CFM567B发动机大修后台架试车浅析R00130401.docx

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CFM567B发动机大修后台架试车浅析R00130401

CFM56-7B发动机大修后台架试车浅析

摘要：

本文介绍了CFM56-7B发动机大修后台架试车程序的测试项目，试车曲线分析以及试车过程中重要性能参数的计算。

通过以上分析，使读者了解发动机在大修完成后台架试车过程中需要进行的试车项目以及相应的试车目的，同时使读者理解相关性能参数的计算。

关键词：

试车台；发动机车间修理手册；发动机性能参数；发动机燃气排气温度裕度；

Keywords:

TestCell;EngineShopManual;EnginePerformanceData;EGTMargin（EGTM）;

1.引言：

民用航空发动机在经过车间大修后，为保证发动机零件的修理质量和装配质量，磨合并运转发动机。

同时为保证相关参数的可靠性，例如N1/N2振动值，滑油消耗量，加速时间等参数符合发动机原厂家规定的限制值。

需要对发动机进行台架测试。

另外，为保证发动机大修后测试出来的发动机性能参数（例如：

EGTM,推力裕度）与发动机原厂家的基准试车台所测出来的性能参数数据一致，也需要对发动机进行测试，再进行性能参数计算，将性能数据换算到标准大气条件下的数值，使其数据具有可比性。

此文通过以CFM56-7B发动机为例，介绍此型号发动机在台架试车的整个试车过程，以及相关性能参数的计算。

同时，为使读者理解发动机的性能参数计算，对发动机试车台架的标定也进行了简要的分析。

2.CFM56-7B发动机试车的工作状态

i.CFM56-7B发动机工作状态简介

根据CFM56-7B车间修理手册（ESM）试车章节（ATA72-00-00）的要求，此型号发动机在完成大修后需要在地面慢车状态，飞行慢车状态，最大连续状态和起飞状态四个功率下进行运转测试。

ii.起飞状态（TO）。

亦称最大状态，在此状态下发动机具有最大推力（最大功率）、最大许用转速、发动机承受最大应力，其工作时间受到限制（不超过5分钟）。

若发动机在起飞状态下运转时间超过5分钟，则需要对发动机进行详细检查。

iii.最大连续推力状态（MC）。

在此状态下，发动机具有最大推力（功率）值得长时间使用的连续工作状态。

就平均值而言，最大连续推力状态的推力值约为起飞状态的94%。

最大连续推力状态的工作时间是不受限制的。

iv.慢车状态。

发动机慢车状态分为地面慢车状态（MI）和飞行慢车状态（AI）。

它是保证发动机稳定工作和需要加速时涡轮-压气机最低转速状态。

其中，飞行慢车状态是用于飞机在空中时，使发动机快速加速到起飞状态。

3.CFM56-7B台架试车程序

CFM56-7B发动机台架试车主要分为功能测试和性能测试。

在发动机试车过程中，试车需要按照厂家提供的试车曲线进行测试，如图1所示,此图是以CFM56-7B26K的推力级别的试车曲线进行举例。

在具体的发动机测试时，需要根据发动机具体的构型，查找ESM手册选择相应的试车曲线进行测试。

2.1CFM56-7B试车曲线包含了功能测试和性能测试的内容。

其中发动机的功能测试又包含

以下测试内容：

图1–CFM56-7B26K试车曲线图

i.启动机带转（冷运转）检查

启动机带转检查包括滑油系统充油，检查滑油系统压力、确保N1有转速指示。

同时需要检查VSV角度处于最大角度（VSV角度为38.7±1）,VBV活门是完全打开的。

由于发动机在启动过程中，空气流量较小，导致压气机动叶进口处的攻角变大，喘振裕度低。

因此在冷转检查时需要检查发动机的防喘机构处于工作状态，即VSV角度处于最大角度,VBV活门完全打开。

ii.发动机启动和停车

检查启动和停车性能是否良好。

其中包括在点火器接通，燃油供给接通（油门杆处于慢车位时），发动机在2-3秒钟能够正常启动,同时检查涡轮后燃起温度（EGT）不超温，在发动机达到地面慢车转速时，滑油压力和滑油温度正常。

