V2500发动机EGT指示虚高问题的分析

                -- 作品来自 四川航空股份有限公司   发动机管理中心 王贺平

引言

四川航空公司运营主基地在西南地区，常年气候潮湿，自V2500系列发动机投入运营以来，发动机排气温度（EGT）指示系统的故障率居高不下。其中，尤以发动机启动时EGT指示温度虚高的问题最为严重，下面是近年发生的三个典型案例：

案例一：2012年6月10日，重庆阵雨。川航B-6771飞机在重庆双发启动完毕，在滑行中一发EGT超温，航班被迫取消。经检查发现，一发EGT接线盒四个接线桩之间绝缘值均小于手册规定的1MΩ，更换EGT接线盒。

 

案例二：2013年7月9日，北京大雨。川航B-2348飞机在北京上客完毕后启动一发，N2转速达到40%左右时，EGT温度指示为700℃以上，飞机被迫在北京停场排故，更换一发所有4个热电偶和EGT接线盒后指示正常。但是2013年8月2号早上重庆航前时一发再次超温，停场排故中发现4007VC-A插头的1、4号插孔有积碳，最终清洁4007VC插头并更换EGT接线盒后正常。

案例三：2013年7月14日，厦门小到中雨。川航B-6445飞机在厦门上客完毕后启动二发，N2转速达到40%左右时，EGT温度指示为700℃以上。航班延误10个小时以上。后经排故，更换EGT接线盒后指示正常，飞机飞回昆明。但是第二天早上再次发生指示跳变，造成飞机再次被迫停场一天，最终更换EGT接线盒并清洁4007VC插头后正常。

 

EGT温度直接关系到发动机的健康状况，若超出限制值，将对发动机燃烧室、涡轮等热端部件造成难以估量的损伤。

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上图是AMM手册中规定的V2500发动机EGT限制值。可以看出，一旦EGT温度达到675度以上，就将进入“C”区域，按照手册，应该立即换下该发动机并送修。

因此，当遇到案例中的情况时，飞机被迫停场，航班延误和取消将不可避免，给航空公司的正常运营带来巨大的压力和经济损失。而如果此类故障发生在滑跑、起飞或空中，更将对飞行安全构成严重威胁！

 

为了更多地了解EGT指示系统，为故障排除和安全隐患的预防提供更准确的思路，下面我将从EGT指示系统的基本原理和结构方面入手，分析造成这一故障的根本原因。

 

一.塞贝克效应详述

由于EGT测温系统是基于热电效应中的塞贝克效应设计制造的，下面对相关热电效应进行简单介绍。

塞贝克效应产生的热电势是由两种独立的热电势组成：

 

1．帕尔贴电势（接触电势）：

当两种不同性质的导体接触时，在接触面上因自由电子浓度不同而发生电子扩散。 达到平衡时两导体间的电势差。（后面表示为：Vp）

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两种导体AB接触，当自由电子密度Na>Nb,自由电子将通过接触面从A向B流动，使A带正电，B带负电，从而产生一个电场。

当电场对自由电子的电场力与自由电子的扩散趋势平衡时，在接触面上产生的电势即为：帕尔贴电势，即接触电势。

接触电势特点：

（1）产生接触电势时，自由电子的扩散实际上在数值上是很小的，不会对导体整体的自由电子密度产生影响。

（2）接触电势是由接触面上的电子堆积产生的。当接触面温度固定时，产生的接触电势是固定的。

 

2.汤姆逊电势（温差电势）：

当一根金属棒的两端温度不同时，金属棒两端会形成电势差。（后面表示为：Vt）

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对单一金属导体，如果两端温度不同，则两端的自由电子就具有不同的动能，温度高则动能大。动能大的自由电子就会更多地向温度低的一端扩散，从而失去电子，处于正电位。而低温端由于得到电子处于负电位。这样两端就形成了电位差。

该电势将阻止电子从高温端向低温端扩散，当电子运动达到动平衡时，温差电势达到一个相对稳态值。称为温差电动势，或汤姆逊电势。

 

3.塞贝克效应：

 

