某型輔助動力裝置地面起動過程故障分析

陳艷艷，申曉霞，于芳芳

（中航工業中國飛行試驗研究院，西安 710089）

1 引言

某型輔助動力裝置（AuxiliaryPower Unit，APU）轉入新機場后進行地面輔助起動時，頻繁出現超溫和喘振等現象。經檢查,懷疑此故障的產生原因是新機場環境溫度較低。為此，每次在試飛前需先對該動力裝置加溫起動，嚴重影響了正常的科研試飛進度。

為了盡快解除此故障，改善其起動性能，提高試飛效率，進行了多次地面試驗。通過不斷地對比和分析測試系統記錄下的試驗數據，查出故障原因是第2起動油路電磁閥工作不穩定。

2 故障現象描述

該型輔助動力裝置在正常大氣條件下起動成功，但在低溫條件下起動時，經常出現超溫、轉速懸掛和喘振等現象。測試數據顯示轉速在26%左右時上升緩慢，在30%～40%之間時，渦輪出口溫度急增至600℃以上，并伴隨有“放炮”聲，超出技術說明書對起動時渦輪出口溫度急增值的限制值，故拉停發動機。喘振后冷運轉，轉速在30 s內可以達到20%；再次起動時，發動機參數滿足設計要求，起動成功。初步認為該故障是由環境溫度過低造成的。于是在每次起動前對APU艙或者其附件進行加溫，而后起動成功。

3 故障分析及排除

APU的起動過程是使APU轉子從靜止狀態過渡到穩定工作狀態的加速過程。在這個過程中，APU能否在規定時間內達到規定轉速而進入穩定工作狀態，主要取決于APU轉子在起動過程中所獲得的功率大小。這個過程通常分為3個階段：冷運轉階段；起動機與渦輪共同帶轉階段；渦輪單獨帶轉到慢車狀態[1]。根據各階段的特點，判斷故障的原因。

在第1階段，轉速和空氣流量相當小，如果噴油點火則產生的高溫會燒壞渦輪葉片，故燃燒室不噴油不點火，因此在該階段，轉子靠起動機帶轉。當帶轉到某一小轉速時，由程序控制開始向燃燒室噴油點火。冷運轉主要靠起動機功率來克服壓氣機所需功率，也就是靠起動機剩余功率帶動轉子，起動機的功率越低則使起動時的剩余功率越小，加速緩慢，剩余功率越大帶轉越快[2]。根據試驗現象，冷轉轉速達到技術要求，則說明起動機的功率足夠，故障不會在這一階段發生。

在第2階段，從渦輪發出功率（即噴油點火時）到起動機脫開，其轉速約在10%～50%之間。當轉子加速到大于最小平衡轉速后，渦輪功率已大于壓氣機功率，此時起動機可以脫開；但為確保可靠起動和縮短轉子加速時間，起動機還要繼續工作。當渦輪功率已足夠大時，起動機可以退出工作。而轉子轉速在26%左右時上升緩慢，然后超溫，很明顯故障發生在這一階段。在這一階段，起動機和渦輪共同帶動轉子轉動，除起動機脫開過早之外，還有起動供油量和供油速率、點燃和燃燒效率、燃氣溫度，以及壓氣機、燃燒室、渦輪工作的可靠性和穩定性、渦輪功率等因素造成起動失敗。以下通過對該型動力裝置起動過程的原理分析來確定故障的具體位置。

此輔助動力裝置是1種小型渦輪噴氣發動機，其起動、加速、運轉在電子控制系統的控制下自動完成。起動系統由發電機、供油部分、點火裝置和電氣設備組成。從起動瞬間直到轉子轉速達到60%～70%，可控分流活門通過導管向集氣室放氣活門的氣動活塞組傳遞操縱壓力，改變集氣室放氣活門的活門開度，并使壓氣機Ⅱ級放氣活門的進氣導管與大氣連通。當APU轉子轉速增大時，由可控分流活門送到集氣室放氣活門的操縱壓力也不斷增大。當轉速上升到30%～40%時，集氣室放氣活門的活門開度由原來的全開逐漸變小，從而減少從集氣室來的放氣量。此時放氣活門處在放氣狀態，擴大了壓氣機穩定裕度，為起動補油提高燃氣溫度和縮短起動時間提供了有利條件。

根據該動力裝置的工作原理分析造成此故障的原因可能包括以下幾種情況。

（1）起動機脫開過早，渦輪產生的功率還不足以滿足發動機所需功率，引起起動失敗。

（2）集氣室放氣活門受溫度影響卡滯，在短時間內打不開，使得放氣量減少，發生喘振，也可能是集氣室放氣活門開度的大小和開閉時機不對。

（3）大氣條件的改變影響了起動供油規律，電子控制系統調整供油不當，不能滿足起動時的需要。

起動過程中的幾個關鍵附件是集氣室放氣活門、分流活門和溫度調節器。起動時，壓氣機Ⅱ級放氣活門和集氣室放氣活門由電磁活門和可控分流活門控制。起動時，分流活門與電磁活門配合，來控制壓氣機Ⅱ級放氣活門開關和集氣室放氣活門的開度，從而使壓氣機工作穩定，不會發生喘振。溫度調節器會根據外界氣溫的變化，自動改變動力裝置第1起動輸油圈內的燃油，其主要部件為熱敏元件和回油活門，當溫度升高時，熱敏元件使回油活門開度增大，從而使第2起動輸油圈內的燃油壓力下降；溫度降低時上述過程正好相反。