当发动机在高转速下工作一段时间后，停车之前应在地面慢车下工作至少5分钟，以减少封严磨损。

iii.FADEC功能检查

CFM56-7B发动机的控制系统采用全权限数字电子控制（FADEC），通过发动机上的传感器采集信号，将数据信号传输到发动机电子控制装置（EEC）进行计算，然后EEC将控制信号通过电液伺服机构输出控制液压机械装置及各个活门、作动器。

例如：

CFM56-7B发动机EEC通过接收TAT（外界总温信号）、PT（外界总压信号）、P0（外界静温）、N1转速、N2转速和T25（高压压气机进口温度信号）进行计算从而输出控制信号控制压气机可调静子（VSV）叶片的打开角度。

由于发动机FADEC系统采用ARINC数据总线将各传感器的数据传输给

EEC，由EEC将输入的模拟量、频率量、离散量进行计算并将控制数据由ARINCE传递给发动机的控制机构。

若发动机某一控制系统出现错误时，相应的故障信息也可以通过ARINCE数据总线传输至试车台系统中并显示出来。

因此，发动机试车中的FADEC功能检查就是通过将发动机功率提高到一定转速，然后查阅ARINC数据总线的相关通道，确认是否有故障代码出现。

当数据总线某一通道的某一位显示为1时，代表该位有故障，需要进行排故。

如图

其CFM56-7B的FADEC测试过程如下：

启动发动机，并使发动机在地面慢车运转5分钟，然后缓慢加速发动机，使N2的物理转速稳定在11,100RPM，减速至地面慢车状态运转5分钟，停车。

检查EEC的ARINC数据总线相关通道是否有故障代码出现。

例如：

发现EEC的ARINCE通道LABEL151，BIT14位为1时，说明此通道该位有故

障代码。

查找手册，此通道该位为1时，代表发动机启动不成功，EGT温度不上升。

这就需要对发动机进行排故。

图2–EECARINC数据总线通道150和通道161

iv.发动机振动测量和配平

发动机在大修完成后，发动机振动是发动机维修质量的一个重要指标，需要通过试车检查发动机N1转子和N2转子的振动，以确认发动机转子平衡得是否正确。

根据ESM72-00-00，Testing002，参考图1程序C对发动机进行振动测试：

缓慢的将发动机从地面慢车功率增加至起飞状态，并在起飞状态稳定运转5秒钟，然后缓慢的将发动机从起飞状态减小至地面慢车状态。

通过以上程序检查发动机的振动量是否符合ESM手册要求。

在测试过程中若发动机振动量接近限制值时，应收油门将发动机振动量减小到限制值以下，对相应的转子进行排故或配平。

再继续进行振动测试，直至将发动机振动量减小至ESM手册规定的限制范围内。

由于CFM56-7B发动机高压压气机转子和高压涡轮转子是短轴连接形式，在压气机转子动平衡过程中，连接一个假高压涡轮转子夹具（DummyHPTRotor）进行平衡，其中假高压涡轮转子夹具是具有高精度且有较低的不平衡量，相当于高压涡轮转子经过动平衡后的不平衡量。

因此高压压气机在经过动平衡后，其不平衡量相当于整个

N2转子的不平衡量。

同样的原则和动平衡方法也适用于高压涡轮转子。

因此，高压压气机和高压涡轮都经过动平衡装机后，在发动机振动测试时，N2转子的振动通常处于一个较低的并在手册范围内的水平。

然而，低压涡轮转子是由风扇叶片、低压压气机转子和低压涡轮转子三部分组成。

而整个N1转子是长轴连接，无法具备像高压转子那样连接一个假的夹具进行动平衡。

另外，由于风扇叶片较大的直径，风扇叶片也不能像低压压气机转子和低压涡轮转子一样进行动平衡，风扇叶片是通过进行每个叶片称重，进行重量矩分配安装到发动机上的。

综合以上原因，N1转子在发动机振动测试时，往往会出现振动量过大的现象。

因此，需要在振动测试的时候对N1转子进行配平。

低压转子的配平方法可以通过MTI公司生产的PBS4100系统进行配平计算，也可以采用三元配平法（ESM手册ATA72-00-00，Testing004）进行配平计算。