塞贝克效应是前面两种电势叠加产生的，如下图：

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热电偶测温系统中，右侧为被测端，即热端。左侧的e(AB)即为自由端测得的电势差，用于确定热端温度：

e(AB)=Vp - Vt(a) + Vt(b)

一般情况下，接触电势对总电势的影响远大于温差电势，即：Vp>> Vt(b)- Vt(a) 。

 

此处应注意：Vp远大于两个Vt的差值，而并不一定远大于某一根线路上产生的Vt。即：不能从这里判断出：Vp>> Vt(a)或Vp>> Vt(b)。

 

二.系统结构

在V2500发动机的EGT指示系统中，分布于尾喷的4个热电偶相当于塞贝克效应中的热端（工作端），而EEC中的测量电路则相当于温度较低的自由端，EEC测量自身（自由端）的温度和热电偶产生的热电势，就可以计算出热端的温度，即EGT温度。

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V2500发动机每个热电偶都有两个独立的通道，来对应EEC的A和B通道，每个通道单独引出一个镍铝和一个镍铬接线柱。4个热电偶的对应接线柱引出的柔性电缆在EGT接线盒处并联（电缆与对应接线柱的材料相同），以并联方式达到4个热电偶测量值进行平均的目的。并联后的导线输入EEC的对应通道，由EEC测量其电动势并计算出当前的EGT温度。详见下图。

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三．故障原因分析：

从上面原理分析可知，在热电偶测温系统里，是不存在电源的。之所以会有电势差，其实是因为热电效应导致自由电子分布不均匀所致。

本文开始列举的三个案例都发生于阴雨天气下，发动机厂商IAE的反馈也证实，该故障的产生多与系统中多个部位发生线路受潮、松动有关。结合现场运行和排故经验分析，在以下两种情况下，EGT温度都有可能指示虚高。

 

1. 两个通道间互相干扰。

实际排故工作中，我们经常会遇到当EGT接线盒受潮后，两根接线柱之间绝缘值低于手册标准1MΩ的问题。在川航机队，一些极端情况下，绝缘值甚至出现过测得结果为0Ω的情况。这是EGT系统故障的主要原因之一，那么这种情况会不会造成指示虚高呢？

下面是EGT测温系统的简化图：

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从V2500发动机CMM手册我们知道，EGT热电偶采用的是镍铬-镍铝型热电偶。而EGT系统线缆、接线盒的接线柱，跟其对应的热电偶端子材料相同，正极线缆和接线柱材料是镍铬，负极线缆和接线柱材料是镍铝。

当如上面简图中所示：通道A的负极与通道B的正极线缆在a-b处发生短接，即：绝缘值为0时，由于两根线缆自由电子密度不同，自由电子必然会由b点向a点运动，导致通道A的负极有了更多的自由电子。因此，EEC处A1-A2测得的电动势将有明显增大。同理，B1-B2测得的电动势也将因b点失去自由电子而相应增大。这毫无疑问，将造成EGT指示值远高于真实值！

下面先来具体分析一下类似故障可能会出现在哪些位置。从上面分析可以知道，这种故障情况只有可能发生在两个通道交汇处附近。

（1） 毫无疑问，EGT接线盒处是最容易发生此类故障的区域。每个接线柱与接线盒壳体都是由中间的一层石棉绝缘层保证绝缘性的（如下图：单层石棉编织层结构）。根据维护经验，当该绝缘层受潮时，绝缘能力将大大下降。

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如上图，当接线盒处出现绝缘层受潮或接线柱松动等情况时，2,3号接线柱有可能同时对壳体绝缘值降低，甚至严重时2,3号接线柱绝缘值近似为零。此时就会出现前面叙述的情况，导致EGT指示虚高故障。

（2）下图为V2500发动机热电偶线路。从中我们可以看到，针对该热电偶，通道A和通道B的四根线缆在1处包裹在一起，并在2处与另一热电偶的四根线缆连接。若线缆本身已有破损的情况下，一旦受潮，是很有可能发生不同通道的线缆搭接，从而导致EGT指示虚高故障。

