浅析CFM56―3发动机的防喘措施及常见故障

摘 要：随着航空技术的不断发展，航空发动机的性能和可靠性也在不断的改善和提高，但压气机喘振时常发生，对飞行安全造成极大威胁，同时，也造成了巨大的经济损失。该文主要针对压气机喘振进行分析和讨论，结合CFM56-3发动机，对其防喘机构的典型故障进行了分析，并给出了典型故障的维护建议。

关键词：喘振 CFM56-3发动机 防喘机构 故障分析

中图分类号：V263 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（b）-0047-02

发动机喘振故障时常发生，据统计，每年喘振故障发生大约60起，对压气机及发动机的工作具有很大危害性，造成了极大的经济损失。

1 压气机喘振的根本原因

压气机喘振的根本原因是气流分离而导致的气流攻角过大，这种分离是由于压气机工作状态严重偏离了设计工作状态而引起的。因此，分析喘振的形成过程，应从分析气流分离入手。

气体流过压气机叶栅时，是否会发生分离？气流分离后，是否会继续发展？这要由气流进入叶轮时的相对速度W①的方向而定，而相对速度的方向取决于工作叶轮进口处的绝对速度在发动机轴线上的分量C①a和工作叶轮旋转的切向速度u的比值，这个比值叫做流量系数，用D表示，即：

根据相关实验可知，当流量系数大于或小于设计值时，在涡轮发动机压气机进口处会产生气流分离现象，但是流量系数过大所形成的涡流区不易于继续扩大，而流量系数过小时所形成的涡流区则会继续扩大，从而在叶轮旋转的作用下，产生强烈的分离，引起喘振。

2 CFM56-3发动机的工作状态和防喘措施

（1）发动机的工作状态

在CFM56-3发动机启动或者加减速瞬态工作期间，发动机容易发生喘振。

在发动机加速过猛时，多喷燃油，高压涡轮前燃气温度升高，由于低压转子惯性矩较大，高压转子惯性矩比较小，所以低压转子转速增加较慢，高压转子转速增大较快，因此高压转子的流量系数减小较多，因此高压压气机很有可能首先进入喘振区；

当发动机减速过猛时，少喷燃油，一方面，压气机前后各级的圆周速度均要减小；另一方面，还要引起压气机增压比减小。压气机增压比减小，对各级轴向速度有两个影响：一是空气流量减小，使各级轴向速度减小；二是从压气机第一级开始气流轴向速度要逐级增大。这样，压气机的第一级的轴向速度减小，以后又逐级增大，从而前面几级气流轴向速度减小，后面几级气流轴向速度增大。

由于发动机的空气流量大致与增压比成正比，也就是说压气机增压比的迅速降低，导致了空气流量也迅速减小，气流轴向速度的迅速减小，流量系数迅速减少，此外，有详细计算表明，发动机的空气流量减小的程度比转速减小的程度要大一些。因此，压气机第一级的轴向速度比圆周速度下降的要快，流量系数减小，使叶轮进口处气流相对速度W1的方向变陡。由于气流轴向速度要逐级增大，到中间某一级时，轴向速度与圆周速度下降的程度相同，流量系数正好等于设计值，相对速度W1的方向保持不变。到后面几级，轴向速度比圆周速度下降得慢，于是流量系数大于设计值，相对速度W1的方向变平。

从上面的分析中可以看出，当发动机减速过猛，转速下降偏离设计值过多时，压气机前几级因相对速度方向变得过陡而进入喘振状态；后几级则因相对速度变得过平而进入“涡轮”状态，即通常所说的“前喘后涡”。

（2）发动机的防喘措施

为了防止发动机喘振，在发动机启动或者加减速瞬态工作期间，CFM56-3常用的方法是采用VBV以及VSV。

当发动机转速降低时，防喘放气机构使VBV打开，部分压缩空气沿放气活门流出，相当于在压气机的通道中多开了一条通路，有效减小了压气机空气通路的阻力，压气机进口空气流量得以显著增加，所以前级压气机气流的轴向速度C①a和流量系数D便可显著增大，从而避免了压气机前级喘振状态；同时压气机后级空气流量由于放气分流而减小，气流的轴向速度减小，从而使压气机后级流量系数回落，使压气机后级避免堵塞状态。

VSV通过减小进气流攻角使喘振线移动，在低攻角下喘振发生于较低的流量系数值。VSV通过调整叶片位置，从而调整气流攻角，可以使得同样的进口相对气流攻角发生在较低的轴向速度值。这意味着失速攻角将发生在较低的质量流量或较低的流量系数。

总而言之，VBV与VSV的共同点是防止喘振扩大发动机稳定工作范围，提高发动机性能。它们的不同点则是VSV通过改变气流攻角来实现，VBV通过改变压差来实现。VSV与VBV协调工作，从而使得发动机获得较宽的稳定工作范围。

3 故障分析

根据CFM56-3发动机在使用中常见的故障，进行分析。

（1）作动机构发生卡阻

某航空公司一架飞机航后飞行员反映飞行中听到右发放炮声。维护人员打开发动机检查，发现九点半钟位置，一根连接VBV活门的柔性轴绞断，检查VBV活门有卡阻现象，对发动机做内窥镜检查未见异常，于是更换VBV活门以及柔性轴，故障排除。

VBV活门发生卡阻，造成柔性轴绞断，使一半VBV活门不能关闭或者打开。

在发动机增推力时，压缩空气从VBV活门溢到外涵道，气流量偏小，使高压压气机的工作叶轮进口处绝对速度在发动机轴向分量偏小，由公式D=C①a/u可知，流量系数偏小，气流攻角变大，气流在叶背处发生分离，当这种气流分离严重扩展至整个叶栅通道时候，将使高压压气机发生喘振。

