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浅析CF34-10E型发动机的振动监控

来源:民航资源网 作者:黄大晖 侯杰 2014-08-21 17:29:19 我来说两句(0)

专业分类机务维修 文章编号】4-2014-0367

  

  航空发动机转动部件的振动值一直是各型发动机重要的监控参数之一,本文将结合CF34-10E型发动机的振动监控系统来说明,在日常维护工作中几种监控工作方式的应用及其各自特点。

  现代航空发动机基本都采用了数据监控的维护方式,其中发动机转动部件的振动值一直是各型发动机重要的监控参数之一,转动部件振动水平直接决定了发动机的是否可以安全使用。以下将结合CF34-10E型发动机来谈谈发动机振动值的监控、分析,及其相关的维护措施。

  1.简介CF34-10E型发动机振动值监控系统的组成及功能

  CF34-10E型发动机振动监控系统包括部件:压电式加速度传感器(ACCELEROMETER)、发动机转速传感元件、集合式发动机振动监控组件(IEVM)、发动机的全功能数字电子控制器(FADEC)和机载发动机振动监控部件(包括中央维护计算机、发动机指示和机组警告系统和多功能显示器等)。(见图一)

  每台CF34-10E型发动机上安装了两个压电式加速度传感器(ACCELEROMETER):前加速度传感器(Z1BRG)安装在1#轴承腔(GE系列发动机安装的位置基本相同);后加速度传感器(ZFFCC)安装在风扇机匣壳体。CF34-10E型发动机的前振动传感器(Z1BRG)安装在对风扇振动水平最敏感的1#轴承座上,主要用于风扇振动水平的监控,同时这个传感器得出的N2前振动传感器振动值将作为高压转子振动水平的备用参数和对比参数使用。后振动传感器(ZFFCC)安装在风扇壳体压气机机匣(FFCC),后振动传感器将更多的测量发动机的低压和高压转子整体振动水平,并且更多的用于高压转子的振动水平分析。同时后振动传感器提供的N1振动值将作为低压转子振动水平的备用参数和对比参数。

  每个压电式加速度传感器(ACCELEROMETER)利用压敏探测元件,测量出与加速度信号(g)成比例的电压信号,每个加速度传感器收集来自很多振动源的数据,这些数据将提供给集合式发动机振动监控组件(IEVM)。

  1.1发动机转速传感元件

  每台CF34-10E型发动机安装了一个集成式低压转速(N1)传感器,这个传感器中安装了三个独立的探测元件(coil 1#、coil 2#、coil 3#),同时测量低压转子的转速(N1),探测元件1#和2#(coil 1#、coil 2#)将测量出的低压转速(N1)信号分别提供给全功能数字电子控制器(FADEC)的A和B通道用于发动机控制,而独立的3#探测元件(coil 3#)将测量出的低压转速(N1)信号,提供给集合式发动机振动监控组件(IEVM),用于解调低压转子的振动值;CF34-10E型发动机振动值监控系统中,高压转速(N2)的探测系统不同于低压转速(N1)的探测。该型发动机没有安装振动值监控专用的高压转速(N2)的探测元件,而是将全功能数字电子控制器(FADEC)的专用发电机(PMA)的转速信号(频率)提供给集合式发动机振动监控组件(IEVM),用于解调高压转子的振动值。

  1.2集合式发动机振动监控组件(IEVM)

  E190飞机在中电子舱安装了一个集合式发动机振动监控组件(IEVM),用于收集、解调和计算两台发动机的振动值。

  首先,集合式发动机振动监控组件(IEVM)在接收到两个压电式加速度传感器(ACCELEROMETER)测量出的加速度信号(g)后,利用发动机低压转速(N1)和高压转速(N2)的频率信号,解调加速度传感器提供的数据,得出与这两个转速频率相应的振动数据——这与调频收音机的工作原理类似。前加速度传感器(Z1BRG)测量出的加速度信号(g),利用N1转速信号(3#探测元件,coil 3#)解调出N1前振动值(Fan Vibe Fwd);利用N2转速信号(PMA提供的频率信号) 解调出N2前振动值(Core Vibe Fwd)。同理,后加速度传感器(ZFFCC)测量出的加速度信号(g),分别解算出N1后振动值(Fan Vibe Rear)和N2后振动值(Core Vibe Rear)。