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那么，这个影响大概能有多大呢？这里我们可以认为在出现故障处产生了一个新的热电偶。由于在热电偶测温系统中，接触电势产生的影响远大于温差电势，在其他部件均正常的情况下，测得的电动势与真实值的偏差近似等于该新热电偶产生的电动势。根据接触电势的计算公式可以得知，其数值大小与该处的温度相关。

上述两处容易导致EGT指示虚高故障的部件，都位于发动机尾喷外侧。根据AMM手册，正常EGT温度在400-600℃之间。故而我们可以估计，EGT接线盒与热电偶线缆区域，在发动机正常工作时的温度应该在300℃左右。

假定该区域温度为300℃，根据镍铬-镍铝热电偶的分度表反向查询到，热电偶产生的电动势约为12.2mv。

也就是说，如果发生此种故障，测得电动势将有可能比实际值大12.2mv。假设真实EGT值为400℃，那么正常情况下热电偶电动势为20.6mv,则当发生故障，电动势将有可能达到32.8mv，对应测得EGT温度为790℃！这将直接导致发动机被迫关车！

 

现在回到本文引言中的案例一，由于故障发生在飞机滑出过程中，接线盒处温度为发动机正常运转温度，300℃-400℃之间。因此当接线柱间绝缘值低造成上述故障时，将造成EGT温度指示严重偏高。

 

2.同一通道不同位置同时缺陷。

 

现在我们来分析单一通道故障有没有产生虚假高温的可能。由于假定了另一通道完好，我们可以将其忽略，则线路图可以简单表示如下：

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结合塞贝克效应产生的原理图，e(AB)=Vp - Vt(a) + Vt(b)。

在这里，Vp是由热电偶受热产生的，而Vt则是线路两端的温差产生的温差电势。

在航线排故工作中，川航多次遇到4007VC积碳、生锈或退针等情况。当正极镍铬电路在4007VC处由于积碳导致对插头壳体（即对地）短接，且在同一线路的接线盒或热电偶处，由于受潮或破损导致另一个对地短接时，如下图所示：

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则：由M与N点之间的温度差产生的温差电势将被屏蔽掉。即：Vt(a)减小。所以，此时EEC测得的电动势值为：

e(AB)’=Vp –{Vt(a)-Vt（MN）} + Vt(b)

显然，该数值将明显增大。

对于现在普遍使用的V2500发动机EGT热电偶来说，根据空客AMM手册，EGT线缆和接线盒接线柱对地的绝缘值标准都是大于1MΩ，但是热电偶对地的绝缘值标准是大于100KΩ。也就是说，热电偶的绝缘性相对来说可能要差一些。

而导致该故障的另一处，4007VC插头，如下图所示：

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该插头位于发动机压气机匣下方大约7点钟位置。一旦发动机上部密封胶条破损，这里是线路受潮等问题的重灾区。仅2012年一年，川航排故中发现了4起4007VC插头内部插针积碳、锈蚀而导致EGT指示不正常的问题。

由此看来，上述两个部位同时故障的情况是有可能出现的。那么这种故障形式对EGT指示造成的影响又有多少呢？

 

发动机正常工作时，热电偶和EGT接线盒处温度为300℃以上。而4007VC所在区域与短舱温度传感器较为接近，所以该处温度正常时大概是略高于200℃，则，M与N点之间温差可能达到100℃以上。

根据南京化工学院提供的实验数据，温差为100℃时，M-N之间产生的温差电动势Vt（MN）大约为5mv。

 

同样，通过分度表可以得到：假设发动机运转时实际EGT温度为500℃，正常情况下EEC处测得的电动势值为20.6mv。则当发生上述故障时，EEC处测得的电动势值将为25.6mv，对应温度值为620℃。

 

这里值得一提的是:

由于EGT热电偶测温系统采用的是悬空式设计，正常情况下整个系统没有接地点，所以单独的一个位置接地并不影响测量结果。

对于该类故障，由于是两个不同位置同时出现缺陷导致的，假如排故时采用常规方式测量发现EGT接线盒绝缘值低，更换接线盒后故障现象将消失。但接线盒或热电偶处的缺陷仍然存在，这会造成发生过一次该故障之后，同一台发动机再次出现此类故障的几率大大增加。

