一起GTCP131-9B型APU排氣溫度分布不均勻故障的分析與排除

■ 張博才 李陽 劉鵬搏 劉昕/1中國南方航空公司沈陽維修基地 2中國南方航空公司工程技術(shù)研究中心

GTCP131-9B型APU用于波音737NG系列飛機(jī)，以恒定48800rpm的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，在地面和空中為飛機(jī)提供穩(wěn)定的氣源和電源。發(fā)動機(jī)排氣溫度（EGT）是APU實(shí)際監(jiān)控工作中最常用的氣動熱力性能參數(shù)，是衡量發(fā)動機(jī)工作正常與否的重要參數(shù)。導(dǎo)致GTCP131-9B型APU的EGT差值過大故障的原因通常有兩個：APU核心機(jī)內(nèi)部（如渦輪、靜子等）故障和燃油系統(tǒng)外部件故障。本文只討論由燃油系統(tǒng)外部件故障引起的EGT差值過大問題。

1 系統(tǒng)原理介紹

131-9 B型APU燃油系統(tǒng)的功能是在APU所有運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下為APU提供燃油供給和控制，以使APU在恒定轉(zhuǎn)速下為飛機(jī)提供氣源和電源，并為IGV作動器和防喘活門提供伺服燃油。

131-9 B型APU的燃油系統(tǒng)由以下主要部件構(gòu)成：燃調(diào)組件（FCU）、燃油分配器、主副燃油總管和噴嘴、余油活門和相關(guān)管路，如圖1所示。燃油系統(tǒng)其他部件，如IGV、SCV等與EGT差值問題關(guān)系不大，在此不作介紹。

燃調(diào)組件由高壓燃油泵、封嚴(yán)、燃油濾、燃油力矩馬達(dá)、流量計、溫度傳感器和燃油關(guān)斷電磁活門組成。燃調(diào)組件通過一個V型夾子安裝在滑油泵上，由一個滑油潤滑的花鍵軸驅(qū)動。

圖1 131-9B燃油系統(tǒng)主要部件

圖2 燃油分配器工作原理

如圖2所示，燃油分配器安裝在燃調(diào)的出口和APU主副燃油總管之間，燃油流量由一個球形單向活門控制，當(dāng)燃油需求增加時，燃油分配活門會在燃油壓力達(dá)到120pisg時打開（108psig時重置），允許燃油進(jìn)入副燃油總管。這個動作發(fā)生在APU轉(zhuǎn)速達(dá)到30%～40%時。與此同時，一個常開的電磁活門會在低溫（＜55°F）啟動和高海拔（＞25000ft）運(yùn)行時切斷副油路的燃油供給。

131-9 B有10個均勻安裝在燃燒室機(jī)匣上的雙節(jié)流孔噴嘴，計量后的燃油經(jīng)燃油總管分配后由這些噴嘴進(jìn)入燃燒室內(nèi)參與燃燒，用于啟動和初始加速的燃油由主噴嘴供應(yīng)。如圖3所示，定位銷用于定位空氣襯套，并使噴嘴準(zhǔn)確地安裝在發(fā)動機(jī)上。燃燒室進(jìn)口空氣通過襯套引入，用于清潔噴射梢，以防止積炭的產(chǎn)生。

余油活門（節(jié)流孔）位于燃燒室機(jī)匣的最下端，其作用是排出啟動失敗后殘留在燃燒室和機(jī)匣內(nèi)的燃油，防止下次啟動時可能的溫度過高或噴火。

2 故障分析

以APU本體兩個熱電偶所測量EGT差值過大為頂事件，根據(jù)APU系統(tǒng)工作原理構(gòu)建故障樹，如圖4所示。

圖3 燃油總管和噴嘴

圖4 FTA故障樹

圖4中X1～Y6代表底事件，其中，X1為傳感器故障；X2為相關(guān)線路損壞；Y1為FCU本體故障；Y2為相關(guān)插頭線路接觸不良；Y3為分配活門故障；Y4為管路堵塞；Y5為噴嘴按流量分配不當(dāng)；Y6為個別噴嘴流量、噴角超出手冊標(biāo)準(zhǔn)。

