飞机发动机风扇转速

1、又称为风扇转速）称为N1转速，这两个转子之间相互独立，N1和N2没 有一个固定的对应关系，它们之间的关系完全是建立在涡轮和压气机功率分配及 各自负载大小的基础上。由于CF惦6 3是在80年代设计成功并投入使用的 一种发动机，因此其转速控制方式既不同于早期传统的全机械液压控制，也有别 于当今普遍采用的全权限数字电子控制（又称FADEC控制），它的转速控制 采用两个控制器分别来完成，在控制高压转予转速时采用的是机械液的控制方 式，即采用一个机械液压控制装置一主发动机控制器（俗称MEC）来进行控制； 在控制低压转子转速时采用一个电子控制装置一功率管理控制器（俗称PMC） 来进行控制，刘它的转速控制是

2、采用机械液压控制和电子控制相结合的一种控制 方式”。CFM5 6 3发动机是一种高涵道比的涡轮风扇发动机，在海平面标 准大气静态起飞条件下，其涵道比在5. 0左右，气流通过风扇产生的推力占整 个发动机推力的大约8 0%以上，因此在飞机上就采用N1转速来指示发动机推 力，发动机推力的控制也是以精确控制N1转速的方式来实现的，即功率管理控 制器（PMC）通过控制N1转速柬实现的。功率管理控制器（PMC）除了能 够精确控制N1转速外，它不参与发动机其它系统的控制。而主发动机控制器（M EC）不仅用于控制发动机N2转速，它还需要对发动机其它控制系统进行控制。 在两个控制器同时控制发动机时，功率管理控制

3、器在一定程度上具有优先权以便 获得较为精确的推力，但在功率管理控制器失效或不工作时，主发动机控制器控 制在大多数情况能够保证发动机获得足够的推力，但这时不能获得需要的精确推 力。2.3主发动机控制器对发动机的控制在CFM5 6 3发动机两个控制器中，从某种意义上说，主发动机控制 器（MEC）是其主要的控制装置，它能够完成发动机绝大部分的控制功能，下 面就针对主发动机控制器控制功能进行分析。2.3. 1主发动机控制器的功能组成丰发动机控制器是一个全机械液压控制装置，完成发动机的主要控制功能， 它内部山弹簧、凸轮、杠杆、齿轮、膜盒、分油活门等一系列的机械液压结构组 成，内部结构极其复杂，深入研究其

4、内部物理结构对于帮助发动机的排故T作没 有实际价值，因此本文仅从系统组成及控制功能上对其进行探讨。图2 2是 MEC组成的方块图：图2 2MEC组成方块图MEC作为一个控制组件，从控制功能上讲，可分为五个控制部分：核心机 转速（N2）调节系统（SpeedGoverning）.燃油限制系统（F uelLimiring）.高压涡轮主动间隙控制系统（HPTACC）、可调 静子叶片（VSV）控制系统、可调放气活门控制（VBV）系统，见图2 3。核心机转速（N2）调节系统用于N2转速的控制，使发动机根据一定的飞 行员指令获得一定的N2转速，保持发动机正常、稳定地工作。燃油限制系统提 供发动机加、减速过程

5、的保护，它通过限制发动机加、减速过程的油气比，防止 发动机在加、减速过程中出现熄火、超温和喘振以及其它不正常工作，同时保证 发燃油控制系统转速调节系统（FuelLimiting）(SpeedGoverning)高压涡轮间隙控制系统(HPTACO可调静子叶片控制系统可调放气活门控制系统(VSV)(VBV)图2 3MEC控制系统组成动机具有良好的加、减速性。高压涡轮主动制隙控制系统用于控制高压涡轮 叶片叶尖和高压涡轮衬环之间的间隙，使该间隙在发动机所有工作条件下处于最 优的工作状态，从而在保证安全的情况下提高EGT裕度，延长发动机在翼时 间，减小燃油消耗率，降低发动机使用成本，从而获得最佳的经济性

