基於QAR資料的民航發動機排故方法研究分析論文
基於QAR資料的民航發動機排故方法研究分析論文
1引言
QAR C Quick Access Recorder)是民航飛機上裝載的快速存取記錄器，記錄器介質通常為可擦寫光碟或PCMCIA卡，記錄時間可達數百小時，記錄引數涵蓋絕大部分飛行品質監控資料。飛機航後維護時，機務工程師對QAR記錄的原始二進位制資料進行譯碼，轉換成所需的引數工程值，工程值是對飛行品質監控資料的真實還原。工程值包含高低壓轉子轉速、排氣溫度、燃油流量、滑油壓力、高度及空速等100多個模擬量，以及發動機引氣、發動機火警、GPWS告警、防冰活門、起落架收放等200多個開關量，這些引數反映飛機執行過程中各種變化情況和效能狀態，對監控操縱細節、保障飛行安全、提高運營效率起到了科學有效的保障作用。
QAR資料是飛行技術檢查、安全調查評估、飛行故障排故的重要依據。怎樣利用QAR資料對飛機發動機故障進行準確有效的排故，一直是機務工程師不斷摸索、總結的重要經驗。本文根據在長期工作實踐中總結出的經驗，提出利用發動機相關QAR資料的分析，準確地進行發動機疑難故障診斷，從而有效排除發動機故障的方法。重點研究對CFM56發動機的常見故障進行排故。
2發動機轉子高振動值排故方法
CFM56發動機是雙轉子發動機，由低壓轉子N1和高壓轉子N2組成。AVM(AirborneVibrator Monitor，機載振動監視系統)和 QAR系統均能記錄低壓(轉子)部分和高壓(轉子)部分的振動數值以及相對應的轉速等引數。根據MM ( Maintenance manual)手冊要求，CFM56發動機通常情況下高、低壓轉子振動值超過3.0個單位則必須要求排故，檢查確定不會導致二次損失後方能放行。若超過4.0個單位，則飛機無法放行。發動機在正常狀態下高、低壓轉子的振動一般不會超過1.0個單位。為了保障航班正常運營，發動機的振動值達到2.5個單位以上，應採取相應的糾正措施。
2.1指示系統故障排故方法
當發動機出現振動值高的情況時，首先透過分析QAR資料判斷髮生高振動轉子的位置、轉速和飛行階段等，確定是否為指示系統故障。因發動機工作環境相對惡劣，指示系統接頭可能出現氧化、龜裂等現象，導致發動機振動指示值較高。指示系統故障，QAR資料顯示為:發動機振動值高是在不同轉速、不同飛行階段隨機出現，且是間歇性的。
處理這類故障的方法一般為:首先檢查與振動相關的電氣接頭連線緊密性，線路完好性。如果確認與電氣接頭無關，則有可能是AVM內部問題，相應考慮對串或者更換AVM，然後再試車檢查故障是否排除。實際排故當中，採用此種方法一般可消除指示系統故障。
2.2轉子自身問題排故方法
波音737-300/400和737-700/800飛機分別裝配的是CFM56-3C和CFM56-7B發動機。發動機在長期使用過程中，軸承和葉片磨損會加劇，燃燒室以及高、低壓渦輪會不斷積累灰塵，從而導致發動機轉子不平衡，振動值過大。對不同航段的QAR資料，通常高振動值是出現在某個固定的轉速下，並且是在相對固定的相位角下。
若是低壓轉子振動較高時，則應先對發動機進行目視檢查，檢查風扇葉片，進口導向葉片和低壓渦輪可見部分葉片有無損傷，然後檢查前後收油池磁堵來判斷軸承有無磨損。在以上檢查結果都完好的情況下，最後進行風扇葉片配平和葉片潤滑來減少振動值。可透過風扇葉片配平和葉片潤滑來減小振動值，通常可降低至1.0個單位以下。
若是低壓轉子振動較高時，航線上沒有相應的措施以降低振動值，但可對發動機高壓級進行孔探或者進行磁堵檢測，以確認發動機無內部損失，在確認發動機無內部損傷後，可以繼續監控使用，直至發動機被安排更換。
3 EGT溫度過高排故方法
3.1地面啟動階段EGT過高排故方法
CFM56發動機的EGT (exhaust gas temperature，排氣溫度)在啟動階段的限制值為725攝氏度。為避免飛機執行延誤，確保正點率，啟動階段EGT若超過700攝氏度並持續出現時，應採取相應的維護措施。CFM56-3B發動機啟動階段EGT過高的主要原因有:VSV(Variable Stator Vane，可調靜子葉片)調節出現偏差，或MEC(Main Engine Control，主發動機控制)內部磨損導致發動機富油。