通過不斷地調整以及更換這些附件進行起動檢查，故障依未排除。由此認為該故障應該不是由附件本身或者空氣系統的進氣和放氣量引起的，可能是由供油和點火造成的。

起動供油部分由起動燃油泵、第1起動燃油管電磁活門、第2起動燃油管電磁活門、溫度調節器、第1起動燃油管、第2起動燃油管、單向活門和起動噴嘴（第1起動燃油管連接4個起動噴嘴，第2起動燃油管連接8個起動噴嘴），以及起動空氣泵組成。起動空氣泵在APU起動時給起動燃油噴嘴供氣，幫助燃油霧化。

燃油系統的工作時序是從起動按鈕按下第3 s時使第1電磁活門打開供油；第4 s時使第2電磁活門打開供油；第8 s時，使主燃油電磁活門打開供油。當起動第44 s時使電磁活門斷開，這時只有主燃油電磁活門供油。當正常停車和自動停車時，控制系統斷開，主燃油電磁活門停止供油。

起動成敗的主要參數變化特性曲線如圖1、2所示。根據起動供油規律從按下起動按鈕3s后第1起動油路開始供油，在第4s第2起動油路開始供油。圖1中在第3s時，轉速突升至20%，在第4s時，轉速開始下降，而后緩慢上升，在30～40s之間轉速上升幅度較大，溫度急增，因超溫、喘振而停車，這個過程中轉速有2個峰值。而在圖2中，轉速上升一直比較平緩，沒有峰值，在第3、4s轉速差別不大，在第8s時轉速達20%，在第20s時渦輪出口溫度達到最大值。結合供油規律，對比圖1、2，該故障發生原因可能有以下幾個。

（1）起動供油過量，供油速率過快或供油過早都會造成起始段轉速有峰值，起動過程不穩定，而使起動失敗。

（2）大氣溫度較低，燃料黏度增大，霧化質量也變差，起動空氣泵燃油霧化效果不好，導致轉速上升較為緩慢，在規定時間內達不到要求，與系統的供油規律不協調。

（3）在第4 s轉速下降可能是第1、2起動油路供油的時間差不符合技術說明書的要求，第2起動油路供油時間延遲，轉速上升較為緩慢。

對于第1個原因，起動供油過猛，造成起動過程油氣比過高，導致起動時間過短。燃燒室內的氣體溫度在短時間內迅速上升到很高溫度，經渦輪膨脹作功后仍然具有很高的焓值，使得渦輪出口氣溫度超出規定限制值，出現超溫現象。所以要排除此故障就要調整起動過程的油氣比；也可通過改變發動機空氣流量來調整油氣比，以排除渦輪出口溫度過高的故障[1]。

此外，渦輪出口溫度急增值會受起動時間的影響，可以通過調整起動時間供油調整釘來延長加速時間，或減小渦輪出口溫度急增值，增加起動時間，減小供油量。

對于第2個原因，環境溫度對地面起動的影響有可能是溫度較低使得燃油霧化性能變差，轉子轉動加速慢，使在燃燒室內形成穩定火源的條件變差。但是，供油系統噴出的燃料所形成的混合氣被火源點燃和形成穩定火焰所需的時間，卻隨著大氣溫度的降低而延長。從而使渦輪參加工作的時間推遲，起動過程所需的時間延長[3]。

為了驗證以上分析，檢查起動空氣泵和調整供油規律，再次起動，故障仍然沒有消除，故考慮可能是第3種情況。通過測量電磁閥的供電電壓建立第2起動油路油壓，來確定第2和第1起動供油的時間差。但這個時間差理論上是由凸輪機構來控制程序機構實現的，較難改變。嘗試更換第2油路起動供油電磁活門后，起動成功，經檢查發現第2起動油路電磁閥在低溫工作環境下工作不穩定，造成第2油路供油不穩定，造成起動失效。

4 結論

起動系統是動力裝置中發生故障較多的1個系統。當故障發生后,要綜合考慮影響起動的各種因素一一排查和分析,盡早確定故障。為了使動力裝置在各種復雜的自然環境中能按設計程序安全、可靠地起動，首先要準確判斷起動現象和加速率，確定問題出在前期還是后期，再確定調整部位；最后調整量值的控制是關鍵，尤其是起動供油規律和供油量的調整，供油規律往往是一定的，這時供油量的適當調整就顯得非常重要。此外，在使用維護過程中,要及時掌握定期檢查發動機的工作情況和變化規律,加強經驗積累,確保發動機在壽命期內安全可靠地工作[4]。當大氣條件改變時要及時調整影響起動性能的有關參數，確保起動可靠性。

[1]李樹人.航空燃氣渦輪發動機工作特性試驗分析[M].西安：中國飛行試驗研究院，2008.

[2]張紹基，邴連喜，等.渦扇發動機起動和加速規律的研究及應用[J].航空發動機，2007（增刊 1）:59－63.

[3]李冬蘭.渦輪螺旋槳發動機地面起動試驗方法及其特點[J].飛行試驗，2001，17（1）：21-24.

[4]張健，徐太文.某型飛機發動機地面起動故障解析[J].沈陽航空工業學院學報，2004,21（4）:15-16.