6、能。可调 静子叶片控制系统控制高压压气机前几级静子叶片的角度，以控制进入高压压气 机转子叶片的气流进气攻角和控制进入高压压气机的空气流量，从而改善高压压 气机工作的稳定性，防止高压压气失速或喘振。可调放气活门控制系统用于控制 从内涵排入到外涵的空气流量，以改善低压压气机的工作稳定，防止低压压气失 速或喘振，而且能够获得必要的发动机推力。2.3.2开环和闭环控制系统发动机控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统，MEC内部的五个主要 的控制系统中，除了高压涡轮间隙控制系统采用的是开环控制以外，其它系统的 控制都是采用的闭环控制。闭环控制系统的结构简图如图2 4”。该闭环系统的控制原理是：需要控制的

7、受控对象的被控量，被控量经测量后 反馈到控制器中的比较器，比较器将反馈信号同指令信号进行比较后获得偏差信 号，该偏差信号经放大后到执行元件去操纵受控对象使被控量按预定的规律变 化，力图去消除偏差。也称这种控制方式为按偏差调节。把被控量反馈到输入端与指令信号比较后又参与控制的系统为反馈控制系 统。指令信号与被控量相减为负反馈；相加则为正反馈。闭环控制是发动机控制 + EGT裕度也是影响发动机在翼时间的主要刚素之一9系统中图2 4闭环控制系统结构简图闭环控制有三大特点：信号按箭头传递是封闭的；负反馈；按偏差控制。它 的主要优点是控制精度高，抗干扰能力强。还有一种控制方式称为开环控制，开环控制又分为

8、按给定值控制和按干扰补 偿。在CFM5 6 3发动机中，高压涡轮间隙控制系统是采用的是按给定值 控制的图2 5兀环控制系统结构简图其原理是：需要控制的是受控对象的被控量，信号只由给定值单向传递到被 控量，无反馈联系，这种控制的特点是控制系统简单，但控制精度低，抗干扰能 力差，它与闭环控制的基本区别在于反馈作用。2.3.3MEC转速调节系统1.转速调节系统的特点CFM5 6 3发动机MEC转速调节系统是一个负反馈闭环控制系统，它 是一个离心飞重式的调节装置，由离心飞重感受发动机N2转速，形成反馈。M EC转速调节器式一个有偏差调节器，其控制原理如图2-6，即：在油门杆设 定和外界输入参数一定的情

9、况下，发动机N2转速要随高压转子负荷的改变而发 生改变。当负荷增加时，转速调节系统要增加燃油流量，以保持N2转速不变。发动 机燃油流量的增加是通过开大燃油计量活门来实现的（改变燃油流量可通过两个 途径来实现：改变燃油计量活门开度和改变燃油计量活门定压差活门的压差，燃 油计量活门定压差活门的压差是根据燃油比重确定），要改变燃油计量活门开度 要求离心飞重必须移动，在油门位爱设定和其它输入参数保持恒定时，要使离心 飞重移动的唯一方法就是转速的变化。图2-6有偏差转速调节器事实上，随着载荷的增加，发动机转速会降低，离心飞重向内移动，燃油计 量活门开大，增加燃油供油量，但不转速不能恢复到载荷增加前的水平

10、。转速的 轻微降低可以引起燃油计量活门开度的较大变化，这种转速变化称为“有偏差”， 它采用全额定转速的百分数来衡量。“有偏差”调节是机械调节器反映出来的固 有特性。2.转速调节系统的工作在MEC中，发动机转速调节系统是一个主要的控制系统，其输入信息主要 是外界大气参数、飞行员指令和发动机状态”。，其调节原理如图2 7。MEC转速调节系统制定转速计划的输入参数包括：风扇进口压力Psi 2、风扇进口温度T2.0、油门杆角度PLA。除此之外N2还要受其它因素 的影响，包括：部分功率（PartPower）调节、从PMC获得的力矩马 达电流（TMC）以及核心机负载，慢车转速N2还要受慢车调节的影响ME

11、C根据Psl2、T2.0、油门杆角度、部分功率参数、TMC电流大小制定 转速计划，即弹簧的预压力，该预压力的大小实际就是需求转速N2。调节器 离心飞重的离心力则反映了N2转速的大小，形成反馈，它与调节器弹簧的预压 力反作用力，转速越高，离心飞重的反作用力就越大，当I二者保持平衡时，燃油供油量保持不变，转速保持不变，即N2R = N2+。当外界条件变化时，转速调节器弹簧的预压力或由于实际N2转速变化 引起离心飞重的离心力发生变化，转速调节器的平衡就会打破，燃油供油量就要 发生变化，转速发生变化，离心力随之改变，当再次达到平衡时，发动机转速稳 定在新的值。图2 7MEC转速调节系统工作原理综上所述

