APS3200型APU自動(dòng)停車故障分析

■ 劉鵬博 劉昕 張博才/1中國(guó)南方航空公司沈陽(yáng)維修基地 2中國(guó)南方航空公司工程技術(shù)中心

0 引言

筆者統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)某航空公司2016年1月至2019年2月期間所有關(guān)于APS3200型APU航線辦理MEL保留的共計(jì)5841條記錄，其中與自動(dòng)停車故障相關(guān)的記錄共計(jì)1046條，約占總故障數(shù)的17.9%。同時(shí)，統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)某APU修理廠近10年所有APU（總數(shù)1094臺(tái)次）進(jìn)場(chǎng)維修原因后發(fā)現(xiàn)，直接與自動(dòng)停車故障相關(guān)的共計(jì)54臺(tái)次，約占總數(shù)的4.9%。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以看出：1）裝機(jī)使用的APU中自動(dòng)停車故障在所有故障中的占比較大；2）多數(shù)的自動(dòng)停車故障可以通過在位排故解決。本文對(duì)該型APU自動(dòng)停車故障進(jìn)行詳細(xì)分析，以提高在位排故的效率。

1 APS3200型APU簡(jiǎn)介

APS3200型APU主要安裝于空中客車A318/A319/A320/A321系列飛機(jī)，按照結(jié)構(gòu)可劃分為動(dòng)力段、負(fù)載段和齒輪箱三個(gè)單元體。動(dòng)力段主要由燃燒室、壓氣機(jī)和渦輪組成；負(fù)載段主要由負(fù)載葉輪、可調(diào)進(jìn)氣導(dǎo)向葉片和蝸殼組成；齒輪箱單元體內(nèi)部有多個(gè)傳動(dòng)齒輪，用以驅(qū)動(dòng)其內(nèi)部及外部安裝的APU附件。

APU從通電到起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，至最后停車斷電的工作過程如圖1所示。APU通電后進(jìn)入監(jiān)控階段，按下起動(dòng)按鈕后，與APU有關(guān)的飛機(jī)部件開始作動(dòng)（如APU進(jìn)氣門打開，燃油壓力低活門打開等），為APU起動(dòng)做準(zhǔn)備，起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)APU，APU點(diǎn)火系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)工作，APU點(diǎn)火后對(duì)渦輪做功，與起動(dòng)機(jī)形成合力共同加速APU，直到APU達(dá)到自維持轉(zhuǎn)速后，起動(dòng)機(jī)在離合器作用下從APU脫開，APU依靠本身燃?xì)庾龉Γ^續(xù)加速至額定轉(zhuǎn)速。起動(dòng)完成后，APU進(jìn)入恒速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，可以向飛機(jī)提供電源和（或）氣源。當(dāng)接收到停車指令后，APU進(jìn)入停車前冷卻階段，此階段持續(xù)時(shí)間為0～2min，試停車前APU引氣負(fù)載情況而定（在此冷卻階段可以手動(dòng)按下“APU ON”按鈕取消停車）。停車?yán)鋮s階段結(jié)束后，APU自動(dòng)進(jìn)入停車階段，切斷燃油，APU轉(zhuǎn)速逐漸降低至0，最后APU斷電。

2 自動(dòng)停車故障現(xiàn)象及原因分析

APU自動(dòng)停車是基于自我保護(hù)目的，屬于保護(hù)性停車，因此引發(fā)自動(dòng)停車的原因一定是危及APU自身安全的因素，必須通過停車才能避免可能造成的嚴(yán)重后果。

圖1 APS3200正常工作循環(huán)示意圖

表1 APS3200型APU自動(dòng)停車原因統(tǒng)計(jì)

表1是該航空公司裝機(jī)使用的APS3200型APU2018年9月～2019年2月發(fā)生自動(dòng)停車故障的報(bào)文統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，共計(jì)625次。下面按照表中故障原因發(fā)生次數(shù)由高到低的順序，對(duì)自動(dòng)停車故障進(jìn)行分析。