根据其计算结果调整安装在发动机后整流锥上的配平螺钉进行低压转子配平，从而将低压转子不平衡量减小至ESM手册规定的范围以下。

v.发动机磨合测试。

发动机在经过以上测试后，说明发动机能够安全可靠地进行测试，因此可以进

入发动机的磨合测试。

发动机的磨合测试是在发动机大修完成后，为使发动机相关的蓖齿封严与蜂窝封严间隙的磨损在一个合理的、较小的程度。

例如：

发动机高压压气机旋转动封严，从图3可以看出此封严是典型的蓖齿封严，进行发动机的磨合测试可以确保其配合间隙的磨损量处于一个较小的程度，这样可以减小气流损失，提高压气机的工作效率。

图3–CFM56-7B旋转动封严（CDPSeal）

从图1可以看出发动机的磨合测试需要使发动机反复的在最大连续和起飞状态

下运转，其中包含了三个阶段的运转。

推力过渡运转。

图1程序a包含了从慢车状态逐渐递增到最大推力状态，在

在最大推力状态下停留5秒钟，再将发动机功率减小至最大连续状态，并在最大连续状态下运转5分钟的时间，然后快速（1秒）将发动机从最大连续状态减小至此地面慢车状态。

程序

a一共需要运转发动机约21分钟。

地面慢车-飞行慢车运转。

图1程序b共15分钟。

（地面慢车5分钟+飞行慢车5分钟+地面慢车5分钟）=15分钟。

同时，在

此程序中，同时可以检查发动机由地面慢车功率变化到飞行慢车状态，是否工作平稳可靠。

慢车-最大推力运转程序。

图1程序c包含了将发动机推力从地面慢车用2

分钟时间缓慢加速至起飞状态，并在起飞状态下停留5秒钟，用2分钟时间将油门

杆拉回地面慢车并运转5分钟。

在发动机磨合测试过程中，图中标识的转速均为N1的换算转速（N1K），例如:

CFM56-7B26K最大推力状态下的N1K=5081RPM。

由于在大多数情况下发动机的测试只能在当地实际大气条件下进行，为了比较试验结果，就要把测量值换算到标准大气条件。

这样的换算后的数据才具有可比性。

所以，为了保证不同地点的测试结果的可比性，我们需要按照统一的标准对发动机进行测试，因此才有了标准大气条件下（T=15。

C，P=1.01*105Pa）的最大连续和最大推力的N1换算转速（N1K）。

其中N1K是根据相似工作原理将N1物理转速对温度和湿度的修正。

N1K=N1MEAS*KHN1*（

）

其中：

N1MEAS为N1的物理转速

KHN1为当前大气条件下的湿度修正系数

T2为在当前大气条件下的温度（单位为摄氏度）

2.2以上的测试项目是发动机的功能测试，试车曲线的后半部分是发动机的性能测试。

性能测试是需要测试发动机的加速时间、滑油消耗量、4号轴承分析以及发动机性能参数的计算。

i.加速时间测试

CFM56-7B发动机在性能测试时需要进行加速测试，此测试是用于判断发动机的加速过渡状态的性能。

参考图1程序d进行发动机加速测试，在做加速测试发动机在地面慢车稳定运转约5分钟，然后推油门杆至然后加速至15%起飞推力，在此状态上稳定运转约5分钟时间，然后快速的将油门杆推至起飞推力，在起飞推力运转30秒，快速将发动机油门杆拉回最大连续状态。

