某型輔助動(dòng)力裝置啟動(dòng)失敗故障分析

王俊琦，汪 濤

(中國飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089)

1 引 言

輔助動(dòng)力裝置(簡稱APU-Auxiliary Power Unit)是裝在飛機(jī)上的一套不依賴機(jī)外任何能源自成體系的小型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)[1，2]。APU可以為主發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)提供壓縮空氣，改善發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能，而且APU可以向機(jī)上提供電、氣、液壓等能源，提高飛機(jī)的安全性和自給維護(hù)保障性，延長主發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命[1]。APU已成為軍民用飛機(jī)的重要功能子系統(tǒng)[3，4]。

APU作為飛機(jī)/直升機(jī)的第二動(dòng)力系統(tǒng)，在地面啟動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)前，為機(jī)上設(shè)備提供電源。APU的啟動(dòng)能力直接決定了直升機(jī)的使用能力，對于在高原、高寒、高熱等極端條件下使用的飛機(jī)/直升機(jī)，要求APU能夠在相應(yīng)的特種環(huán)境中可靠啟動(dòng)。APU啟動(dòng)的基本要求是，在不出現(xiàn)喘振、超溫的情況下，在給定的時(shí)間內(nèi)按照給定的啟動(dòng)和燃油控制程序點(diǎn)燃燃燒室，將APU轉(zhuǎn)子從靜止或風(fēng)車狀態(tài)加速至可加載的轉(zhuǎn)速[5]。因此，APU的啟動(dòng)控制規(guī)律設(shè)計(jì)也成為APU研制的關(guān)鍵技術(shù)之一[6]。在狀態(tài)鑒定試飛中，APU的地面和空中啟動(dòng)能力是最主要的驗(yàn)證科目之一[7，8]。

某型APU在配裝某型直升機(jī)開展高原試飛時(shí)，地面啟動(dòng)出現(xiàn)超溫、轉(zhuǎn)速懸掛現(xiàn)象，導(dǎo)致啟動(dòng)失敗。本文對該型APU的啟動(dòng)控制特點(diǎn)、啟動(dòng)失敗現(xiàn)象以及故障排查過程進(jìn)行了詳細(xì)介紹，為同類型APU啟動(dòng)試驗(yàn)和故障排查提供參考。

2 APU啟動(dòng)方式及控制規(guī)律

該型APU是一種單轉(zhuǎn)子小型渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)，由一級離心式壓氣機(jī)、環(huán)形回流燃燒室、一級向心葉輪和附件傳動(dòng)箱組成。該型APU采用液壓啟動(dòng)系統(tǒng)，由直升機(jī)上液壓馬達(dá)和液壓蓄能器等組件組成。執(zhí)行APU啟動(dòng)時(shí)，液壓蓄能器釋放存儲的液壓能，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)帶轉(zhuǎn)APU轉(zhuǎn)子加速進(jìn)行啟動(dòng)。

該型APU燃油和控制系統(tǒng)為機(jī)械液壓式控制系統(tǒng)，其啟動(dòng)供油規(guī)律如圖1所示。在接通啟動(dòng)后，液壓馬達(dá)帶轉(zhuǎn)APU轉(zhuǎn)子加速。當(dāng)APU轉(zhuǎn)速Fg達(dá)到n1時(shí)，啟動(dòng)燃油電磁閥接通，向燃燒室供給燃油，同時(shí)開始點(diǎn)火加速。當(dāng)Fg達(dá)到n2時(shí)，主燃油電磁閥接通，增加燃燒室的供油量。當(dāng)Fg達(dá)到n3時(shí)，液壓馬達(dá)脫開，由渦輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子加速。在Fg達(dá)到n4時(shí)，啟動(dòng)燃油電磁閥關(guān)閉，此時(shí)僅由主燃油油路供油。在Fg達(dá)到n5時(shí)，最大燃油電磁閥接通，向燃燒室補(bǔ)充一股增量燃油，使APU轉(zhuǎn)子迅速加速至100%狀態(tài)，隨后進(jìn)入轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。APU啟動(dòng)還設(shè)有高度補(bǔ)償器，根據(jù)壓氣機(jī)機(jī)后壓力和大氣壓力對燃油流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖1 APU啟動(dòng)控制規(guī)律示意圖

3 APU啟動(dòng)超溫故障分析

某型APU在配裝某直升機(jī)進(jìn)行試飛時(shí)，APU當(dāng)日第一次啟動(dòng)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速上升緩慢，排氣溫度超溫現(xiàn)象，隨后關(guān)停APU終止啟動(dòng)。啟動(dòng)過程中，APU轉(zhuǎn)速Fg、排氣溫度Egt以及主要控制信號時(shí)間歷程曲線如圖2所示，圖中Sah是液壓馬達(dá)帶轉(zhuǎn)信號，Sig是APU點(diǎn)火信號，Sfs是啟動(dòng)燃油電磁閥工作信號，Sfm是主燃油電磁閥工作信號，T為APU空載時(shí)排氣溫度，作為參考溫度，Egtmax為啟動(dòng)超溫保護(hù)限制溫度。