12、，影响发动机稳态N2转速大小的因素主要包括三方面：发动机功 率设定（PIJA）、外界环境条件、发动机的负载。其中发动机负载对转速 的影响在很多情况下被误解，维护人员普遍认为负载不会影响发动机转速，这实 际上是错误的，通过以上的分析，不难发现其中的道理，掌握这一点对于我们以 后的排故分析是非常有好处的。2.3.4MEC燃油限制系统1.燃油限制系统的功用MEC燃油限制系统防止发动机过渡状态工作时，压气机不稳定工作（失速、 喘振）和贫、富油熄火等，保证在加速、减速和起动过程中既有良好的加速性， 发动机又能稳定工作。燃油限制系统实际上就是对燃烧室的油气比进行限制，它包括稳态油气比限制和加、减速油气比限

13、制。22.燃油限制系统的工作燃油限制系统作为发动机的一个主要的控制系统，它对发动机在加、减速时 的稳定工作具有极其重要的作用，MEc在制定加、减速燃油计划时主要用到以 下参数：高压压气机进口温度CITC又称为T25）、N2转速、引气量CB P、高压压气机出口压力CDP、燃油比重，如图2 8。燃油限制系统加、减速油气比图2-8MEG燃油限制系统在没有引气的情况下，CFM5 6 3发动机稳态转速的油气比是核心机修 正转速N2K的函数，即：争=，（W2K式中：25）；胪，=cDPx，（W2K25） 式2 1厂（W2K25 ）蔓JMEC燃油限制系统制定的允许油气比；（式2 2）W2 置25：4 坠fT

14、252 8 8在N2转速一定的情况下，T2 5升高，进入发动机的空气流减少，同时发动机失速裕度减小，为保证发动机稳定工作，在加速过程中燃油限制系统给出的 燃油流量允许变化量将减小，发动机加速性将变差；当N2增加时，修正转速N 2K增加，发动机工作点远离喘振边界，喘振裕度增加，这样可适当增加燃油供 油量，使发动机获得良好的加速性能。CDP压力的大小用于衡量燃烧室空气流 量的多少，CDP越小，进入燃烧室的气体减少，供油量减少，发动机加速性也 会变差。有引气时，在相同的CDP情况下，若燃油流薰保持在没有引气时的水 平，则发动机加速性就会很差，因此在CFM56-3发动机上采用CBP传 感器采集引气量大

15、小来补偿引气对发动机加速性的影响。f）MEC在制定燃油流量允许变化率时，采用系数一CDP来对供油量进行补 偿，补CBP偿后的供油量为：W：，。兰坠WLBP （式2 3将上述两式综合得：W，=，X 等=。？乂，（W2 2 5）X 争式 2 4KCBP传感器为双文氏管结构，CBP压力为中央文氏管喉部的静压力，在 没有B1气时，CDP = CBP，系数兰竺=1，供油量为计划供油量；有引气 时CDP CBP，CBP兰！竺1,引气量越大，堡生也就越大，根据式（2 4）,补偿后的 燃油供油量 ：8PCBP。也就越大。J纭。需求转速设定7全油f3D凸轮J攀J1“ I .一._JkN2*0.6矿APLA凸轮7

16、一 7霉：7L油气比.【、。名阶.矽b燃油计量活门CDPN21 （25r燃油限制系统3D凸轮图2 9转速调节系统和燃油 限制系统的关系在加速过程中，燃油流量允许范围由两个凸轮决定：一个3D凸 轮和一个CDP凸轮。3D凸轮轴向运动由高压压气机进口温度T25的大小决 定，其转动角度由N2转速决定，凸轮表面上的轮廓为允许的油气比旦。CDP 凸轮的轮廓决定8P。婴三的大小，从而实现有引气时对燃油流量的补偿。连接3D凸轮和 CDP14凸轮的连杆分别感受两个凸轮的轮廓对应的相应参数，计算出，CDP的 值，以CBP确定加速期间允许的燃油流量限制值，转速调节系统供给的燃油流量不允许 超过该值，同时燃油限制系统

