GTCP36-150[CY]型APU起動(dòng)失敗故障排除與分析

夏燕騰

(1.中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院,西安 710089；2.中飛通用航空有限責(zé)任公司，西安 710089)

0 引言

輔助動(dòng)力裝置(Auxiliary Power Unit, APU)是不依賴任何機(jī)外能源、自成體系的小型動(dòng)力裝置。當(dāng)飛機(jī)在地面時(shí)，APU可為飛機(jī)提供電源和壓縮空氣；當(dāng)飛機(jī)在空中飛行時(shí)，APU作為應(yīng)急動(dòng)力源為發(fā)動(dòng)機(jī)重新啟動(dòng)提供動(dòng)力。APU在飛機(jī)維護(hù)中故障率較高，因此對(duì)APU故障診斷分析具有重要意義。

近年來(lái)，研究和工程技術(shù)人員對(duì)波音飛機(jī)和空客飛機(jī)做了大量的APU故障診斷分析工作。隨著國(guó)產(chǎn)飛機(jī)投入運(yùn)營(yíng)數(shù)量的不斷增多，其APU故障診斷分析工作也越來(lái)越重要。

MA60飛機(jī)是我國(guó)國(guó)產(chǎn)50～60座級(jí)的雙渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)支線客機(jī)，安裝的是可靠性高的GTCP36-150[CY]型APU。根據(jù)最大MA60飛機(jī)運(yùn)營(yíng)商幸福航空公司統(tǒng)計(jì)資料，該型號(hào)APU平均非計(jì)劃拆換間隔時(shí)間為11 625.39飛行小時(shí)，機(jī)務(wù)人員在日常工作中很少接觸該型APU故障，一旦APU出現(xiàn)故障，機(jī)務(wù)人員不能立刻制定出有效的排故措施，達(dá)到快速定位故障部件的目的。本文結(jié)合MA60飛機(jī)APU起動(dòng)故障案例，對(duì)故障機(jī)理進(jìn)行深入剖析，梳理可能的故障原因，并將排故過(guò)程中遇到實(shí)際問(wèn)題給出切實(shí)可行的外場(chǎng)驗(yàn)證方法。

1 故障描述及故障排除過(guò)程

1.1 故障描述

APU故障具體情況為：地面兩次起動(dòng)，均未成功。第三次起動(dòng)，也未能成功，起動(dòng)過(guò)程中觀察到起動(dòng)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速指示器顯示APU轉(zhuǎn)速達(dá)25%，溫度指示器指針全程停止在零位(無(wú)溫度顯示)，尾噴管處有霧狀燃油逸出，且起動(dòng)過(guò)程未聽到明顯的點(diǎn)火塞放電點(diǎn)火聲響。

1.2 故障排除過(guò)程

根據(jù)上述現(xiàn)象，初步判斷APU點(diǎn)火系統(tǒng)未工作。依據(jù)MA60飛機(jī)線路手冊(cè)(AWM)：(1)分別測(cè)量APU電子控制裝置(ECU)至點(diǎn)火裝置低壓輸入電氣插頭線路、點(diǎn)火電纜，排除點(diǎn)火系統(tǒng)線路故障；更換ECU、點(diǎn)火裝置、點(diǎn)火塞后排除ECU、點(diǎn)火裝置、點(diǎn)火塞故障；(3)斷開機(jī)上APU防火開關(guān)及APU燃油關(guān)斷活門電氣插頭并在做好安全防護(hù)的前提下，將點(diǎn)火塞拆出，起動(dòng)APU檢查點(diǎn)火系統(tǒng)，觀察到點(diǎn)火塞端部有電火花。至此，可以斷定點(diǎn)火系統(tǒng)工作正常。接下來(lái)，故障排除轉(zhuǎn)向供油系統(tǒng)。在分別確定燃油切斷開關(guān)、燃油流量分配器、燃油噴嘴等工況良好后，更換了燃油調(diào)節(jié)器(FCU)后故障排除。該故障的排除經(jīng)歷環(huán)節(jié)多，耗時(shí)長(zhǎng)，為避免出現(xiàn)類似情況，對(duì)故障做進(jìn)一步分析，以便為后續(xù)的同型號(hào)APU維修工作提供借鑒。