圖2 APU啟動(dòng)失敗參數(shù)時(shí)間歷程曲線

在APU開始啟動(dòng)后，液壓馬達(dá)工作，帶轉(zhuǎn)APU轉(zhuǎn)子加速，點(diǎn)火信號工作。隨后啟動(dòng)燃油電磁閥打開，排氣溫度升高，點(diǎn)火成功，APU轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到控制轉(zhuǎn)速n2時(shí)，主燃油電磁閥打開，但轉(zhuǎn)速上升率明顯減小，而排氣溫度在主燃油電磁閥接通后約3s開始加速上升，約5s后超過啟動(dòng)超溫保護(hù)溫度Egtmax。隨后，APU控制系統(tǒng)保護(hù)停車，APU最大轉(zhuǎn)速為36.6%。從參數(shù)可以看出，在這次啟動(dòng)中，APU啟動(dòng)和燃油控制邏輯與設(shè)計(jì)一致，可排除APU電子控制器故障，但轉(zhuǎn)速加速遲緩，排氣溫度快速上升，是典型的熱懸掛現(xiàn)象。

圖3是APU啟動(dòng)失敗過程(記為啟動(dòng)A)和啟動(dòng)成功過程(記為啟動(dòng)B)轉(zhuǎn)速和排氣溫度的對比。從圖中可以看出，在液壓馬達(dá)帶轉(zhuǎn)初期，兩次啟動(dòng)轉(zhuǎn)速上升過程相似，隨后啟動(dòng)B轉(zhuǎn)速加速上升，達(dá)到100%轉(zhuǎn)速后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)閉環(huán)控制，而啟動(dòng)A轉(zhuǎn)速上升緩慢，出現(xiàn)懸掛；啟動(dòng)B排氣溫度上升較為均勻，在進(jìn)入轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)控制前，排氣溫度開始逐漸降低，啟動(dòng)A在前期排氣溫度一直低于正常啟動(dòng)，但隨著啟動(dòng)時(shí)間增加，排氣溫度持續(xù)上升，出現(xiàn)超溫。

圖3 APU啟動(dòng)對比

圖4是兩次啟動(dòng)的Fg-Egt曲線，可以看出，在啟動(dòng)初期，兩次啟動(dòng)轉(zhuǎn)速和排氣溫度變化較為一致。隨著轉(zhuǎn)速的增加，正常啟動(dòng)過程APU轉(zhuǎn)速與排氣溫度上升比較平穩(wěn)，排氣溫度上升的同時(shí)，轉(zhuǎn)速持續(xù)加速。與正常啟動(dòng)相比，失敗次啟動(dòng)的排氣溫度上升要明顯快于轉(zhuǎn)速的增加，說明燃油燃燒的能量大部分轉(zhuǎn)換為熱能，而沒有驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子加速。

圖4 Fg-Egt曲線

根據(jù)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過程，APU的啟動(dòng)也可劃分為3個(gè)階段：第一階段，由液壓馬達(dá)帶轉(zhuǎn)階段，燃燒室尚未供油；第二階段，燃燒室點(diǎn)火后，渦輪開始發(fā)出功率，APU轉(zhuǎn)子由渦輪和液壓馬達(dá)共同帶動(dòng)，提供壓氣機(jī)和附件耗功；第三階段，液壓馬達(dá)脫開，由渦輪獨(dú)自帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)加速至100%轉(zhuǎn)速[9]。根據(jù)啟動(dòng)數(shù)據(jù)分析，在啟動(dòng)的第一階段，APU轉(zhuǎn)子加速與正常啟動(dòng)相同，在啟動(dòng)第二階段表現(xiàn)為轉(zhuǎn)子加速能量不足，該階段由液壓馬達(dá)和渦輪共同帶動(dòng)，該階段APU啟動(dòng)過程的功率平衡關(guān)系可以用式(1)[9]表示。

(1)

式中，NST、NT、Na、Nk分別是液壓馬達(dá)功率、渦輪功率、附件提取的功率和壓氣機(jī)提取的功率，ηa、ηm分別是附件機(jī)械效率、壓氣機(jī)機(jī)械效率。