 

IEVM

N1 频率信号 N2 频率信号
前加速度传感器(Z1BRG) N1前振动值(Fan Vibe Fwd) N2前振动值(Core Vibe Fwd)
后加速度传感器(ZFFCC) N1后振动值(Fan Vibe Rear) N2后振动值(Core Vibe Rear)
  注:N1前振动值(Fan Vibe Fwd)是前振动传感器(Z1BRG)采集到在N1频率下的振动量,其反映了整个N1(低压转子)系统的振动水平,并不能区分振动来源是低压涡轮(LPT)还是风扇(FAN);同样N2前振动值(Core Vibe Fwd)反映了整个N2(高压转子)系统的振动水平。后传感器数据同理。

  在IEVM解调出每个传感器的低压转子加速度数据(g)和高压转子加速度数据(g)后,再利用数学积分公式将加速度(g)计算成速度(IPS),即IPS =∫ (g);然后再次利用积分将速度(IPS)计算成位移(mils--1/1000英寸),mils =∫∫ (g),最后将得出的位移数据(mils)提供给发动机的全功能数字电子控制器(FADEC)。

  1.3发动机的全功能数字电子控制器(FADEC)

  在FADEC中使用制造厂家定义的分段函数计算公式,将IEVM提供的位移数据(mils)转换成飞机上显示和使用的振动数据(Aircraft Units, AU)。现mils与units转换公式为:在4units之下为1 units=1.5 mils;在4units之上为1 units=16 mils;即飞机指示4 units时,实际振动为6 mils,而指示5 units(E190使用的最大值)时,实际振动为20 mils。

  然后,FADEC将两个振动传感器测量出的低压转子(N1)的振动值,即N1前振动值(Fan Vibe Fwd)和N1后振动值(Fan Vibe Rear)进行对比,选取其中较大的数值作为N1振动值(Fan Vibe)提供给飞机的数据储存和显示系统(中央维护计算机、发动机指示和机组警告系统、多功能显示器等)。同时FADEC中将计算出的各个振动值(units)与其内部设定的限制标准进行对比(现在设定的警告线4 units),如果超过限制标准,则给飞机的数据储存和显示系统提供相应的报警信息。高压转子(N2)振动监控同理。(见图三)

  1.4 E190飞机有关发动机振动监控的部件有中央维护计算机(CMC)、发动机指示和机组警告系统(EICAS)、多功能显示器(MFD)等,用于发动机振动值的储存、显示和报警。(图四)

  2.简介E190型飞机上发动机振动值的分析和使用

  在E190型飞机上,发动机振动值的分析和使用有以下三种工作方式:

  第一种 利用飞机机载设备读取故障历史数据(Fault History Data Base, FHDB)的故障代码和维护信息,可以得到发动机在使用和自检过程中发现的振动值超限或有关振动异常的情况(包括线路自检信息等)。同时可以利用中央管理计算机(CMC)中飞机状态监控功能(Aircraft Condition Monitoring Function, ACMF),提取发动机振动超限后记录的数据,然后机务人员可以通过相关的故障信息直接根据FIM、AMM、MEL等手册完成相关维护工作。

  这种方法判断故障最为直接、简便,但它只能探测已经超限制标准的数据或自检信息,无法进行有效的预防性维护。

  第二种 从数字式飞行数据记录器(Digital Flight Data Recorder, DFDR)和快速采集组件(Quick Access Recorder, QAR)中提取机载设备采集的参数数据,这样可以得到覆盖整个飞行航段的、所有采集到的参数数据。对于发动机振动监控,读取DFDR和QAR数据最大的优势是可以将多个参数关联在一起,进行整个航段全程综合分析,从而定性的判断发动机振动是否异常及其可能原因。以下将通过几种典型图例,说明DFDR和QAR在发动机振动监控中的作用。

  图五 左发低压转子(N1)振动大

  说明:绿色为左/右发动机的低压转子(N1)转速;橙色为左发低压转子(N1)振动;蓝色为右发低压转子(N1)振动;低压转子(N1)振动使用机组显示数据,单位是units。此图不能判定此振动值来源为前还是后传感器,如果需要可从QAR数据中分别提取N1_AftVib和N1_FwdVib数据进行分析。

