCV 执行类似飞机停场恢复运行时检查项目。喘振进气扰动发动机整机稳定性不足机械故障调节异常进气道异常进气畸变喷口面积小高导面积小低导面积小功率提取压气机加T偏差a2偏开压气机进口畸变a2调节异常a1调节异常加速油量不匹配喷口和加力供油不协调风扇畸变敏感系数偏大静子件故障转子件故障图1喘振事件故障树BLEEDVALVEHPENG1IP图2发动机引气系统原理66航空维修与工程 AVIATION MAINTENANCE&ENGINEERING2023/1 可通过旋转的方法来调节中压联轴器组件的轴向位置；联轴器的前端外侧有一个用于安装柱塞的底座，底座内表面为花键结构，底座的对面是用于限制联轴器转动行程的止动爪结构；联轴器的后端内侧为花键结构，用于阻挡中压涡轮轴前端的花键。套筒前端的锁定孔用于固定柱塞，锁定孔对面的限位槽用于配合止动爪限制行程；套筒的中部内侧为花键结构，能与中压涡轮轴前端的锁定花键相啮合，使其跟随中压涡轮轴一起转动。柱塞的下部外侧是一圈花键结构，与柱塞底座的0 引言在 RB211-535E4 发动机的车间修理工作中，如将中压/低压涡轮单元体从发动机上拆下，恢复时需要执行锁定中压联轴器组件的工作。由于中压联轴器组件位于不易接触的发动机内部，套筒的转动位置无法观察和判断，且锁定工作对套筒转动位置的精度要求较高，因此锁定中压联轴器组件工作的难度较大，成功率较低。一旦锁定失败，需要重新执行锁定工作直到锁定成功，将拉长发动机的装配周期。锁定中压联轴器组件的成功率不但影响发动机的装配计划，甚至有可能影响到发动机停场周期，给客户及修理厂带来额外的损失。1 结构及原理中压联轴器组件位于中压后短轴和中压涡轮轴连接处，由联轴器、套筒、柱塞、弹簧等组成（见图 1）。该组件能够调节中压涡轮轴的轴向位置，并能固定中压涡轮轴的轴向位置。联轴器的前端内侧是螺纹结构，能与中压后短轴以螺纹的形式连接在一起，RB211-535E4 发动机中压联轴器组件锁定方案改进Improvement of Locking Scheme of RB211-535E4 Engine IntermediatePressure Coupling Assembly 薛飞/北京飞机维修工程有限公司摘要：通过研究 RB211-535E4 发动机中压联轴器组件的结构及锁定原理，计算该组件由未锁定状态转变到锁定状态后套筒转动的角度，将该角度与发动机结构特性相结合，设计出能在不可观察的情况下精准控制套筒停留位置的操作方案。本方案的实施能够有效降低锁定操作的难度，提高锁定操作的成功率。关键词：发动机；RB211-535E4；中压联轴器组件；锁定Keywords：engine；RB211-535E4；intermediate pressure coupling assembly；locking6 结论针对某航空公司一架 A320neo 飞机执行航班期间出现发动机喘振警告事件，分析得出喘振原因是该飞机 1 发中压级单向活门（IPCV）卡阻在开位导致高压引气活门提供引气时无法关闭，同时 IPCV 存在新机型产品不成熟问题。提出四条相关的工程建议，可为后续避免出现此类喘振问题提供参考，更好地保证维修质量和飞行安全，提高航空公司的经济效益。参考文献1 波音公司.中国民用航空市场展望 Z.2021.2 中国航空发动机行业发展动态分析与十四五战略规划研究报告 2022-2028 年版 Z.2021.3 贾宝惠，唐庭均，卢翔.航线维修任务人力资源多目标优化模型研究J.科学技术与工程，2020，20（30）：12630-12635.4 马劲夫，李乾坤.某型发动机喘振上边界转速不符合规定故障研究 J.航 空 维 修 与 工 程，2021，358（4）：58-59.DOI：10.19302/ki.1672-0989.2021.04.018.5 李磊.CFM56-5B 发动机喘振与防喘装置故障研究J.航空维修与工程，2018，323（5）：53-55.DOI：10.19302/ki.1672-0989.2018.05.011.6 A318/A319/A320/A321Aircraft-MaintenanceManual Z.2022.工 程 ENGINEERING