CFM56-5B發動機VSV系統故障分析

李潤文

摘要：可調靜子葉片（VSV）系統是防止發動機喘振的重要系統。本文介紹了CFM56-5B發動機VSV系統的組成和工作原理，對該系統幾種常見的故障以及某架飛機VSV連桿搖臂機構故障進行了分析，找出了故障原因，并提出了合適的維護建議，可為同類故障的排除提供參考。

關鍵詞：CFM56-5B；可調靜子葉片系統；故障；搖臂機構

Keywords：CFM56-5B；VSV system；failure；bellcrank

1 發動機VSV系統概述

如圖1所示，ECU根據核心發動機高壓轉子轉速（N2）和壓氣機進口溫度（T25）信號，改變高壓壓氣機三級（第2、3、4級）進氣導向葉片的角度，通過調節氣流方向實現對壓氣機工作效率的優化，提高喘振裕度?？烧{靜子葉片系統（VSV）包括2個VSV液壓作動筒及其作動機構和連桿，VSV液壓作動筒以雙重獨立線性可變差動傳感器（LVDT）進行位置反饋。液力機械組件（HMU）輸出的燃油是操縱VSV作動筒的液壓介質。每臺發動機的VSV系統均由以下部件組成：2個液壓作動筒、2個位置傳感器（LVDT）、2個搖臂機構、HMU、ECU和線束（J7、J8、J11、J12、CJ11R和CJ12L）。

2 VSV系統工作原理

1）作動線路：ECU發給HMU的扭矩馬達電壓信號改變力矩馬達的位置，即決定了HMU調節后的壓力是對VSV作動筒的桿端供壓還是對頭端供壓，由此完成VSV作動筒的伸出或收進。VSV作動筒與曲柄機構機械相連，曲柄機構隨著作動筒的作動而作動，從而帶動VSV葉片的轉動。

2）反饋線路：每個作動筒上有一個LVDT，ECU的A通道和B通道分別給相應作動筒的LVDT輸出一個勵磁電壓，LVDT通過勵磁電壓和作動筒的實時位置感應獲得對應的電壓值，分別送給ECU的A通道和B通道。每個通道的反饋值如果在許可范圍內，則取平均數；如果不在許可范圍內，則只取一個有效值，并給出FADEC維護信息；如果兩個信號均在許可范圍內，但信號差值大于7.6mm，也會給出FADEC維護信息。

3）控制線路：ECU在接收到來自N2和T25傳感器的信號后，通過當時的飛機高度、引氣狀態、防冰活門開啟情況和發動機工作狀態等計算出VSV的指令值，ECU通過反饋值與該指令值的對比，改變對HMU內部VSV力矩馬達的電壓信號，繼而完成對VSV葉片位置的精確控制。

4）VSV位置反饋傳感器：LVDT由一個鐵心、一個初級線圈、兩個次級線圈組成，初級線圈、次級線圈分布在線圈骨架上，線圈內部有一個可自由移動的桿狀鐵芯。當鐵芯處于中間位置時，兩個次級線圈產生的感應電動勢相等，輸出電壓為0；當鐵芯在線圈內部移動并偏離中心位置時，兩個線圈產生的感應電動勢不等，就有電壓輸出，電壓大小取決于位移量的大小。為了提高傳感器的靈敏度、改善傳感器的線性度、增大傳感器的線性范圍，設計時將兩個線圈反串相接，兩個次級線圈的電壓極性相反，LVDT輸出的電壓是兩個次級線圈電壓之差，且該電壓值與鐵心的位移量成線性關系。VSV位置反饋傳感器內部原理圖如圖2所示。

3 常見VSV系統故障

3.1 VSV系統作動故障

當N2轉速在14.5%以上時，VSV實際作動位置與目標位置的差值超過0.21in（5.334mm），且持續時間超過4s，就會觸發VSV ACT、HMU通道A或VSV ACT、HMU通道B的故障信息?？赡艿墓收显从蠬MU、ECU、線束J7（通道A）、線束J8（通道B）。