  将QAR中这个航段的N1振动数据与其关联的N1转速数据联合分析得出:左发N1振动明显受转速影响,当N1处于高转速阶段时(飞机处于起飞和爬升过程中)其振动值较大,当N1转速处于巡航等较稳定的转速时,N1振动值下降明显且相对稳定,这种情况下维护人员首先使用风扇配平将可以较好的解决问题。

  图六 右发低压转子(N1)振动持续较大

  说明:深蓝色为飞行高度;紫色为左发低压转子(N1)振动;浅蓝色为右发低压转子(N1)振动,单位是units。

  图六中右发低压转子(N1)振动水平在整个飞行航段一直处于高位波动,这种情况往往需要同时采用润滑风扇叶片和风扇配平相结合的维护方式,才能有较好的工作效果。

  图七 右发低压转子(N1)振动波动幅度大

  说明:深蓝色为飞行高度;浅蓝色为左发低压转子(N1)振动;紫色为右发低压转子(N1)振动,单位是units。

  图七可见右发低压转子(N1)振动值上下波动幅度大,且波动出现在整个飞行航段,这种情况最大的可能是线路等指示系统出现故障(例如插头松动等),因此首先需要对该发的振动值测量和指示系统进行检查。

  第三种 利用GE公司提供的远程诊断系统(RD)监控发动机振动值,这是航空公司日常的工作方法。飞机在每个航段通过ACARS向GE公司的RD系统发送两个数据报文(起飞和巡航数据报文),报文采用“快照”的方式提取发动机相关参数的数据。对于RD系统中发动机振动值的监控,将直接使用IEVM提供的数值,因此每台发动机每个报文包含有四个振动值,名称分别为风扇前(Fan Vibe Fwd)、风扇后(Fan Vibe Rear)、核心机前(Core Vibe Fwd)、核心机后(Core Vibe Rear)(参见EMBRAER SNL 190-71-004),这四个数据在CF34-10E型发动机上都使用mils。

  注:CF34-10E型发动机正常监控只使用起飞和巡航两个报文,如客户需要则增加爬升报文。

  以下是CF34-10E型发动机在使用RD系统中出现的几种比较典型的趋势图,以此说明RD系统对于发动机振动值监控的基本作用:

  图八 平滑值渐变。这种情况往往意味着缓慢的损伤,例如在发动机长期使用中风扇叶片润滑涂层的磨损等;

  图八说明:该发自2011年10月13日引进以来,发动机的风扇振动水平在持续的、缓慢的增大,在2012年6月风扇前振动平滑值达2 mils以上;在2012年6月9日完成了风扇润滑以后,风扇振动水平明显下降并稳定在1 mils以下且离散率较小(平滑值波动幅度较小),说明风扇叶片润滑工作质量较好,有效的降低了风扇振动水平,达到了维护工作的预期目的。

  图九 平滑值阶跃式突变。这种情况往往意味着发动机转子部件重量距的突然变化或轴承的失效,最常见原因是FOD等硬件的损伤或风扇叶片重新润滑后导致重量距改变等;

  图九说明:该发2012年6月之前风扇振动值在持续的、缓慢的增大,离散率较大(平滑值波动幅度较大),振动数据整体变化趋势正常;在2012年6月2日完成了风扇润滑以后,风扇振动值突升到2.5 mils以上,然后经过风扇叶片配平工作将风扇振动值降到1 mils以下,此时振动数据的离散率明显较小。对此情况进行工程调查后得出:该发在巴西装机时润滑风扇叶片的工作质量较差,巴西方面在飞机交付时发现了风扇振动大的问题,先后进行了两次风扇配平,使风扇振动水平降到可接受的范围内(掩盖了振动大的真正原因)。当时巴西方面没有完成风扇叶片的重新润滑工作,因此风扇配平工作是在错误的风扇润滑涂层基础上完成的,导致安装了适合错误涂层的配平螺钉,在新疆重新润滑风扇叶片修正了润滑涂层后,反而因前期安装的配平螺钉的不合适,造成了风扇叶片重量距的突变,导致风扇振动值突升。