故障樹的定性分析就是求出故障樹所有的最小割集，以便找出系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)。從實(shí)際工程角度來看，每一個最小割集都對應(yīng)著一種故障類型，從圖4可以看出，傳感器數(shù)據(jù)錯誤和真實(shí)EGT差值過大都屬于可導(dǎo)致頂事件EGT差值過大的故障類型，因此，故障樹最小割集為：

傳感器數(shù)據(jù)錯誤= X1+X2；

真實(shí)EGT差值過大= Y1+Y2+Y3+Y4+Y5+Y6。

3 案例分析

一臺131-9B型APU進(jìn)行車臺測試時發(fā)現(xiàn)：APU可以正常啟動并加速到無負(fù)載狀態(tài)（RTL），此狀態(tài)下，包括EGT差值在內(nèi)的所有參數(shù)均在手冊規(guī)定范圍內(nèi)。但隨著測試的進(jìn)行，為APU施加電負(fù)載和引氣負(fù)載后，APU本體兩個熱電偶測得的排氣溫度差值逐漸增大。熱電偶和燃油噴嘴的位置如圖5所示，#1和#2為APU本體測量排氣溫度的熱電偶，1～10分別為APU燃油噴嘴。在MES測試模式下，#1熱電偶比#2熱電偶測量的排氣溫度高出115°F，大幅超出手冊規(guī)定范圍。

根據(jù)上述故障樹分析法，得到如下排故方案和排故進(jìn)程。

1）首先需要排除因溫度傳感器（熱電偶）故障造成溫度測量不準(zhǔn)確的可能，因此互換#1和#2熱電偶。互換熱電偶后，兩者差值依舊保持115°F，且溫度高的區(qū)域仍然在B區(qū)域，由此判定傳感器狀態(tài)良好，排氣溫度差值過大現(xiàn)象是真實(shí)存在的。

圖5 131-9B燃油噴嘴分布情況

2）依次更換FCU、燃油分配器、主副燃油總管后，故障現(xiàn)象依舊，最后將故障原因鎖定在燃油噴嘴。

3）如圖5所示，將燃油噴嘴依次編號，因5號和6號噴嘴在位拆裝較困難，因此將1、2、3、4號與7、8、9、10號噴嘴分別編為兩組，對換兩組噴嘴位置。調(diào)整位置后故障現(xiàn)象依舊存在。此時懷疑B區(qū)域溫度高的原因是該區(qū)域噴嘴噴油量過大，因此以在噴嘴測試中參數(shù)合格但流量偏低的噴嘴來替換7、8、9、10位置的噴嘴，但故障現(xiàn)象并沒有消失。最終將排故重點(diǎn)鎖定在5號和6號燃油噴嘴，更換5號和6號噴嘴后，故障現(xiàn)象消失，MES測試模式下，溫差保持在20°F以內(nèi)。

經(jīng)燃油噴嘴測試臺測試，5號燃油噴嘴流量明顯高于手冊標(biāo)準(zhǔn)且霧化情況不好。分析認(rèn)為，5號燃油噴嘴燃油流量過大且霧化不好，造成該區(qū)域燃油燃燒不充分，導(dǎo)致5號燃油噴嘴附近排氣溫度較低。而APU為了維持恒定轉(zhuǎn)速會加大噴油量，從而使其他區(qū)域溫度升高，進(jìn)一步加大了排氣溫度分布不均勻的情況。因#2熱電偶的測量位置與5號燃油噴嘴造成的影響區(qū)較近，故導(dǎo)致#2熱點(diǎn)偶測量到的溫度值明顯低于#1熱電偶。

4 結(jié)論

在排除由噴嘴原因造成的EGT差值過大問題時，不應(yīng)只關(guān)注溫度高一側(cè)的噴嘴情況，同時還應(yīng)考慮溫度低一側(cè)噴嘴是否存在故障情況。如上述故障案例中，流量異常的噴嘴恰恰出現(xiàn)在排氣溫度低的一側(cè)。