2 APU起動(dòng)系統(tǒng)工作原理

GTCP36-150[CY]型APU是一種渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，本質(zhì)上是一臺(tái)自備式動(dòng)力源，只要供有運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所必須的燃油和電源，其起動(dòng)、加速、運(yùn)轉(zhuǎn)就在其控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制下進(jìn)行。

在起動(dòng)APU時(shí)，起動(dòng)發(fā)電機(jī)通過(guò)減速齒輪箱帶動(dòng)壓氣機(jī)和渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)部件、滑油泵和燃油調(diào)節(jié)器旋轉(zhuǎn)。當(dāng)APU轉(zhuǎn)速達(dá)到10%時(shí)，ECU接通燃油切斷電磁活門、防喘活門和點(diǎn)火裝置電路，燃油電磁切斷活門通電打開后，燃油進(jìn)入燃油噴嘴組件，點(diǎn)火塞點(diǎn)火，引燃燃燒室中的油氣混合物。APU繼續(xù)加速，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到50%時(shí)，ECU斷開啟動(dòng)繼電器電路，起動(dòng)發(fā)電機(jī)停止工作。當(dāng)APU轉(zhuǎn)速達(dá)到50%以上時(shí)，壓氣機(jī)的排氣壓力打開防喘活門，排掉部分壓縮氣體，防APU喘振。APU轉(zhuǎn)速達(dá)94.5%時(shí)，ECU斷開通向點(diǎn)火裝置的電路，接通小時(shí)表電路，記錄APU工作時(shí)間，APU進(jìn)入正常持續(xù)工作狀態(tài)。

APU起動(dòng)控制電路原理如圖1所示，APU燃油控制系統(tǒng)方框圖如圖2所示。

3 故障分析

3.1 故障誘因及故障部位

由前述APU啟動(dòng)系統(tǒng)工作原理及圖1和圖2可知，APU要成功點(diǎn)火起動(dòng)主要決定于：(1)相關(guān)電氣線路正確可靠連接；(2)點(diǎn)火系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)各相關(guān)執(zhí)行部件工作正常；(3)ECU發(fā)出控制點(diǎn)火系統(tǒng)和燃油流量的信號(hào)正確輸出；(4)為ECU點(diǎn)火起動(dòng)提供輸入信號(hào)的各相關(guān)傳感器工作正常。

圖2 燃油控制系統(tǒng)方框圖

根據(jù)上述因素，對(duì)照該型APU起動(dòng)系統(tǒng)線路圖、燃油控制系統(tǒng)邏輯以及APU主要部件構(gòu)成梳理出以下可能的故障部位，并按照由簡(jiǎn)入繁的排故原則逐項(xiàng)對(duì)其進(jìn)行檢查：

(1)導(dǎo)線缺陷故障(即相關(guān)電氣線路存在短路、斷路、非正常接地等故障)；

(2)點(diǎn)火系統(tǒng)故障；

(3)轉(zhuǎn)速傳感器故障；

(4)ECU故障；

(5)燃油關(guān)斷活門故障；

(6)燃油噴嘴組件故障；

(7)燃油流量分配器故障；

(8)燃油調(diào)節(jié)器故障。

3.2 故障隔離及驗(yàn)證方法

針對(duì)以上8種可能故障部位，機(jī)務(wù)維修人員分別進(jìn)行了相關(guān)項(xiàng)目的逐項(xiàng)排查。對(duì)于線路類故障通常采用測(cè)量?jī)x器檢查進(jìn)行隔離驗(yàn)證；對(duì)于成品部件類故障通常采用更換或APU手冊(cè)規(guī)定的檢查方式進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2.1 導(dǎo)線缺陷故障檢查

根據(jù)圖1，分別使用檢測(cè)儀器檢測(cè)如下線路：(1)ECU P2插頭與點(diǎn)火裝置之間的導(dǎo)線M544-20和M545-20；(2)點(diǎn)火裝置523M與點(diǎn)火電嘴524M之間的點(diǎn)火電纜；(3)ECU P2插頭與轉(zhuǎn)速傳感器之間的導(dǎo)線E509-20和E510-20；(4)ECU P2插頭與FCU的燃油控制活門扭矩電機(jī)519M之間的帶屏蔽層導(dǎo)線M536-20和M537-20；(5)ECU P2插頭與喘振活門520M之間的導(dǎo)線M538-20和M539-20。經(jīng)檢測(cè)，上述線路導(dǎo)通正常，無(wú)斷路、短路及接地故障，排除電氣線路缺陷誘發(fā)APU起動(dòng)故障的可能性。

