基于慢車性能參數的RB211-535E4發動機喘振健康監控方案

■ 韓小琦/廈門航空有限公司

2015 年前后，廈航8臺RB211-535E4在翼發動機機隊一年內發生了兩起慢車喘振超溫導致機組關車事件，為此建立了發動機慢車EGT參數監控系統，以實現對該型發動機防喘放氣系統的健康監控。通常發動機廠商和航空公司僅關注發動機的高功率性能參數，如起飛階段或者巡航階段的參數，而慢車參數由于其本身的不穩定性，業內鮮有對其進行監控的應用案例。本文所述案例，根據RB211-535E4發動機特殊的防喘邏輯原理，找到了巧妙利用慢車性能參數監控發動機防喘性能的應用方法，可為慢車性能參數在其他型號發動機上的監控應用提供參考。

1 RB211發動機防喘系統工作原理簡介[1]

1.1 基本功能

RB211-535E4發動機的防喘系統主要利用兩種方法進行主動喘振預防和改出：壓氣機活門放氣和瞬態壓力組件（TPU）減少供油。

當TPU探測到喘振時，發送控制信號改變放氣活門控制組件（BVCU）程序，提供高能點火，控制瞬態燃油組件（TFU）減少供油，幫助發動機恢復到正常狀態。TPU只有在探測到喘振時才會作動，因此其實際作動非常罕見，因此故障率較低。

壓氣機放氣活門控制系統如圖1所示，主要包括6個放氣活門：1個高壓2級活門、2個高壓3級活門、3個中壓6級活門。BVCU接收N2、T2、PLA和高度電門等信號，控制放氣活門的開關。為了降低發動機油耗、提高發動機EGT裕度，同時也為了保證發動機在較高的喘振裕度工況下持續工作，壓氣機放氣系統需要根據發動機的功率和運行狀態不停地調整各個活門，頻繁作動導致放氣活門系統成為防喘系統的主要故障源，也就成為了防喘監控對象。

圖1 防喘放氣活門的系統工作原理

1.2 現有防喘監控方式的缺陷

現有的防喘監控方式均存在缺陷。RB211發動機的防喘監控可以通過單機版的COMPASS監控軟件或羅羅公司提供的遠程監控網站來實現。然而，這兩套監控系統均是通過收集發動機高功率運轉狀態的報文（如起飛報和巡航報）來進行監控管理的。但從圖2右側框內狀態可知，在發動機大功率下，所有活門均應處于關閉位置。如活門在關閉位故障而無法打開，此時的發動機性能狀態并不會表現出任何異常。而放氣活門防止發動機喘振的基本原理正是將放氣活門打開，以獲得更大的喘振裕度。因此，對高功率發動機性能參數的監控無法達到有效監控放氣活門防喘性能的目的。

2 慢車參數的原理

目前，高功率性能參數已經得到了非常廣泛和有效地應用，利用高功率階段豐富的發動機參數已經組合開發了很多廣為人知的性能參數，如EGTM、DFF和DEGT等[2]。隨著ACARS報文數據量的增加，高功率參數使用范圍和功能也越來越強大。然而，低功率慢車參數也有其無法替代的獨特優勢。

2.1 慢車性能參數的優勢和劣勢分析

慢車狀態是一個比較有特點的運轉狀態。慢車狀態是發動機運行的最低功率狀態，主要在地面滑行等待和下降階段使用。RB211不僅有高低慢狀態，還有瞬態和穩態兩種模式。發動機在慢車階段不僅需要維持發動機的最低運轉功率，還需要保障飛機電源、氣源和液壓源的動力等，這些都導致慢車狀態有著獨特的優勢和劣勢。

慢車狀態下的性能參數（見表1）具有的優勢有：1）功率相對穩定。以RB211和CF56-7B為例，慢車狀態下油門桿保持在慢車位，功率狀態相對穩定。因此，慢車狀態下更容易從性能參數的變化中剝離出飛機狀態變化或者系統故障事件。2）部分系統的作動邏輯僅在慢車狀態下才會穩定出現。例如，本例中的RB211放氣活門在慢車瞬態模式下會全部打開以提高喘振裕度，而在高功率時為了在提高發動機效率的同時降低EGT溫度，放氣活門卻會全部關閉。因此，慢車性能參數有其獨特且無法取代的優勢。

大部分處于慢車階段的性能參數功率相對穩定，但EGT溫度會受到歷史狀態影響，其他階段雖也會受到影響，但影響幅度較小，或規律較為明確可有效修正。起飛報在航前第一段計算出的EGTM往往偏低，如圖3所示（圖中顯示時間為GMT時間），就是發動機熱車不到位導致。在慢車階段，發動機冷車啟動后的慢車EGT溫度逐步提升，即通常所說的暖車。反之，剛剛經歷過大功率運轉的發動機進入慢車后，EGT溫度逐步下降，即通常所說的冷車。暖車和冷車階段EGT的溫度變化在50℃～100℃之間，該變化受時間和內外溫差的影響，通常很難找到合適的補償或者修正方法使參數達到所需的精度，這也是慢車性能參數鮮有成功應用案例的原因。因此，慢車性能參數的選取和處理難度更大。

