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V2500发动机VSV系统及其主要故障分析
作者：高彦平
来源：《中国新技术新产品》2017年第09期
摘 要：航空无小事，发动机是飞机的心脏，其运行状态关系整个航空器的运行安全。发动机气路系统犹如人体的呼吸系统，其工作状态关系发动机是否“窒息”。本文从发动机VSV系统的原理出发，分析常见故障发生原因，以及目前的应对举措方面做简要分析。以供各同仁，专家交流参考。
关键词：V2500；发动机；VSV 中图分类号：TN22 文献标识码：A
航空发动机被称为飞机的“心脏”且有“工业之花”的美誉，其设计、制造存在着许多技术壁垒以至于全世界仅有美、英、中、法、俄五个国家能独立生产航空发动机。发动机喘振可导致发动机超温、尾喷喷火等现象，并在短时间内给发动机本体造成严重的损坏，是发动机所有系统故障中最常见且最有危害性的一个，因此在实际运行中尽量避免喘振的发生。VSV为可变定子叶片，通过改变高压压气机气流轴向方向、速度，以提高压气机效率，增加喘振边界，VSV系统作为发动机4种最有效的防喘振的方法之一，不管在发动机设计还是在发动机使用过程中，都占据重要地位。
世界范围内V2500系列发动机因VSV系统故障导致发动机N2超转，EGT超温，发动机空中停车事件时有发生。事件发生后，航空公司/发动机厂家对DFDR译码分析，结论多为发动机功率变化时，VSV卡滞在某个位置，没有随发动机实际运行的工况需求调节其角度，从而造成N2超速和EGT超温。
当压气机在偏离设计工况的条件下运行时，叶栅的进口处必然会出现正负攻角。当攻角达到某种程度时，黏附在叶型表面的气流附面层在逆流方向的压力梯度下就会出现局部逆流区，形成涡流，造成附面层的分层，以致发生气流的脱离现象。因此相对于压气机叶片而言，气流是否发生分离要看相对速度的方向与叶栅前缘方向的夹角即攻角大小。在VSV卡滞情况下，叶栅前缘方向不会改变，攻角的大小取决于相对速度的方向。
1.正常的工况下压气机气流相对速度的方向与叶栅前缘方向基本一致即攻角为零，不会产生气流分离现象。
2.若气流相对速度的方向偏离叶栅前缘方向形成负攻角，将发生叶背气流的分离现象。 3.若气流相对速度的方向偏离叶栅前缘方向形成正攻角，将发生叶盆气流的分离现象。
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无论是形成负攻角还是形成负攻角，都会发生气流分离，造成空气流通不畅，到燃烧室的空气量减少，造成燃烧室在富油的工况下工作；更严重时产生喘震，气流反流，损坏发动机本体。
要研究清楚出现VSV系统卡滞的原因，首先应从V2500发动机VSV系统的构造出发。VSV系统主要部件有：VSV作动筒、VSV作动筒曲柄机构、VSV系统同步作动环、VSV系统作动杆。VSV系统工作时，指令的传递过程：VSV作动筒→VSV作动筒曲柄机构→VSV系统同步作动环→VSV系统作动杆→HPC（高压压气机）的可调静子叶片。 在排除EEC控制因素外，造成VSV系统卡滞的原因只有如下两个： ①VSV系统的其他机构没有将作动指令准确地传递给HPC的可调静子叶片。 ②VSV作动筒没有成功带动VSV系统。
针对VSV系统的其他机构没有将作动指令准确地传递给HPC的可调静子叶片问题，经实践证明，通过对VSV静子叶片作动杆轴套、VSV同步环上作动臂销子等VSV系统的润滑，可解决该问题。
针对VSV作动筒没有成功带动VSV系统，若在机构链接都正常情况下，可能造成该现象的原因就只有一个，VSV作动筒没有足够动力去带动VSV系统。如图1所示，粉红色两条线代表了VSVA作动力的包线，深蓝色线代表在实际运行中需要的作动力；在phase 5/6，实际运行中需要的作动力几乎等于VSVA能提供的作动力即几乎接近于包线（裕度小）。作动力不够导致出现短暂不能完全调节VSV叶片跟随发动机工况变化而变化，叶片的实际角度与需要的角度存在差异，从而触发了ECAM警告和故障信息。在达到一定程度后将造成N2超速和EGT超温，从而导致严重事件发生。
若要从根源上解决该问题，就需要提高VSV作动筒的作动力，使其在发动机所有工况下需要的作动力均完全在其作动力包线内，即提高VSV作动筒的作动力裕度。
如何才能提高VSV作动筒的作动力？VSV作动筒为标准液压作动装置，根据压力与压强的关系F=P×S，鉴于在发动机工作时，燃油系统在增压后，其燃油压力基本保持恒定，即P不变；在此情况下，只有增加S才能实现F的增加。因此，只有增加VSV作动筒的液压作动面积，所以只有重新设计VSV作动筒以增加液压作动面积。
重新设计VSV作动筒，通过测试数据得出了其能够提供的作动力与发动机实际工况需要的作动力对比图，如图2所示。
从图2可看出虽然存在0.9s伺服卡槽区，由于时间很短，以至于不会影响发动机的实际运行。从而从根本上解决了因VSV作动筒作动力不够而造成的V2500发动机VSV系统故障。
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新构型VSV作动筒投入使用后，反馈良好，VSV系统出现故障的几率大大减少，特别是针对某些在使用老构型作动筒时常发生VSV故障的发动机。减少航空公司维修工作量，提高航空公司的运营品质。 参考文献
[1]廉筱纯.航空发动机原理[M].西安：西北工业大学出版社，2005. [2]邓明.航空燃气涡轮发动机原理与构造[M].北京：国防工业出版社，2008. [3] International Aero Engines Service Bulletin 75-0122， 2015.