2.1 起動(dòng)過程中不加速或加速緩慢

結(jié)合上文的APU工作循環(huán)介紹可知，APU點(diǎn)火后的起動(dòng)加速階段，轉(zhuǎn)子加速所需動(dòng)力來源有兩個(gè)，分別為直流起動(dòng)機(jī)輸出和APU點(diǎn)火后燃?xì)怛?qū)動(dòng)渦輪產(chǎn)生的扭矩。轉(zhuǎn)子加速阻力主要包括：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力；轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)附件阻力（如驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)扇、燃調(diào)組件、滑油泵等）；葉輪氣動(dòng)阻力（主要由壓氣機(jī)阻力和負(fù)載葉輪阻力兩部分組成）。

APU主動(dòng)降低起動(dòng)負(fù)載的方法：一是在轉(zhuǎn)速＜55%的階段，通過除油活門將滑油旁通來降低滑油泵的阻力；二是在整個(gè)起動(dòng)加速階段，進(jìn)氣導(dǎo)向葉片（IGV）應(yīng)處于82°全關(guān)位，降低流經(jīng)負(fù)載葉輪的空氣流量，起到減小起動(dòng)負(fù)載的目的。

當(dāng)動(dòng)力和阻力的差值低于APU正常加速的最低需求時(shí)，APU將出現(xiàn)不加速或加速緩慢故障，最終導(dǎo)致自動(dòng)停車。造成此故障的可能原因如下：

1）起動(dòng)機(jī)故障

起動(dòng)機(jī)無法提供合格動(dòng)力，直接導(dǎo)致此故障發(fā)生。

2）渦輪效率下降

燃?xì)鈱?duì)渦輪做功效率下降，導(dǎo)致此故障發(fā)生。多見于裝機(jī)使用時(shí)間長(zhǎng)的APU。

3）除油活門故障

如果除油活門出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致除油活門在APU起動(dòng)加速初期通電，將進(jìn)入滑油供油泵的滑油旁通，從而降低起動(dòng)負(fù)載。

4）IGV或進(jìn)氣導(dǎo)向葉片作動(dòng)器（IGVA）故障

在APU起動(dòng)加速階段，IGV角度應(yīng)為82°全關(guān)位，以降低流經(jīng)負(fù)載葉輪的空氣流量，降低起動(dòng)負(fù)載。若IGVA故障或IGV葉片卡阻，將導(dǎo)致IGV無法關(guān)閉而造成此故障。

5）FCU故障

FCU執(zhí)行電子控制盒（ECB）的供油計(jì)劃，F(xiàn)CU故障可能導(dǎo)致燃油流量低，使渦輪輸出動(dòng)力降低，引發(fā)此故障。同時(shí)，F(xiàn)CU為IGVA提供伺服燃油，F(xiàn)CU故障也可能導(dǎo)致IGV角度異常，引發(fā)此故障。

2.2 不點(diǎn)火

APU點(diǎn)火前轉(zhuǎn)子的加速全部依靠直流起動(dòng)機(jī)輸出的扭矩，如果起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)APU約20s后仍未點(diǎn)火，APU將自動(dòng)停車，此設(shè)定的意義在于保護(hù)起動(dòng)機(jī)。APS3200型APU起動(dòng)機(jī)為直流起動(dòng)機(jī)，起動(dòng)過程中工作電流峰值可達(dá)500A左右，發(fā)熱量很大。起動(dòng)機(jī)的冷卻方式為自然散熱，如果長(zhǎng)時(shí)間通電工作，起動(dòng)機(jī)極易燒毀。

點(diǎn)火系統(tǒng)在燃燒室中使用高能電火花點(diǎn)燃油氣混合氣。根據(jù)起動(dòng)程序，APU轉(zhuǎn)速在7%～95%時(shí)，ECB全權(quán)控制整個(gè)點(diǎn)火系統(tǒng)[2]。