  图十 实际值单点跳跃。造成这种情况的主要原因往往是飞机或发动机使用中的环境造成的,如FOD、结冰、气流扰动等,也有可能是传感等线路故障导致的。

  图十说明:蓝色为该发巡航风扇前振动数据(Fan Vibe Fwd),红色为巡航风扇后振动数据(Fan Vibe Rear)。在2012年3月24日的同一航段,风扇前振动数值(Fan Vibe Fwd)和风扇后振动数值(Fan Vibe Rear)同时上升,因此基本可以排除发动机振动指示系统的故障。随后完成工程调查发现,该发起飞的风扇振动数据也出现突然增大的现象,而同机另一台发动机的起飞和巡航两个采集点的数据都稳定,从而判断该发可能在当时遭到外来物损伤(FOD),因此对该发完成了FOD特检工作,确认发动机安全可用。

  通过以上案例可见,RD监控系统有以下的特点:1)RD系统可以连续监控发动机在长期使用中的振动变化趋势;2)每个航段的起飞和巡航都只使用一个数据点,对采集点的质量要求较高,容易造成数据值离散;3)参数数据较单一,无法全面判断发动机实际运行情况,容易造成错判。

  正是由于RD系统有以上的特点,因此当在日常监控中发现振动值有异常时,往往要综合利用前两种监控方法,按照以下的工作程序综合应用三种工作方式进行异常参数的确认和判断:

  1)读取飞机上有无故障信息或自检代码等;

  2)确认飞机上另一台发动机的相同参数的变化趋势是否一致。如果一致则说明造成数据异常的根源可能来自飞机系统,否则造成数据异常的根源可能来源于发动机;

  3)确认发动机的两个振动传感器采集的数据(单位mils)和飞机显示的数据(单位 units),这几个参数数据的关系是否协调,变化趋势是否一致。当出现前、后两个传感器数值变化趋势不一致的情况,则说明一个传感器或及其线路可能出现故障,如果两个传感器的数据变化趋势一致,则基本可以排除传感器故障的可能性;

  注:当发动机上N1转速传感器的3#探测元件出现故障,将同时影响两个振动传感器采集的数据;PMA提供的N2转速信号故障同理,而这种情况振动值往往表现为数据波动大、离散大且影响整个飞行航段,飞机或有故障自检信息等。

  4)确认出现异常的参数在巡航和起飞点的数值的变化趋势是否一致;

  5)从QAR中提取该发动机在出现异常的参数在航段中的全部数据,以及其它相关参数的数据(例如N1或N2转速),进行综合分析。

  这三种工作方式各有优、缺点,只有将其有效的综合应用,做到相互映证、相互补充,才能更准确的判断故障源,以便采取有针对性的维护措施,得到最好的维护效果。

  结束语

  发动机振动值监控一直是各型发动机状态监控工作体系中重要的一环,航空公司每年都有大量的维护工作来保持发动机振动水平,同时振动值超标也是造成发动机返场修理的重要原因之一,因此如何评估日常维护中的工作质量和效果,以便有效的改进维护方案;如何在发动机使用中及时发现故障隐患,并采取最有效的维护措施,一直是发动机工程、技术管理人员的工作重点,本文结合CF34-10E型发动机的维护经验,简单说明了该型发动机振动监控系统的应用。

  不足之处恳请大家批评、指正!(作者:黄大晖、侯杰)

  参考资料:

  E190 AMM Ⅰ 45-45-00,CENTRAL MAINTENACE SYSTEM

  E190 AMM Ⅰ 77-31-00,ENGINE VIBRATION MONITORING SYSTEM

  E190 WM 77-32-50,WIRING MANUAL – ENGINE VIBRATION INDICATION SYSTEM

  E190 SNL 190-71-004,E190/195 ENGINE TREND REPORT

  E190 SNL 190-71-005,E190/195 ENGINE EXCEEDANCE REPORT

  E190 SNL 190-72-002,E190/195 ENGINE FAN VIBRATION-GENERAL INFORMATION

  GE DIAGNOSTICS CH12,VIBRATION MONITORING

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