3.2.2 點(diǎn)火系統(tǒng)故障檢查

將故障飛機(jī)上的點(diǎn)火裝置、點(diǎn)火電纜、以及點(diǎn)火塞分別逐次串裝至正常工作飛機(jī)上起動(dòng)APU進(jìn)行故障檢查。為確認(rèn)具體故障部件，每次只用1個(gè)待檢部件，結(jié)果無(wú)故障飛機(jī)APU三次均能正常起動(dòng)，可排除了點(diǎn)火系統(tǒng)故障。

應(yīng)該指出的是，不建議將無(wú)故障新的成品件直接安裝至故障飛機(jī)試車檢查故障，其主要原因在于故障飛機(jī)原因未明情況下串用新成品件，可能會(huì)導(dǎo)致成品件損壞，下述其他的疑似故障件也采用類似方法進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2.3 轉(zhuǎn)速傳感器故障檢查

測(cè)量轉(zhuǎn)速傳感器插針A和C之間的電阻值，阻值滿足相關(guān)要求。測(cè)量插針B與傳感器殼體之間的電阻值，阻值小于接地電阻允許的最大值，滿足要求。結(jié)合起動(dòng)過(guò)程中觀察到的APU尾噴管處有霧狀燃油噴出，余油排放口有油液排出，確認(rèn)ECU已接收到轉(zhuǎn)速信號(hào)，在APU轉(zhuǎn)速為10%時(shí)ECU給燃油切斷活門供電使其工作，故可排除轉(zhuǎn)速傳感器故障。

3.2.4 ECU故障檢查

ECU串裝至正常工作飛機(jī)上APU成功起動(dòng)，由此可排除ECU故障。

因在APU起動(dòng)過(guò)程中未聽到明顯的點(diǎn)火聲音，機(jī)務(wù)人員認(rèn)為APU未成功起動(dòng)是點(diǎn)火系統(tǒng)沒能正常工作導(dǎo)致的，為此將故障檢測(cè)重點(diǎn)放在點(diǎn)火系統(tǒng)上。機(jī)務(wù)維修人員決定接下來(lái)對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行直觀檢查，具體做法是將點(diǎn)火塞從APU燃燒室拆出，切斷APU燃油供給(通過(guò)切斷防火開關(guān)、斷開燃油關(guān)斷活門電磁閥電氣插頭實(shí)現(xiàn))，在做好安全防護(hù)措施的前提下，直接觀察點(diǎn)火塞點(diǎn)火情況，結(jié)果未見異常。

至此可確認(rèn)點(diǎn)火系統(tǒng)工作正常，后續(xù)的故障檢測(cè)由點(diǎn)火系統(tǒng)轉(zhuǎn)為供油系統(tǒng)。

3.2.5 燃油關(guān)斷活門故障檢查

在APU起動(dòng)過(guò)程中觀察到尾噴口有霧狀燃油逸出，余油排放口有油液排出，可以確定燃油關(guān)斷活門已打開工作。為進(jìn)一步進(jìn)行確認(rèn)，機(jī)務(wù)人員使測(cè)量燃油切斷活門A和B插針間的電阻值，結(jié)果表明與正常起動(dòng)的阻值接近，可排除燃油關(guān)斷活門故障。

3.2.6 燃油噴嘴組件故障檢查

拆下APU上的6個(gè)燃油噴嘴，檢查燃油噴嘴的工作情況，結(jié)果顯示燃油霧化良好，噴灑圖形質(zhì)量、角度及流速均滿足要求，排除燃油噴嘴組件故障。

3.2.7 燃油流量分配器故障檢查

使用壓縮空氣檢查流量分配器。在壓力低于30磅/平方英寸時(shí)，壓縮空氣不流過(guò)主油路接口，只流過(guò)副油路接口。壓力高于30磅/平方英寸時(shí)，壓縮空氣均流過(guò)主、副油路接口，滿足要求，排除流量分配器故障。