造成點(diǎn)火失敗的原因主要有兩個(gè)方面：一是燃油供給異常，在燃燒室內(nèi)形成貧油/富油，造成點(diǎn)火失敗；二是點(diǎn)火系統(tǒng)故障，包括點(diǎn)火電嘴、點(diǎn)火導(dǎo)線、點(diǎn)火激勵(lì)器等。點(diǎn)火激勵(lì)器的工作方式為電容放電，如果更換為新的庫(kù)存較久的點(diǎn)火激勵(lì)器或庫(kù)存時(shí)間較長(zhǎng)的APU，點(diǎn)火激勵(lì)器內(nèi)部電容已無儲(chǔ)存電能，首次起動(dòng)時(shí)就有可能出現(xiàn)點(diǎn)火失敗情況，這屬于正常現(xiàn)象。如果連續(xù)起動(dòng)失敗，應(yīng)注意檢查點(diǎn)火電嘴是否已被噴出的燃油浸濕，浸濕后也會(huì)影響點(diǎn)火功能。

2.3 超速

APU超出允許轉(zhuǎn)速范圍時(shí)，壓氣機(jī)壓縮空氣能力改變，導(dǎo)致燃燒狀態(tài)改變，可能對(duì)APU造成嚴(yán)重?fù)p傷；APU部附件（如燃調(diào)組件、冷卻風(fēng)扇等）轉(zhuǎn)速改變，可能無法實(shí)現(xiàn)各自的功能；APU發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速改變，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出頻率改變，影響飛機(jī)電網(wǎng)上其他的用電設(shè)備。

APS3200型APU的額定轉(zhuǎn)速為49300rpm，ECB通過兩個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器來監(jiān)控APU的轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速的105%或低于額定轉(zhuǎn)速的95%時(shí)，APU將自動(dòng)停車。同時(shí)，冷卻風(fēng)扇內(nèi)的PMG向ECB提供一路未經(jīng)整形的信號(hào)作為備用超速信號(hào)，其上限設(shè)為107%，一旦超出此范圍，APU將自動(dòng)停車。ECB通過監(jiān)控兩個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器的轉(zhuǎn)速信號(hào)，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)FCU輸出指令，控制供油邏輯，從而達(dá)到控制APU轉(zhuǎn)速的目的。轉(zhuǎn)速控制邏輯圖如圖2所示。

圖2 APS3200轉(zhuǎn)速控制邏輯圖

出現(xiàn)轉(zhuǎn)速故障的原因有以下幾種。

1）ECB故障。導(dǎo)致供油邏輯錯(cuò)誤，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速故障。

2）轉(zhuǎn)速傳感器故障。APS3200型APU安裝了兩個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器，各自獨(dú)立測(cè)量并將轉(zhuǎn)速信號(hào)傳輸至ECB，ECB算出兩個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器的平均值，作為APU的真實(shí)轉(zhuǎn)速參與控制計(jì)算。當(dāng)兩個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量的轉(zhuǎn)速差值達(dá)到或大于5%時(shí)，ECB選擇最高的轉(zhuǎn)速信號(hào)。如果一個(gè)或兩個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器出現(xiàn)故障，導(dǎo)致ECB讀取的轉(zhuǎn)速信號(hào)錯(cuò)誤，就可能出現(xiàn)因轉(zhuǎn)速故障而導(dǎo)致的自動(dòng)停車。

3）FCU故障。FCU作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如果故障將使供油計(jì)劃無法正確執(zhí)行，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速故障。

4）冷卻風(fēng)扇內(nèi)部的PMG故障。PMG提供的單相未經(jīng)整形的單路電信號(hào)作為備用超速自動(dòng)停車信號(hào)使用，PMG故障可能造成此信號(hào)失真，導(dǎo)致自動(dòng)停車。

2.4 滑油壓力低（LOP）

APS3200型APU滑油壓力調(diào)節(jié)是通過釋壓活門實(shí)現(xiàn)的。釋壓活門內(nèi)部有機(jī)械彈簧結(jié)構(gòu)，可以將系統(tǒng)滑油壓力控制在345～414kPa（50～60PSIG），從而保證滑油壓力相對(duì)恒定。LOP電門（滑油壓力低電門）在APU轉(zhuǎn)速達(dá)到100%后開始檢測(cè)滑油壓力，當(dāng)連續(xù)10s內(nèi)滑油壓力低于241kPa（35PSIG）時(shí)，ECB將判定滑油壓力低故障，可能造成滑油潤(rùn)滑、冷卻和清潔功能失效，故命令A(yù)PU自動(dòng)停車。