3.2 VSV反饋信號故障

單個或者兩個LVDT給出的反饋信號不準確或不在標準范圍內，兩個LVDT信號之間的差值超過0.3in（7.6mm），就會觸發VSV ACT、J11、ECU通道A或者VSV ACT、J12、ECU通道B的故障信息?？赡艿墓收显从蠩CU、VSV作動筒、驅動及連桿機構、線束J11、線束J12、線束CJ11R、線束CJ12L。

3.3 VSV力矩馬達電路故障

當VSV力矩馬達電路環路出現開路或其對地短路的情況下，會觸發J7、HMU（VSV TM）、ECU或者J8、HMU（VSV TM）、ECU的故障信息?？赡艿墓收显从蠬MU、ECU、線束J7（通道A）、線束J8（通道B）。

3.4 VSV作動筒漏燃油

2017年1～12月我司因VSV作動筒漏油更換了9個作動筒，此前因漏油共更換了30臺VSV作動筒。VSV作動筒更換時間較長，很容易造成航班延誤。VSV作動筒因漏油而送修，基本上會更換所有的封圈，從修理報告中無法定位或發現哪些是失效率較高的封圈。VSV作動筒的整體可靠性較高，絕大部分漏油的作動筒在航后繞機檢時能夠被發現。VSV作動筒使用的液壓介質為伺服燃油，呈水狀，易揮發，氣味較重。燃油的滲漏量一般很大，呈線狀滴下，與周圍環境的顏色區別也很明顯。經生產廠家統計，75%的燃油滲漏是靜態的，大多數靜態滲漏都可以參考AMM程序來處理，在發動機經過5min慢車后會消失，只有約10%的燃油滲漏需要立刻采取必要的維護措施。從世界機隊統計情況來看，CFM56發動機余油口漏燃油主要發生在冷天過夜后的當天第一次啟動時，啟動5min之內的燃油滲漏一般都低于AMM限制值。經過快速脫開管路檢查確認為VSV作動筒漏油的故障，需要參考AMM手冊進行處理。

確認為燃油滲漏的，判斷標準是每分鐘60滴以內，即一秒一滴，這個分寸應該很好把握。此種情況不需要處理，可以正常起飛。如果油滴呈線型大量漏出，可待發動機慢車狀態5min后，如果小于60滴/min，可通知機組正常啟動滑出，通常75%是這種情況，飛機可正常放行。如果慢車5min后仍超過60滴/ min，但小于90滴/min，可在不影響運行情況下的25個循環內完成修復；如果大于90滴/min，可以讓機組適度加大油門桿，再收回到慢車位檢查，如果漏油仍然超過90滴/min，應通知機組對漏油發動機關車，再重新啟動發動機檢查，如果滲漏仍然超標，則需安排停場排故。燃油滲漏檢查邏輯圖如圖3所示。

3.5 作動筒內部 LVDT故障

VSV作動筒內部的LVDT常見故障有：

1）由于在伸出和收進過程中作用在活塞上的燃油壓力過大，導致傳感器出現裂紋或變形；

2）電插頭底部的橡膠墊圈丟失，導致電路接觸不良；

3）LVDT根部的收縮管或線路的絕緣性出現問題。

2013年某件號VSV作動筒因LVDT內部電路短路出現間歇性故障，該故障可能導致包括中斷起飛和空停在內的發動機重大故障。當時的CMM程序無法在VSV例行測試和修理時檢測出此故障，因此導致NFF，裝機后導致發動機出現重大故障。為此，CFM頒布SB CFM56-5B 75-0046 R0，推薦在VSV作動筒送修時更換LVDT，以提高可靠性。SB中列出的受影響件號為：1211313-008（1324M12P08）、1211313-009（1324M12P09）、1211313-010（1324M12P10）。我司機隊裝機件號為1324M12P10，在與廠家確認已發生過發動機重要事件的VSV作動筒件序號后，對這些件序號的VSV作動筒下發TA，要求在完成大修且更換LVDT之前禁止裝機，直至完成大修并更換LVDT后方可恢復裝機使用。由于之前我司沒有因VSV間斷故障出現過較嚴重的問題，所以此SB我司沒有執行。

