基于慢车性能参数的RB211-535E4发动机喘振健康监控方案

■ 韩小琦/厦门航空有限公司

2015 年前后，厦航8台RB211-535E4在翼发动机机队一年内发生了两起慢车喘振超温导致机组关车事件，为此建立了发动机慢车EGT参数监控系统，以实现对该型发动机防喘放气系统的健康监控。通常发动机厂商和航空公司仅关注发动机的高功率性能参数，如起飞阶段或者巡航阶段的参数，而慢车参数由于其本身的不稳定性，业内鲜有对其进行监控的应用案例。本文所述案例，根据RB211-535E4发动机特殊的防喘逻辑原理，找到了巧妙利用慢车性能参数监控发动机防喘性能的应用方法，可为慢车性能参数在其他型号发动机上的监控应用提供参考。

1 RB211发动机防喘系统工作原理简介[1]

1.1 基本功能

RB211-535E4发动机的防喘系统主要利用两种方法进行主动喘振预防和改出：压气机活门放气和瞬态压力组件（TPU）减少供油。

当TPU探测到喘振时，发送控制信号改变放气活门控制组件（BVCU）程序，提供高能点火，控制瞬态燃油组件（TFU）减少供油，帮助发动机恢复到正常状态。TPU只有在探测到喘振时才会作动，因此其实际作动非常罕见，因此故障率较低。

压气机放气活门控制系统如图1所示，主要包括6个放气活门：1个高压2级活门、2个高压3级活门、3个中压6级活门。BVCU接收N2、T2、PLA和高度电门等信号，控制放气活门的开关。为了降低发动机油耗、提高发动机EGT裕度，同时也为了保证发动机在较高的喘振裕度工况下持续工作，压气机放气系统需要根据发动机的功率和运行状态不停地调整各个活门，频繁作动导致放气活门系统成为防喘系统的主要故障源，也就成为了防喘监控对象。

图1 防喘放气活门的系统工作原理

1.2 现有防喘监控方式的缺陷

现有的防喘监控方式均存在缺陷。RB211发动机的防喘监控可以通过单机版的COMPASS监控软件或罗罗公司提供的远程监控网站来实现。然而，这两套监控系统均是通过收集发动机高功率运转状态的报文（如起飞报和巡航报）来进行监控管理的。但从图2右侧框内状态可知，在发动机大功率下，所有活门均应处于关闭位置。如活门在关闭位故障而无法打开，此时的发动机性能状态并不会表现出任何异常。而放气活门防止发动机喘振的基本原理正是将放气活门打开，以获得更大的喘振裕度。因此，对高功率发动机性能参数的监控无法达到有效监控放气活门防喘性能的目的。

2 慢车参数的原理

目前，高功率性能参数已经得到了非常广泛和有效地应用，利用高功率阶段丰富的发动机参数已经组合开发了很多广为人知的性能参数，如EGTM、DFF和DEGT等[2]。随着ACARS报文数据量的增加，高功率参数使用范围和功能也越来越强大。然而，低功率慢车参数也有其无法替代的独特优势。

2.1 慢车性能参数的优势和劣势分析

慢车状态是一个比较有特点的运转状态。慢车状态是发动机运行的最低功率状态，主要在地面滑行等待和下降阶段使用。RB211不仅有高低慢状态，还有瞬态和稳态两种模式。发动机在慢车阶段不仅需要维持发动机的最低运转功率，还需要保障飞机电源、气源和液压源的动力等，这些都导致慢车状态有着独特的优势和劣势。

慢车状态下的性能参数（见表1）具有的优势有：1）功率相对稳定。以RB211和CF56-7B为例，慢车状态下油门杆保持在慢车位，功率状态相对稳定。因此，慢车状态下更容易从性能参数的变化中剥离出飞机状态变化或者系统故障事件。2）部分系统的作动逻辑仅在慢车状态下才会稳定出现。例如，本例中的RB211放气活门在慢车瞬态模式下会全部打开以提高喘振裕度，而在高功率时为了在提高发动机效率的同时降低EGT温度，放气活门却会全部关闭。因此，慢车性能参数有其独特且无法取代的优势。

大部分处于慢车阶段的性能参数功率相对稳定，但EGT温度会受到历史状态影响，其他阶段虽也会受到影响，但影响幅度较小，或规律较为明确可有效修正。起飞报在航前第一段计算出的EGTM往往偏低，如图3所示（图中显示时间为GMT时间），就是发动机热车不到位导致。在慢车阶段，发动机冷车启动后的慢车EGT温度逐步提升，即通常所说的暖车。反之，刚刚经历过大功率运转的发动机进入慢车后，EGT温度逐步下降，即通常所说的冷车。暖车和冷车阶段EGT的温度变化在50℃～100℃之间，该变化受时间和内外温差的影响，通常很难找到合适的补偿或者修正方法使参数达到所需的精度，这也是慢车性能参数鲜有成功应用案例的原因。因此，慢车性能参数的选取和处理难度更大。