造成滑油壓力低的主要原因：一是壓力探測(cè)裝置失效（LOP電門）；二是壓力調(diào)節(jié)裝置失效（釋壓活門）；三是滑油量低造成的系統(tǒng)供油不足，如滑油泄漏造成的滑油大量消耗；四是內(nèi)漏或內(nèi)部封嚴(yán)失效造成的滑油壓力建立困難。排故時(shí)建議優(yōu)先檢查系統(tǒng)泄漏情況，然后考慮檢查/更換LOP電門和釋壓活門。

2.5 超溫

超溫即超過允許的排氣溫度上限，過高的溫度會(huì)對(duì)APU內(nèi)部部件造成嚴(yán)重?zé)g損傷，基于保護(hù)APU的原則，超溫情況下必須自動(dòng)停車。排氣溫度上限值隨APU運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)而變化。在額定轉(zhuǎn)速下，排氣溫度的上限值為722℃。起動(dòng)加速階段排氣溫度上限值隨轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖3所示。

APU的排氣溫度與自身效率息息相關(guān)，正常情況下的排氣溫度是APU性能監(jiān)控的一個(gè)重要參數(shù)，可能直觀地反映其性能優(yōu)劣。

APU本身有避免排氣溫度過高的措施。ECB通過讀取排氣溫度和進(jìn)氣溫度壓力信息，計(jì)算出該環(huán)境條件下應(yīng)采取措施的作動(dòng)點(diǎn)，當(dāng)排氣溫度達(dá)到這個(gè)點(diǎn)時(shí)，ECB命令I(lǐng)GV關(guān)小，以此降低流經(jīng)負(fù)載葉輪的空氣流量，為動(dòng)力段降低運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)載，從而降低燃油流量，達(dá)到控制排氣溫度不超過該計(jì)算值的目的，如圖4所示。

造成超溫自動(dòng)停車的原因如下。

1）熱電偶故障導(dǎo)致排氣溫度指示異常

排氣溫度由兩個(gè)安裝在APU排氣通道的熱電偶來測(cè)量，ECB計(jì)算二者的平均值作為排氣溫度值。當(dāng)二者溫度指示差值達(dá)到121℃或更高時(shí)，基于保護(hù)APU的目的，ECB選擇信任最高的溫度作為排氣溫度。當(dāng)某個(gè)熱電偶讀數(shù)高于1200℃或低于120℃時(shí)，會(huì)顯示排氣溫度系統(tǒng)故障。綜上所述，若一個(gè)或兩個(gè)熱電偶出現(xiàn)故障，可能引起ECB錯(cuò)誤判斷排氣溫度，導(dǎo)致超溫自動(dòng)停車。

圖3 加速階段排氣溫度上限示意圖

2）IGVA故障

如前文所述，ECB對(duì)超溫保護(hù)的指令需要IGVA來執(zhí)行，如果IGVA故障，將導(dǎo)致超溫保護(hù)失效，可能造成超溫。

3）FCU故障

FCU有兩個(gè)作用，一是向燃燒系統(tǒng)提供壓力合格的經(jīng)計(jì)量的燃油，流量由ECB通過轉(zhuǎn)速控制邏輯計(jì)算得出；二是向IGVA/BCVA提供伺服燃油。如果FCU故障，可能導(dǎo)致IGVA作動(dòng)異常，從而導(dǎo)致超溫保護(hù)功能失效，最終導(dǎo)致超溫故障。

4）內(nèi)部損傷導(dǎo)致效率下降

對(duì)于裝機(jī)使用時(shí)間較長(zhǎng)的APU，由于其自身磨損和燒蝕等原因，燃燒室、渦輪、機(jī)匣和渦輪噴嘴的尺寸和配合狀態(tài)都發(fā)生了不可逆的改變，導(dǎo)致效率下降，容易造成超溫。此外，由于FOD或者疲勞損傷導(dǎo)致的葉片斷裂將急劇降低壓氣機(jī)和渦輪效率，從而造成超溫故障。