根據(jù)式(1)分析，影響APU轉(zhuǎn)子加速的因素可能有：

(1)轉(zhuǎn)子或附件卡滯，導(dǎo)致壓氣機(jī)和附件提取功率增大；

(2)燃油供油異常，導(dǎo)致壓氣機(jī)出現(xiàn)失速或喘振，效率下降；

(3)液壓馬達(dá)帶轉(zhuǎn)功率不足。

根據(jù)分析結(jié)果，對該APU進(jìn)行了故障排查。首先，檢查了APU轉(zhuǎn)子的靈活性，無明顯卡滯現(xiàn)象。同時(shí)，統(tǒng)計(jì)了故障前兩次飛行日APU的停車后余轉(zhuǎn)時(shí)間ts，如表1所示，APU余轉(zhuǎn)時(shí)間均大于40s，符合檢查要求，可以排除APU轉(zhuǎn)子或附件卡滯因素。

表1 APU余轉(zhuǎn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)

然后對APU啟動(dòng)供油油量進(jìn)行了檢查，將進(jìn)入APU燃燒室的啟動(dòng)和主燃油油路斷開并導(dǎo)入外部測量容器內(nèi)，斷開點(diǎn)火電路。執(zhí)行啟動(dòng)程序，APU按照啟動(dòng)控制邏輯啟動(dòng)，啟動(dòng)和主燃油油路依次供油。啟動(dòng)后對燃油量進(jìn)行了測量，結(jié)果顯示，啟動(dòng)供油量符合啟動(dòng)油量控制，可以排除啟動(dòng)供油異常問題。

最后采用APU冷運(yùn)轉(zhuǎn)方式對液壓馬達(dá)帶轉(zhuǎn)能力進(jìn)行檢查。該APU啟動(dòng)液壓馬達(dá)采用直升機(jī)液壓蓄能器的液壓油驅(qū)動(dòng)，啟動(dòng)前要求液壓蓄能器工作壓力不小于19MPa。試驗(yàn)前將液壓蓄能器壓力提升至20MPa，APU冷運(yùn)轉(zhuǎn)最大轉(zhuǎn)速為16.5%，而正常帶轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速應(yīng)達(dá)到30%以上。多次重復(fù)試驗(yàn)后，結(jié)果相同，可以判定液壓啟動(dòng)系統(tǒng)帶轉(zhuǎn)能力不足。而液壓蓄能器壓力滿足要求，且經(jīng)檢查液壓管路密封完好，初步判定液壓馬達(dá)存在故障。更換液壓馬達(dá)組件后，重新進(jìn)行冷運(yùn)作試驗(yàn)，最大帶轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速達(dá)到34.7%，帶轉(zhuǎn)能力明顯提升。隨后，執(zhí)行APU啟動(dòng)程序，APU成功啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間、排氣溫度等均在正常范圍內(nèi)。故可以判定，APU啟動(dòng)超溫的根本原因是液壓馬達(dá)故障，導(dǎo)致啟動(dòng)帶轉(zhuǎn)功率不足。

在APU啟動(dòng)初期，液壓馬達(dá)帶轉(zhuǎn)功率是轉(zhuǎn)子加速的主要?jiǎng)恿ΑｋS著轉(zhuǎn)速的升高，APU空氣流量響應(yīng)逐漸增大，適當(dāng)?shù)娜加凸┙o使得燃油與空氣在燃燒室以適當(dāng)油氣比混合燃燒，驅(qū)動(dòng)渦輪做功。APU啟動(dòng)控制中，供油量的控制常常是轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速增加率的函數(shù)。由于轉(zhuǎn)速與空氣流量是一致的，故啟動(dòng)燃油控制的本質(zhì)是燃燒室油氣比的匹配控制。但由于液壓馬達(dá)帶轉(zhuǎn)能力不足，轉(zhuǎn)子加速緩慢，空氣流量和壓力較小，渦輪做功能力不足，轉(zhuǎn)子加速更加遲緩，出現(xiàn)懸掛；同時(shí)燃燒室內(nèi)的燃油燃燒產(chǎn)生的能量不能轉(zhuǎn)換為渦輪功，造成熱量積聚，導(dǎo)致排氣溫度快速升高，出現(xiàn)超溫。

4 結(jié) 論

某型APU在進(jìn)行試飛時(shí)出現(xiàn)啟動(dòng)超溫現(xiàn)象，導(dǎo)致啟動(dòng)失敗。經(jīng)數(shù)據(jù)分析，結(jié)論如下：

(1)該型APU啟動(dòng)控制邏輯正常，啟動(dòng)失敗表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速上升遲緩、排氣溫度持續(xù)升高直至超溫保護(hù)停車。與正常啟動(dòng)數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，APU排氣溫度相對轉(zhuǎn)速增加率明顯增大。

(2)檢查結(jié)果顯示，液壓馬達(dá)故障導(dǎo)致帶轉(zhuǎn)能力不足是導(dǎo)致APU啟動(dòng)失敗的直接原因。更換液壓馬達(dá)后，APU啟動(dòng)成功。