若VSV出現偏差，QAR資料反映出的特徵是:雖然啟動階段EGT過高，但FF(Fuel Flow，燃油流量)值不高。當發動機啟動階段EGT有超過700攝氏度的記錄時，透過檢視QAR資料包含的幾個EGT較高航段對應的FF，FF通常不會高於1100 lbs，這種情況主要對VSV進行靜態校裝，調整VSV至正常位置即可排除故障。
若MEC磨損導致富油，QAR資料反映出的特徵與前種情況相比，不但啟動階段EGT過高，而且FF也偏高，通常超過1 100 lbs，甚至超過1 200 lbs。出現此類故障，如啟動階段EGT和FF偏離不嚴重，在不影響放行時，可先進行高低慢車效能調節，使發動機在MM手冊要求範圍內繼續安全工作，但由於MEC供油計劃偏富油，只有更換MEC才能最終排除故障。
3.2爬升階段EGT過高排故方法
導致爬升階段EGT升高主要有三種原因: (1) EGT指示系統故障;(2)油路和氣路控制系統故障;(3)發動機效能衰退，高壓級工作效率低。根據QAR記錄的資料分析，可以相對容易準確地判斷導致爬升階段EGT升高的'原因。CFM56發動機不同型號對爬升階段的超限值要求不同，CFM56-3C的超限值為930攝氏度，CFM56-7B的超限值為970攝氏度，當分別超過910攝氏度和920攝氏度時，應引起關注，對發動機進行密切監控和視情采取措施。
3.2.1 EGT指示系統故障
當爬升階段EGT升高時，地面維護人員可收集最近階段該發動機執飛時不同航段的QAR資料進行分析。如果觀察到爬升階段EGT升高，通常超過30攝氏度，而在相同N1下，FF和N2幾乎沒有變化，且故障之前相同N1下的EGT幾乎也沒有變化，則可基本判定為EGT指示系統故障。航後檢查時可透過檢視CDU(Control Display Unit控制顯示元件)顯示的故障程式碼，以查詢相應的電氣接頭進行清潔或更換。
3.2.2發動機油路和氣路控制系統故障
如果爬升階段EGT升高，透過分析對比故障之前的QAR資料，發現巡航或者爬升狀態下EGT，FF和N2均出現上升，在大功率狀態下，EGT，FF和N2上升幅度尤為顯著，此種情況表明發動機的油路或氣路控制系統可能存在故障。排故時，可先排查VSV和V B V (Variable Bleed Valve，可調放氣活門)等氣路控制系統，在排除沒有故障後，可檢查MEC、燃油泵等油路控制部件故障。根據長期積累的排故經驗，對於CFM56-3C發動機，多為VBV系統的問題，如VBV門卡阻，柔性驅動軸斷裂造成某些VBV門密封不嚴，VBV馬達或作動器失效導致VBV門無法動作等。
3.2.3發動機效能衰退
隨著發動機服役時間的增加，發動機效能勢必呈現出衰退趨勢，從而導致爬升或巡航階段EGT升高。結合QAR資料，由發動機效能衰退引起的EGT上升所表現出的資料特徵為:相同N1下，EGT，FF，N2通常不會突然升高，高EGT值往往在高N1下出現，根據長期積累的排故經驗，高EGT值通常在每天首次起飛或者在高原機場、高溫天氣下，飛機處於接近滿載狀態，或無減推力等情況出現時。此時應檢視發動機效能報告，透過觀察EGT溫度來判斷總體效能狀況。對於波音737-300，若EGT溫度已降至40攝氏度，波音737-400，若EGT溫度已降至10攝氏度以下，說明發動機總體效能已下降。航線上可透過清洗發動機涵道，增加每天第一個航班的暖車時間，對飛機限飛高原機場，要求機組儘量使用減推力等，以延長髮動機的在翼使用時間。
4利用QAR資料排故的注意事項
利用QAR記錄的大量關於飛行品質和狀態的監控資料，能夠準確反映發動機引數的關聯性，再現故障形式，確定故障特徵，幫助機務工程師快速準確地排除故障。但也對機務工程部門和機務工程師提出了更高要求。對於機務工程部門而言，首先需要嚴格、高效、全程地收集、管理QAR譯碼資料，加強QAR系統維護，確保其能夠可靠工作，並且能夠承擔起資料對比和分析的任務，為機務人員排故提供有力的技術支撐。同時機務工程師不僅要對飛機執行系統有深刻了解，注重排故經驗的總結和交流，更需要掌握QAR提供的引數特性，分析資料背後的故障成因，培養利用QAR排故的意識和技能。
(1)必須明確採集引數的感測器位置和引數的物理意義。若無法明確引數表徵的含義，會影響故障分析程序，所以應結合資料採集元件和飛機系統結構來確定引數。
(2)分析、對比QAR資料時，應注意引數的時間間隔。應選取能體現飛機前後執行狀態明顯的資料，過長的間隔對分析資料沒有意義，過短的間隔由於相似性高而易造成干擾和誤判。
(3)確定QAR資料的有效性。機務人員應結合發動機實際狀態、執行環境、飛行時間等對資料進行鑑別，確保資料的有效性。