對(duì)于由內(nèi)部原因?qū)е碌某瑴兀瑧?yīng)通過孔探儀檢查APU內(nèi)部有無損傷。對(duì)于使用時(shí)間較長(zhǎng)的APU，應(yīng)著重檢查動(dòng)力段轉(zhuǎn)子的磨損燒蝕情況；對(duì)于使用時(shí)間較短的APU，如果突然出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，應(yīng)著重檢查有無FOD跡象，并加強(qiáng)對(duì)渦輪和壓氣機(jī)葉片的檢查。

圖4 EGT控制邏輯圖

圖5 APS3200型APU自動(dòng)停車排故決策圖

2.6 ECB失效/飛機(jī)APU進(jìn)氣門無法打開/傳感器失效

ECB是APU的大腦，如果ECB失效，APU將無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)；飛機(jī)APU進(jìn)氣門無法打開，APU無法獲取足量的空氣，將無法工作。這兩者不是APU本體原因造成的故障，故本文不再贅述。APU有多個(gè)傳感器，某個(gè)或某幾個(gè)傳感器的失效都會(huì)造成APU故障，原因指向性不強(qiáng)，本文也不做討論。

2.7 滑油溫度高

滑油在溫度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生質(zhì)變，使?jié)櫥屠鋮s性能降低，無法滿足APU正常運(yùn)轉(zhuǎn)需求，繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)可能引發(fā)軸承失效、齒輪磨損以及需油冷裝置（如APU發(fā)電機(jī)）的損壞等。同時(shí)，滑油溫度過高也可能是系統(tǒng)內(nèi)部軸承失效導(dǎo)致，應(yīng)立即停車檢查，避免APU受損。

ECB通過齒輪箱后部安裝的滑油溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)滑油溫度。由于APU發(fā)電機(jī)工作時(shí)發(fā)熱量大且為滑油冷卻，所以設(shè)置了專門的發(fā)電機(jī)滑油溫度傳感器。APU系統(tǒng)滑油溫度上限為135℃，發(fā)電機(jī)滑油溫度上限為180℃，系統(tǒng)滑油溫度高或者發(fā)電機(jī)滑油溫度超過各自的上限均會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)停車。

造成HOT自動(dòng)停車的原因如下。

1）冷卻風(fēng)扇葉片折斷/效率下降

該故障將造成滑油散熱器冷卻氣流減少，使滑油溫度冷卻效率下降，從而導(dǎo)致滑油溫度高。

2）滑油散熱器油路污染堵塞

該故障使滑油被旁通，不經(jīng)散熱器直接供向系統(tǒng)，導(dǎo)致滑油溫度高。

3）滑油散熱器氣路堵塞

該故障使進(jìn)入滑油散熱器的冷卻氣流流量降低，冷卻效率下降，導(dǎo)致滑油溫度高。造成滑油散熱器氣路堵塞的原因有很多，例如，冷卻風(fēng)扇漏油，導(dǎo)致下游滑油散熱器氣路積攢大量滑油，粘附空氣中的灰塵后形成油泥堵塞滑油散熱器氣路；我國(guó)北方春季常見的大量柳絮也是引發(fā)滑油散熱器氣路堵塞的一大因素。

4）系統(tǒng)內(nèi)部存在軸承失效

軸承失效后轉(zhuǎn)子和齒輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)，摩擦產(chǎn)生的大量熱量導(dǎo)致APU滑油溫度高。

5）APU發(fā)電機(jī)故障

發(fā)電機(jī)線圈工作時(shí)產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致滑油溫度高。

3 排故決策圖

綜合前文的故障分析，制定APS3200型APU自動(dòng)停車排故決策圖，如圖5所示。

依照自動(dòng)停車故障現(xiàn)象，結(jié)合排故決策圖的決策思路，可快速鎖定故障根源，使排故準(zhǔn)確率和效率大大提高，減少APU故障換發(fā)次數(shù)，延長(zhǎng)APU使用壽命，降低航空公司運(yùn)營(yíng)成本。