3.2.8 燃油調(diào)節(jié)器故障檢查

該設(shè)備不能進(jìn)行在位檢測(cè)，故將待檢燃油調(diào)節(jié)器串裝至正常起動(dòng)飛機(jī)進(jìn)行檢查，結(jié)果APU未正常起動(dòng)，可知燃油調(diào)節(jié)器可能發(fā)生故障。拆卸后繼續(xù)檢查發(fā)現(xiàn)燃油調(diào)節(jié)器驅(qū)動(dòng)軸需要借助工具才能轉(zhuǎn)動(dòng)，而可正常起動(dòng)的APU燃油調(diào)節(jié)器驅(qū)動(dòng)軸徒手可以轉(zhuǎn)動(dòng)。為進(jìn)一步加以確認(rèn)，將正常工作的燃油調(diào)節(jié)器安裝至故障飛機(jī)APU上，APU正常起動(dòng)。圖3所示為故障燃油調(diào)節(jié)器的整體外觀和驅(qū)動(dòng)軸部位的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。由圖3可見，燃油調(diào)節(jié)器的整體外觀及驅(qū)動(dòng)軸細(xì)節(jié)部分未見明顯異常，根據(jù)其工況，更換新的燃油調(diào)節(jié)器，至此APU起動(dòng)故障排除。

圖3 故障燃油調(diào)節(jié)器：整體(左)；驅(qū)動(dòng)軸(右)

3.3 故障原因分析

APU起動(dòng)需要解決兩個(gè)核心問(wèn)題：一個(gè)是點(diǎn)火；一個(gè)是供油。在點(diǎn)火系統(tǒng)工作正常，燃油傳輸管路及燃油噴嘴霧化良好的情況下，APU起動(dòng)的不同階段所供給的燃油流量顯得尤為重要。在起動(dòng)初期，由于點(diǎn)火塞放電能量較小，此時(shí)以最小燃油流量供給，防止“富油”熄火。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，點(diǎn)火塞放電能量增加，燃油流量也應(yīng)逐步提高，防止“貧油”熄火。

GTCP36-150[CY]型APU燃油流量具體控制邏輯為：ECU輸出0～10 V可變電壓調(diào)節(jié)信號(hào)控制燃油控制器力矩馬達(dá)工作，力矩馬達(dá)將接收的電壓調(diào)節(jié)信號(hào)變換為0～200 mA直流可變激勵(lì)電流，控制燃油調(diào)節(jié)器內(nèi)部計(jì)量活門開度，從而達(dá)到控制流量的目的。

根據(jù)前述的故障排除經(jīng)過(guò)及APU起動(dòng)控制邏輯可知，本次APU未能起動(dòng)是由燃油調(diào)節(jié)器故障引起的。燃油調(diào)節(jié)器內(nèi)部故障導(dǎo)致該部件不能按照控制邏輯要求執(zhí)行ECU發(fā)出的指令，燃油流量無(wú)法控制在合理水平，致使APU起動(dòng)失敗。

4 結(jié)論

根據(jù)MA60飛機(jī)GTCP36-150[CY]型APU某次未正常起動(dòng)觀察到的現(xiàn)象，對(duì)故障進(jìn)行診斷排除與分析，據(jù)此得出以下結(jié)論以便為同型號(hào)APU故障診斷分析提供參考。

(1)APU起動(dòng)故障表現(xiàn)為起動(dòng)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，尾噴管處有霧狀燃油逸出，溫度顯示為零，起動(dòng)過(guò)程未聽到明顯的點(diǎn)火塞放電點(diǎn)火聲響。APU未能正常起動(dòng)原因?yàn)槿加驼{(diào)節(jié)器故障。

(2)APU起動(dòng)故障中出現(xiàn)未聽到點(diǎn)火塞放電點(diǎn)火聲響且同時(shí)伴有其他現(xiàn)象時(shí)，故障未必出現(xiàn)在點(diǎn)火系統(tǒng)。

(3)要對(duì)故障診斷經(jīng)驗(yàn)持審慎態(tài)度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，燃油調(diào)節(jié)器幾乎未出現(xiàn)過(guò)故障，這也是本次故障診斷耗時(shí)長(zhǎng)的影響因素之一。