加速时间是在快速推油门杆时计算由15%起飞推力至95%最大起飞推力的过渡时间。

根据ESM手册要求，不能超过5秒钟。

实际上，发动机加速时间测试是用于检测HMU内部计量活门的电液伺服阀在EEC的控制下从全关位到全开位的沿程时间。

ii.滑油消耗量测试

此测试目的是用于检查发动机的滑油消耗量是否在规定的范围内，若超出规定的范围，需要对发动机外部滑油系统进行检查是否出现外漏。

若外部滑油系统和管路无外漏，需要对发动机内部进行详细检查，检查是否发动机内部的收油池的前后蓖齿封严造成的滑油内漏。

滑油消耗量测试可参考图1程序e进行测试，在发动机慢车运转5分钟后计时开始，发动机进行加速测试，当发动机加速测试完成后将油门杆拉回最大连续状态，并在此状态稳定运转

8分钟，然后再加速到最大起飞推力状态运转5分钟，5分钟后将功率减小至最大连续状态并运转3分钟，此后将发动机缓慢拉回地面慢车状态。

在地面慢车状态第5分钟的时候，结束滑油消耗量计时。

根据记录的起始和终止点之间消耗的滑油量，再除以所消耗的时间（28.5分钟）就是滑油消耗量的值（单位为liter/h）。

根据经验证明，按此程序测试滑油消耗量往往会超出手册对滑油消耗量的限制值（限制值为0.38liter/h）。

原因是因为滑油消耗量测试过程中整个发动机工作状态大多在高功率状态，在高功率状态，发动机滑油消耗量比较大，当将油门从高功率收回慢车状态时，若油门杆收回的过快（手册要求为2分钟），这时发动机内部的滑油不能快速的返回至滑油箱内。

因此造成滑油消耗量过高。

在以上测试中，若滑油消耗量超出手册要求，ESM手册提到了一种“惩罚性滑油消耗量测试”（OilConsumptionPenaltyRun）。

参考图4，根据此要求再进行滑油消耗量测试，往往可以使滑油消耗量进入限制值内。

若消耗量仍超出手册要求，则需要对发动机进行检查排故。

图4–滑油消耗量惩罚测试

iii.四号轴承振动分析

CFM56-7B发动机的4号轴承工作条件是所有5个主轴承工作环境最为恶劣的一个轴承。

由于该轴承外环固定在高压转子上，内环固定在低压转子上，对转子间振动相互影响较大，可能会引发振动耦合作用。

一方面，大直径的高压转子支承在直径相对较小的低压转子上，低压转子的变形及振动会影响高压转子的工作；另一方面，高转速的高压转子的不平衡力直接作用在转速低很多的低压转子上，大大降低了低压转子的自身临界转速，可能会引发共振现象，使振动应力剧增。

因此，为保证发动机在大修完成后，四号轴承工作的可靠性，需要对4号轴承进行振动分析。

参考图

1程序c为四号轴承的振动分析试车曲线，通过此程序并结合OEM的专用工具跟踪N1和N2的转速信号，以及跟踪发动机振动传感器的宽频信号探测出4号轴承外环是否存在缺陷。

iv.性能参数计算

参考图1程序e为发动机性能参数测试阶段，在此过程中，发动机试车系统通

过采集发动机的EGT和FN（推力）等数据，并进行发动机的性能计算，算出

发动机的性能参数-推力裕度（FNM）、燃气排气温度裕度（EGTM）。

下面通过CFM56-7B26K构型发动机举例说明以上两个个重要的性能参数。

为读者更好的理解性能参数计算，需要对发动机试车台架的标定进行简要的介绍。

发动机试车标定就是确保当地发动机试车台架的测试数据与发动机原厂家基准试车台架的测试数据相一致。

通常，首先要准备一台用于标定的某型发动机，其性能状态应处于稳定状态。

将标定的发动机送到原厂家的基准试车台进行测试，得到该发动机在基准试车台的各种性能参数数据。

然后将发动机运回被标定试车台，装上今后试车生所要安装的试车测试设备，在被标定试车台上进行相同程序的标定试车。

将测试出来的性能参数数据与基准试车台测出的数据进行对比检查，通过计算，将每个参数的差异找出来，然后给出相应的性能参数（Thrust-推力，EGT-燃气排气温度，FuelFlow-燃油流量，N2-高压转子转速，W2A-空气流量）一个修正系数或修正量，通常这些修正系数被称为台架修正值（FacilityModifier），被标定的试车台就将这些台架修正值输入到自己的计算系统后，进行性能计算。