在减推力时，多余的压缩气流不能全部排出核心机，通过高压压气机的气流量偏大，使工作叶轮进口处绝对速度在发动机轴向分量上升，由公式D=C①a/u可知，流量系数偏大，气流在叶盆处发生分离，使叶片通道变小，从而造成涡轮状态，出现喉道而发生堵塞，从而使低压压气机的气流量减小，造成低压压气机的攻角变大，使气流在叶背处发生分离，当这种气流分离严重扩展至整个叶栅通道时候，将发生喘振。

（2）作动筒发生漏油

某航空公司机队中，VSV作动筒以及VBV作动筒均发生过漏油，并导致多次航班延误或者取消，影响到公司声誉和盈利。

①VSV作动筒发生漏油，将会导致VSV处在不正确的位置。

在发动机增推力时候，由于VSV作动筒漏油，VSV偏关，VBV偏开，气流量偏小，使高压压气机的工作叶轮进口处绝对速度在发动机轴向分量偏小，由公式D=C①a/u可知，流量系数偏小，气流攻角变大，气流在叶背处发生分离，当这种气流分离严重扩展至整个叶栅通道时候，将使高压压气机发生喘振。

在发动机减推力时候，由于VSV作动筒漏油，VSV偏开，VBV偏关，气流量偏大，使工作叶轮进口处绝对速度在发动机轴向分量上升，由公式D=C①a/u可知，流量系数偏大，气流在叶盆处发生分离，使叶片通道变小，从而造成涡轮状态，出现喉道而发生堵塞，从而使低压压气机的气流量减小，造成低压压气机的攻角变大，使气流在叶背处发生分离，当这种气流分离严重扩展至整个叶栅通道时候，将发生喘振。

②VBV作动筒发生漏油，将会导致VBV处于不正确的状态。

在发动机增推力时候，由于VBV作动筒漏油，VBV偏开，压缩气体溢流到外涵，气流量偏小，使高压压气机的工作叶轮进口处绝对速度在发动机轴向分量偏小，由公式D=C①a/u可知，流量系数偏小，气流攻角变大，气流在叶背处发生分离，当这种气流分离严重扩展至整个叶栅通道时候，将使高压压气机发生喘振。

在发动机减推力时候，由于VBV作动筒漏油，VBV偏关，进入内涵的气体偏多，气流量偏大，由公式D=C①a/u可知，流量系数偏大，气流在叶盆处发生分离，使叶片通道变小，从而造成涡轮状态，出现喉道而发生堵塞，从而使低压压气机的气流量减小，造成低压压气机的攻角变大，使气流在叶背处发生分离，当这种气流分离严重扩展至整个叶栅通道时候，将发生喘振。

（3）VBV反馈钢索阻力检查不正确

VBV反馈钢索阻力检查的作用是保证必要的力以移动VBV反馈钢索并不超过一个特定的限制。当VBV反馈钢索阻力检查不正确，将会使VBV反馈不正确，或者偏大或者偏小。当反馈偏大时候，将会使VBV偏关，会引起气流量偏大，使工作叶轮进口处绝对速度在发动机轴向分量上升，由公式D=C①a/u可知，流量系数偏大，气流在叶盆处发生分离，使叶片通道变小，从而造成涡轮状态，从而使后面几级的气流量减小，造成后面几级的攻角变大，使气流在叶背处发生分离，当这种气流分离严重扩展至整个叶栅通道时候，将发生喘振。

当反馈偏小的时候，将会使VBV偏开，造成启动和加速慢，一般不会出现喘振。

4 结语

针对防喘措施的典型故障分析，结合典型故障的影响因素，提出维护工作建议如下：

（1）对于CFM56-3发动机来说，VBV、VSV作动筒漏油是常见故障，针对该故障，飞机维修人员在检查工作中应加强监控发动机燃油排放桅杆上是否挂有燃油，如果有泄漏燃油，必要时候隔离漏油部件，及时更换，减少航班延误。此外，对于发动机左右风扇包皮接缝处的燃油更要小心，这极有可能是发动机风扇区域燃油管路发生破裂导致的。

（2）CFM56-3防喘机构也经常出现卡阻、实际位置超出范围、柔性轴绞断、活门卡死在关闭位或者打开位等故障，针对这些典型故障，建议飞机维护人员将VBV、VSV系统作为常规定期检查项目，在航线上做VBV、VSV系统相关工作时应该加强对这些系统的检查，检查调节所有VBV活门在基准关闭位，检查VBV止动机构在关闭位，目视检查VBV活门、VSV活门、活门封严以及柔性轴无损坏，使用专用工具从人工转动VBV、VSV，确信VBV、VSV工作流畅、自如、无卡阻现象。

（3）在进行CFM56-3发动机的防喘机构的安装作业时，严格按照飞机维护手册，需用专用工具设定止动机构、VBV活门位置，确保止动机构、VBV活门在全关位置。

（4）由于发动机工作时外涵道压力明显低于内涵道压力，因此VBV活门容易出现故障，针对这种情况，维护人员可在地面多次进行操作测试，可能需要反复多次，故障才会再现。

最后，在预防故障过程中，维护人员要按照工卡对飞机进行仔细检查，并加强对发动机参数的监控，如果发现故障，结合防喘机构的工作原理和功用，分析在检查调试中出现的工作现象，利用飞机上已有的系统实时监控活门的位置，从易到难，逐步隔离，准确定位故障件，从而缩短排故时间。

参考文献

[1] 杨燕萍.浅析CFM56-5B发动机的可调放气活门（VBV）的故障[OL].中国民航维修网，2009.

[2] 敖良忠.CFM56-5B发动机VBV系统故障分析[J].中国民航飞行学院学报，2005，16（5）.