LVDT被安裝在VSV作動筒的內部（見圖4），屬于部件修理項目，航線人員無法單獨更換LVDT。因此，對于由LVDT產生的故障，只能更換整個 VSV作動筒。

3.6 VSV連桿搖臂機構故障

VSV系統的常見故障件主要有VSV作動筒、HMU、ECU和線束，以VSV作動筒的故障最為常見，不常見的故障部件是搖臂機構。下面介紹一起某飛機發生的VSV右側搖臂機構故障。

1）故障現象

飛機在空中觸發報文信息：WN：ENG 2 FADEC；FR：VSV ACT，J11，ECU ENG2A/IDEIU2FADEC；FR：VSV ACT，J12，ECU ENG2B/ IDEIU2FADEC，飛機在地面時SD頁面2號發動機FADEC維護信息（見圖5）。

2）排故過程

從第一次觸發故障信息到故障排除，總計更換了4個VSV作動筒，1臺ECU計算機，1臺HMU，1件VSV 搖臂機構，線纜J11、CJ11R和CJ12L各一條（見表1）。

3）故障結論

VSV右側搖臂機構損壞，更換后故障消失。

由系統原理可知，ECU根據當前的工作狀態和環境條件給HMU發送指令，HMU將伺服燃油供給兩側的VSV作動筒，作動筒帶動連桿搖臂機構，從而帶動VSV葉片轉動。VSV作動筒上的LVDT將位置信號反饋給ECU，通過比較而進行精確控制。

此故障中，由于是雙通道故障，所以故障件的鎖定范圍是ECU、VSV作動筒和VSV搖臂連桿機構。與其他飛機串件ECU和更換VSV作動筒后，故障現象依然存在，由此判定。

圖6所示是一個VSV搖臂機構新件，圖中藍圈所示的軸套在故障件上已經磨損丟失，導致連桿磨損成橢圓形。通過測量磨損極限位置到正常有軸套時位置的距離，可以看出空行程距離為4mm（見圖7），由于作動筒端與這個磨損端是杠桿原理，所以作動筒端產生的空行程約為7.72mm，已經大于警戒值7.6mm，故在VSV作動筒作動時產生的反饋信號不一致，導致出現VSV ACT，J11，ECU通道A或VSV ACT，J12，ECU通道B的故障信息。由于此處損傷很隱蔽，且在發動機上的位置不佳，在之前幾次檢查搖臂機構時均未發現有故障。因此建議：如果再遇到這種情況，應先將作動筒脫開，用手搖晃搖臂，搖晃時應注意是否為VSV葉片作動方向上搖晃，這樣容易發現磨損情況。

CFM公司曾經發布SB72-0114，針對這個連桿機構進行改進，在多個位置加裝了軸套（見圖8），以提高發動機的維護性。

上述故障中加裝的軸套也磨損丟失，說明此處受力較大，且軸套材料較脆，十分容易破裂，一旦破裂將全部丟失，導致部件磨損，繼而成橢圓形，增加了空行程距離，最終出現維護信息。

4）針對故障的總結

TSM手冊中未提到搖臂機構，也沒有相關的檢查內容和方法。此部件的拆裝程序只能在ESM手冊中查到，給航線施工帶來了困難。磨損掉的軸套是消耗件，更換時需要加熱等特殊工藝，航線無法完成。此軸套沒有相應的檢查工卡，無法提前檢查到磨損。

該軸套的損壞特點是雙通道一直出現信息，但是故障不是一直存在。一般都是在發動機處于過渡狀態或外界條件改變需要調節VSV角度時出現，發動機地面帶轉測試一般測試不出來。

VSV作動筒的LVDT損壞也會產生同類故障現象，所以故障不容易隔離。建議在更換VSV作動筒時增加一項VSV搖臂機構的步驟檢查，要求在VSV作動筒拆下時進行，這樣空間大，便于查出空行程。

加強航線維護人員對此軸套的了解和認識。由于軸套是黑色的，難于發現其丟失，建議后續咨詢廠家能否將軸套顏色改為紅色或其他醒目的顏色，便于航線檢查維護。

參考文獻

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