圖2 放氣活門工作邏輯（正常狀態）

2.2 慢車參數選取方法

為了克服慢車的暖車和冷車效應，需利用參數選取的邏輯，最大程度上減少暖車和冷車效應的影響。表2對比分析了每個慢車階段的特性，發現落地收反推后的這段時間內發動機性能受到暖車冷車影響最小，同時也能提供一個較好的數據采集錨點，方便編程識別。

該節點的RB211發動機所有放氣活門都被打開，正是防喘放氣活門打開能力判定的良好時機。

表1 慢車性能參數和高功率性能參數的對比

圖3 冷車狀態對EGTM的影響

3 基于慢車參數的防喘系統監控方案

3.1 監控邏輯原理

在確定了慢車取值邏輯后，再繼續深入分析飛機落地收反推后的慢車EGT溫度變化趨勢。收反推后油門保持在慢車位的典型EGT溫度變化趨勢如圖4所示。橫坐標為時間軸，左側縱坐標為EGT溫度，右側縱坐標為左右發動機EGT溫度之差。從反推收回開始，燃油流量超量減少，EGT溫度出現低谷，而后再次提升開始企穩。此時由于收放反推對油門的擾動，系統處在瞬態，6個放氣活門包括HP3放氣活門打開并保持在打開位。經過約40s的穩定后，系統恢復到穩態，2個HP3放氣活門關閉導致EGT溫度出現階躍式下降，降幅約在30℃～40℃左右。之后，如果不再擾動油門，發動機繼續冷車，EGT繼續緩慢下降。利用對該變化趨勢的分析結果，分別對HP3開關的兩個位置進行數據采集。建立HP3開位EGT和HP3關位EGT兩個慢車性能參數。HP3開位EGT溫度趨勢是判斷6個放氣活門是否全部打開的標志，二者之差是判斷HP3活門是否可以正常開關的標志。

繪制HP3開位和關位EGT溫度趨勢圖，此時數據依然非常離散，再利用場溫和場壓等數據進行多元線性回歸修正，最后可以得到較好的趨勢曲線。如圖5所示，數據點是每個航段采集到的EGT溫度值，從2016年8月初開始HP3開位EGT數據出現異常波動（圖5框中的數據點），頻繁下降約16℃～18℃左右，而對應發動機的HP3關位數據點卻趨勢穩定，綜合判斷懷疑HP3活門可能存在間歇性無法打開故障。結合Airfase譯碼再次確認了此情況，再通過3號試車確認該故障為瞬時故障。排故隔離證實在更換了高壓三級放氣活門的電磁閥后，數據點恢復正常。

在該邏輯的基礎上，還可以開發基于ACARS的實時航段的報警，以及Airfase的趨勢報警，可以做到當天報警能在當天航后得到有效處理的程度。

3.2 喘振預防的其他輔助措施

通過對慢車性能數據的研究，確實發現放氣活門工作的可靠性明顯不佳，而且多表現為瞬時間歇性故障，且發現異常后隔離困難，手冊提供的根據3號試車進行故障隔離的效果有限。為此，通過對RB211放氣活門控制原理的分析，專門制定了《3號試車排故升級版》，其中的主要改變是：1）對高壓三級活門的測試提供更多備選測試方法，即從較高功率快速收回慢車的測試方法。2）提出場溫對原測試方法的干擾，并提供了調整解決方案。如果夏天場溫太高，原試車方案中將功率推到EPR=1.07后，其中一個高壓三級活門可能已經超出自動轉換功率點，導致等待40s后并不會出現足夠的溫降（僅能降到正常水平的一半，約20℃左右），此時應將功率回收到EPR=1.06或1.05；如果仍不能通過，再參考第一條進行測試，最終隔離到活門故障。

表2 各慢車階段的適用性分析

圖4 落地收反推后的慢車EGT變化趨勢圖

圖5 HP3開位和關位的EGT趨勢圖（上下兩部分的圓點分別為左右發動機開位和關位溫度）

此外，對發動機定期進行水洗也是一個有效的防喘預防措施。一方面，發動機水洗提高了壓氣機的效率，使發動機遠離喘振邊界；另一方面，發動機水洗后進行3號試車是有效的定期檢測手段，有案例曾在水洗后的試車中成功發現了放氣活門故障，甚至還在試車時就聽到了發動機的喘振異響。

3.3 監控案例

實際運行中，除了真實的防喘系統故障之外，也會有其他故障導致報警的觸發，一般都是由于發動機的功率負載降低所致。IDG脫開、引氣或空調脫開等都會降低發動機的負載，如表3所示，此時發動機可以用較少的燃油達到所需的推力，因此EGT溫度也會隨之降低。

表3 監控報警的案例

自從防喘系統健康監控系統上線運行后，在其他一系列的防控措施的配合下，我公司RB211發動機在2018年退出運行前的累計飛行時間為43096小時（20474循環），期間再未發生過在翼發動機喘振類故障。

4 總結

落地收起反推后RB211發動機所有的放氣活門都會打開，該特性奠定了慢車性能參數在RB211喘振預防中的特殊地位。在此基礎上繼續分析放氣活門的作動邏輯，制定了數據取值邏輯，再對數據進行回歸優化，就能實現對放氣活門的監控報警。

但慢車性能參數的應用不應該止步于此。慢車性能參數仍然有其他階段參數不可替代的優勢，如果能充分利用這些優勢，結合系統本身的邏輯特性來進行針對性的開發，就能不斷拓展慢車性能參數的使用范圍?？傊?，慢車性能參數還有更多待發掘的廣闊應用空間。