图2 放气活门工作逻辑（正常状态）

2.2 慢车参数选取方法

为了克服慢车的暖车和冷车效应，需利用参数选取的逻辑，最大程度上减少暖车和冷车效应的影响。表2对比分析了每个慢车阶段的特性，发现落地收反推后的这段时间内发动机性能受到暖车冷车影响最小，同时也能提供一个较好的数据采集锚点，方便编程识别。

该节点的RB211发动机所有放气活门都被打开，正是防喘放气活门打开能力判定的良好时机。

表1 慢车性能参数和高功率性能参数的对比

图3 冷车状态对EGTM的影响

3 基于慢车参数的防喘系统监控方案

3.1 监控逻辑原理

在确定了慢车取值逻辑后，再继续深入分析飞机落地收反推后的慢车EGT温度变化趋势。收反推后油门保持在慢车位的典型EGT温度变化趋势如图4所示。横坐标为时间轴，左侧纵坐标为EGT温度，右侧纵坐标为左右发动机EGT温度之差。从反推收回开始，燃油流量超量减少，EGT温度出现低谷，而后再次提升开始企稳。此时由于收放反推对油门的扰动，系统处在瞬态，6个放气活门包括HP3放气活门打开并保持在打开位。经过约40s的稳定后，系统恢复到稳态，2个HP3放气活门关闭导致EGT温度出现阶跃式下降，降幅约在30℃～40℃左右。之后，如果不再扰动油门，发动机继续冷车，EGT继续缓慢下降。利用对该变化趋势的分析结果，分别对HP3开关的两个位置进行数据采集。建立HP3开位EGT和HP3关位EGT两个慢车性能参数。HP3开位EGT温度趋势是判断6个放气活门是否全部打开的标志，二者之差是判断HP3活门是否可以正常开关的标志。

绘制HP3开位和关位EGT温度趋势图，此时数据依然非常离散，再利用场温和场压等数据进行多元线性回归修正，最后可以得到较好的趋势曲线。如图5所示，数据点是每个航段采集到的EGT温度值，从2016年8月初开始HP3开位EGT数据出现异常波动（图5框中的数据点），频繁下降约16℃～18℃左右，而对应发动机的HP3关位数据点却趋势稳定，综合判断怀疑HP3活门可能存在间歇性无法打开故障。结合Airfase译码再次确认了此情况，再通过3号试车确认该故障为瞬时故障。排故隔离证实在更换了高压三级放气活门的电磁阀后，数据点恢复正常。

在该逻辑的基础上，还可以开发基于ACARS的实时航段的报警，以及Airfase的趋势报警，可以做到当天报警能在当天航后得到有效处理的程度。

3.2 喘振预防的其他辅助措施

通过对慢车性能数据的研究，确实发现放气活门工作的可靠性明显不佳，而且多表现为瞬时间歇性故障，且发现异常后隔离困难，手册提供的根据3号试车进行故障隔离的效果有限。为此，通过对RB211放气活门控制原理的分析，专门制定了《3号试车排故升级版》，其中的主要改变是：1）对高压三级活门的测试提供更多备选测试方法，即从较高功率快速收回慢车的测试方法。2）提出场温对原测试方法的干扰，并提供了调整解决方案。如果夏天场温太高，原试车方案中将功率推到EPR=1.07后，其中一个高压三级活门可能已经超出自动转换功率点，导致等待40s后并不会出现足够的温降（仅能降到正常水平的一半，约20℃左右），此时应将功率回收到EPR=1.06或1.05；如果仍不能通过，再参考第一条进行测试，最终隔离到活门故障。

表2 各慢车阶段的适用性分析

图4 落地收反推后的慢车EGT变化趋势图

图5 HP3开位和关位的EGT趋势图（上下两部分的圆点分别为左右发动机开位和关位温度）

此外，对发动机定期进行水洗也是一个有效的防喘预防措施。一方面，发动机水洗提高了压气机的效率，使发动机远离喘振边界；另一方面，发动机水洗后进行3号试车是有效的定期检测手段，有案例曾在水洗后的试车中成功发现了放气活门故障，甚至还在试车时就听到了发动机的喘振异响。

3.3 监控案例

实际运行中，除了真实的防喘系统故障之外，也会有其他故障导致报警的触发，一般都是由于发动机的功率负载降低所致。IDG脱开、引气或空调脱开等都会降低发动机的负载，如表3所示，此时发动机可以用较少的燃油达到所需的推力，因此EGT温度也会随之降低。

表3 监控报警的案例

自从防喘系统健康监控系统上线运行后，在其他一系列的防控措施的配合下，我公司RB211发动机在2018年退出运行前的累计飞行时间为43096小时（20474循环），期间再未发生过在翼发动机喘振类故障。

4 总结

落地收起反推后RB211发动机所有的放气活门都会打开，该特性奠定了慢车性能参数在RB211喘振预防中的特殊地位。在此基础上继续分析放气活门的作动逻辑，制定了数据取值逻辑，再对数据进行回归优化，就能实现对放气活门的监控报警。

但慢车性能参数的应用不应该止步于此。慢车性能参数仍然有其他阶段参数不可替代的优势，如果能充分利用这些优势，结合系统本身的逻辑特性来进行针对性的开发，就能不断拓展慢车性能参数的使用范围。总之，慢车性能参数还有更多待发掘的广阔应用空间。