17、防止发动机减速时燃烧室贫油熄火。转速调节系统 和燃油限制系统的关系如图2 9所示。燃油限制系统对燃油流量变化量的限制是通过控制FMV开度的变化量来 实现的，对于不同的燃油比重，同样的FMV的开度改变量对应的燃油流量的变 化量是不样的，因此MEC上的燃油比重调节会影响燃油限制系统的工作，从 而影响发动机过渡态的工作，但不影响其稳态工作。2.3.5VSV控制系统VSV系统使发动机在较宽的工作范围内保持高压压气机具有较高的稳定 性能。它通过改高压压气机进口导向叶片（iGv）和前三级静子叶片的角度， 使得高压压气机低压级和高压级气动匹配。静子叶片角度的变化，将改变气流流 入转子叶片的攻角，改变压气机的

18、稳定性。系统是按修正转速N.控制压气机V SV仃2 5V288位置。图210是其控制原理图。图2 10vSV系统控制原理2.4PMC对发动机的控制PMC作为发动机第二个控制器，它精确地控制发动机推力，同时还可以防 II：起飞时N1超调、减少EGT超调量，提高EGT裕度PMC在控制发动 机N1转速时，向MEC内的力矩马达提供一个驱动电流，改变燃油流量，从而 使发动机获得精确的N1修惟转速，从而获得精确的推力。EGT裕度的提高可 延长发动机的装机寿命。图2-14是PMC对发动机的影响“。一图2-14时间PMC对发动机参数的影响时间PMC在控制N1转速时，根据油门杆角度信号PLA、Psl2信号和T

19、12信号制定N1转速计划，油门杆角度信号通过一根连接于MEC和油门杆之 间的钢索传递给MEc，然后MEC内部的RVDT将其转换成电信号后通过一 根导线送到PMC： Psl2由一根空气管送到PMC； T12信号由位于进气 道上的T12传感器测量，通过一根导线送到PMC。当实际N1修正值和PM C制定的计划不一致时，PffC向MEC送出一个力矩马达电流Ts，通过M EC内部的力矩马达改变燃油计量活门的开度，从而改变燃油流量，使发动机N 1转速发生改变，获得需求的发动机推力。当Psl2减小时，空气密度降低， 要保持推力，N1物理转速必须增大；当T12增加时，N1修正转速减小，要 保持推力，N1物理转

20、速必须增大。PMC对N1转速的修正随发动机健康状况、发动机型号的不同而不同。图 215反映了CFM56381.CFM563B一2和CFM563 C1发动机PMC对N1转速的影rr、一响“。由于PMC的主要作用是精确控制发动机，因此在低（N1V46%）时， 它不参与19发动机控制PMC要参与发动机控制必须满足以下条件m1：PMC电门开启PMC系统工作正常；N 1 N4 6 %。钢VIIIPMG q .岫 IN. N I Bn 一，: j ：，一j ( 1 ： 1 -一-b r To 4+ 1 ，一：。t一-了 jo:,7 + 1 ( 1 ,。一一 I 蒜“一* 1 OO 一 r +寸i。i /

21、, c , | 1 (-F； 1 t1 =州 F I _ 1 # ,大_6, 0 _ u I g 1 u t 州 1 8I Im “18E 口 II -M 0 口叫抽一八_7。o i (7 : i:%。曩卜= = ”m”图2 15PMC对N1转速的影响PMC精确控制N1转速是通过改变燃油供油量来实现的，此时N2要发生 改变，而MEC要保持N2转速。因此在MEC和PMC同时控制发动机时，P MC在一定范围内具有优先权。PMC在为了保证N1转速时允许的最大N2变 化量为+3.85%/5.1%“J，若N2偏离太多，超出这个范围，则M 。不允许PMC进一步调节燃油计量活门的开度，发动机将不能获得所需的