燃气排气温度裕度（EGTM）计算

HOTDAYEGTM（。

C）=（HOTDAYEGTLIMIT–EGTHD）

其中EGTHOTDAY的意思是指将发动机在当地条件下测试出的EGT值按照

当时大气温度、湿度、试车台进气修正系数和台架关于EGT的修正值换算

到拐点温度处（热天温度，CFM56-7B拐点温度为30度）的值。

因此此值通常

称为EGT拐点温度。

其中HOTDAYEGTLIMIT是根据具体的发动机推力级别和构型查找ESM手

册得知的。

例如：

CFM56-7B26K的EGTHOTDAYLIMIT通过图6可以知道此构型发动机EGT拐点红限值为918度。

如下图所示，CFM56-7B发动机在拐点温度以下为保证发动机恒定的推力值，随着外界大气温度的上升，空气密度减小，因此需要加快风扇叶片的转速压入更多的空气进入，这就需要供入更多的燃油，燃油的增加会使燃烧室的余气系数减小，这就造成涡轮前燃气温度增高，从而导致EGT增高。

当外界大气温度达到拐点温度，由于发动机涡轮部件的材料等机械性能的限制，这时就需要减小发动机推力保证EGT温度不超温，且维持一个稳定值。

通过以上分析，EGT在拐点温度下的值是发动机所能达到的最高的温度，EGTHOTDAYMARGIN也更能发映出发动机的性能状况。

EGTM越高，说明发动机的性能越好，其在翼时间就越长。

图5–EGTM的解释

推力裕度（FNM）计算

THRUSTMARGIN（%）=

其中，FNK3是对测试出来的发动机推力对外界大气压力、湿度、试车台进气修正系数以及台架关于推力修正值的一个修正计算值。

FNK3的计算公式可以通过查找ESM手册得知。

FNKrated是相应发动机构型的基准推力，每一个构型和推力级别的发动机都有相应的基准推力，可以通过ESM手册查询到此值。

例如26K的推力级别的基准性能参数值如图6。

图6-26K发动机基准性能参数值

通过以上计算分析，可以很容易的算出推力裕度值。

得出的发动机的推力裕度必须为正值。

否则，说明发动机的推力不能满足该推力级别的基准推力。

4.结束语

综上所述，发动机的台架试车在发动机大修过程中起到了关键的作用，能够检验出

发动机整机装配质量，以及性能参数是否能够满足后续在翼的可靠性。

因此，发动机的

台架试车是发动机大修过程中的重要环节，这就要求发动机试车人员和工程师对发动机

试车过程中试车项目的目的进行充分的理解。

并能够针对在试车过程中遇到的故障，采

取合理的排故方法。

同时，在当今试车台高度技术集成的条件下，不需要试车人员和工程师对性能参

数进行人工计算，发动机参数通过试车采集系统进行采集，并通过后台的软件按照ESM

手册里的公式进行性能计算，这样大大提高了生产效率。

但也造成了试车人员和工程师

对性能参数计算不理解不熟悉。

本文通过发动机理论知识和实际发动机试车过程相结合，

浅析了试车项目的目的和理论支持。

另外，本文通过阐述发动机试车项目及其目的，使航空公司工程师更容易的理解

发动机台架试车的内容，更方便的识别出台架试车和在翼试车的区别。

同时，本文也较

为详细的阐述了发动机性能参数的计算，特别是EGT裕度的计算。

望这些阐述为航空公

司工程师在对发动机在翼使用时起到某些提示作用。

参考文献

[1]张宝诚航空发动机试验和测试技术北京航空航天大学出版社

[2]航空发动机工作原理西北工业大学出版社

[3]航空器动力装置修理

[4]CFMI公司CFM56-7B车间修理手册

作者简介

裴锐，高级工程师，主要负责CFM56-7B发动机大修工程管理工作，包括发动机大修工作范围制定和发动机台架试车排故。

（注：

可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!

）