 

那么我们再来看本文引言中的案例二和案例三。V2500发动机启动，转速达到40%左右时，EGT温度正常应为300℃-400℃。由于发动机刚刚启动，4007VC处温度并不会立刻上升，这将导致该处与EGT接线盒处的瞬时温差达到300℃以上。即：假设EGT接线盒处瞬时温度为300℃，EEC测量到的电势差值会比真实值高近15mv，则EGT指示温度将有可能超过700℃！ 

 

 

两次的排故过程也是惊人的一致：第一天排故中更换EGT接线盒和热电偶后故障消失，但指示故障很快就又会出现。就是因为第一天更换了接线盒后，只有4007VC处一个接地点，系统不会表现出故障。但是一旦接线盒或热电偶处有受潮，这种双接地点的故障就又会出现，指示就又变得不准确了。

 

总结：

第一种故障形式只有当EGT接线盒区域温度足够高时，才会对指示产生较大影响，故而只会发生在发动机启动好一段时间以后。一般排故时，只需要针对EGT接线盒和电缆进行排查即可。

而如果是在发动机启动过程中N2转速并未达到慢车时就出现稳定的EGT指示达到甚至超过700度，则很有可能是出现了第二种形式的故障。除了检查EGT接线盒、热电偶等部件，为了彻底解决问题，必须着重检查和清洁4007VC插头与EEC插头处。

 

 

四．工程方面的应对措施

通过上述分析可以看出，由于热电偶测温电路与普通电路相比，有其特殊性，而由于V2500发动机设计布线原因，该系统受潮的概率比较大。

日前，V2500发动机制造商IAE发布了最新的改装计划（SB V2500-ENG-77-0011&V2500-ENG-77-0012），对EGT系统进行很大的改进，其内容包括了：全新构型热电偶、EGT线缆结构改进、采用新构型EGT接线柱石棉绝缘层等。川航正在积极研讨该改装的可行性及实施方案。

 

可能存在的问题：

1.厂家的解决方案，是用新构型的EGT热电偶、EGT线缆和接线盒组件，将老构型部件更换，且新构型不能通过老构型部件升级得到。若要在全机队中预防性主动贯彻该改装，航空公司将承受较大的经济压力。

 

2.同时需要注意：

（1）经过IAE确认，新构型热电偶的绝缘值要求也是100KΩ。

通过本文第三章第二节分析，EGT热电偶处绝缘性也是造成指示虚高的隐患之一，即：新构型热电偶也存在造成EGT指示虚高的隐患。

（1） EGT指示系统受潮湿环境的影响很大。对于V2500发动机来说，一旦C涵道密封胶条破损，水汽将很容易进入。

（2） 热电偶两个通道线路都是经过4007VC处向EEC传送信号的。因此，当4007VC插头内不同通道的插针积碳或受潮时，同样有出现第一种故障的可能！4007VC插头位于发动机下方，一旦水汽侵入，该位置受潮的可能性也很大，因此，4007VC也是造成EGT指示故障的重要原因。

 

而厂家改装方案中并没有对上述三个位置进行优化的计划。

 

综合上述两点，EGT指示故障问题短时间内可能仍会对V2500发动机运行造成较大的影响。

 

针对该系统故障的具体情况，我公司制定了一系列应对措施：

 

1.及时向厂家反馈热电偶、4007VC等部件的故障情况，密切关注厂家对该系统的改装方案中，针对EGT接线盒接线柱、绝缘层和线缆等前面论述过的相关位置的改进情况，并加强与IAE进行技术沟通和讨论。

 

2. 加强维护工作中对C涵道密封胶条的检查，严格标准，一旦发现损坏，必须尽快更换。尽量保证EGT指示系统良好的工作环境。

 

3. 在日常排故中，一旦出现疑似第二种故障形式，第一时间清洁4007VC插头和EEC插头，务必将系统中的隐患消除掉。

 

4.编制EGT系统检查自编卡，针对4007VC、热电偶和EGT接线盒接线柱等故障多发部位以合理的维修间隔加入维修方案进行定期检查，在不过度维修的前提下，保障系统的健康度。

 

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