22、推 力。与其它大多数电子控制组件一样，PMC内部拥有一套自检系统，检测整个 控制系统的输入、输出及内部控制逻辑的工作情况，若发现有故障，则不会向近 Ec的力矩马达输出电流，同时自检系统还会使位于驾驶舱P52面板上的 “PMCINOP”（不工作）灯变亮，提醒飞行员该台发动机的PMC不工作。 在飞行中，若飞机有图3 1发动机控制器的所有输入参数和调节及各系统之间的相互关系3.1系统输入参数传感器系统输入参数传感器包括：压力传感器：Psl2，Ps3（又称CDP），CBP：温度传感器：T12，T2.0（又称FIT），T25（又称CIT）， T49.5（又称EGT）；位置传感器：VSV位簧反馈，VBV位

23、置反馈， 油门杆角度传感器（RVDT）；转速传感器rN2控制交流发电机，N1转速传感器。3.1。1压力传感器1.风扇进口压力Psl2传感器Psl2传感器感受进入到发动机风扇叶片前流动气流的静压力，连续地把 该压力信号送到MEC的转速调节系统和PMC的功率管理系统，用于MEC制 定N2转速计划和PMC制定NI转速计划。该信号分另g送到MEC和PM C,信号源是一致的，Psl2感应系统故障，绝大多数情况同时影响MEC和 PMC的工作。出于Psl2压力探测系统将压力传到MEc和PMC是通过管路来完成 的，若Psl2空气管路泄漏、接头松动或脱落，由于风扇整流罩内的气流没有 流动其静压即为总压，它大于风

24、扇进口流动气流的静压力，此时会使测量压力大 实际的压力，在给定油门杆位置情况下，MEc的转速调节系统将使N2降低。 在这种情况下，由于是公共感应管路的故障，同时影响MEC和PMC系统的工 作，所以无论PMC是否打开，N1都会较正常值偏低，从而造成油门杆错位， 受影响的发动机油门靠前。Psi2在其管路6点钟位置有一个约为0.叭英寸 大小的放水孔，如果该孔被杂质堵塞，飞机出现油门杆错位。若出现该类故障。 多表现为间歇性，在地面工作时工作正常，在空中则出现故障，这对排故增加了 难度。对于这类故障没有一个统一的排故标准，不同的公司可能采取不同的措施， 不过就该故障来讲可以通过对空中出现的故障表现形式结

25、合对控制系统的分析， 进行排故。只常维护中，为了避免该故障的发生，要求定期对放水孔进行检查， 并在发动机水洗后对其进行检查，保持其畅通。综上所述，若Psl2感应系统出现故障，绝大多数情况下它同时影响MEC的N2控制系统和PMC的N1控制系统，并且二者的变化趋势是一致的。2.胍气机出口压力CDP传感器CDP传感器测量高压压气机出口空气静压力，通过管路将其送到MEC制 定加、减速的燃油限制计划，它的大小反映出进入燃烧室的空气量，用于确定加、 减速过程中的瞬时喷油量，确保减速过程中发动机不出现失速或熄火，同时保证 加、减速过程的快速性。CDP只影响MEC的燃油限制系统，对PMC系统没 有影响。CDP

26、感应系统常见的故障是：管接头松动、脱落、管路接头破裂导致漏气 和放水口堵塞造成的管路结冰。当CDP空气管出现管接头松动、脱落、管路接头破裂导致漏气时，发动机 工作时，MEC感受到的CDP变小，MEC的燃油限制系统使加、减速的瞬时 供油量较1F常时偏低。当漏气较少时，可能出现加速性差，起动慢或起动转速 悬挂；当漏气较多时，可能达不到起飞推力，发动机掉转，熄火，起动时达不到 慢车转速。为了防止该类故障的发生，在对CDP管路进行维护时要严格按照维 护手册的程序来进行，同时要经常对管路进行检查。与其它压力探测管路一样，在CDP管路的最低处，也有一细小的放水口， 当放水孔堵塞时，也可能表现为间歇性。故障时可导致加、减速慢或油门无响应， 飞机返回地面后，发动机工作正常，该故障同样较难排除。为了防止出现这种故 障，需要经常对该放水口进行检查；在水洗发动机的时候，须将空气管两端脱开 并用堵盖盖好，防止杂质进入该空气信号管内，水洗完成后需要检查该放水口是 否畅通，确保水洗完成后管路中没有残留杂质造成放水口堵塞，使发动