APS3200型APU點火失效的分析與研究

■ 劉昕 劉鵬博 張博才/1中國南方航空股份有限公司沈陽維修基地 2中國南方航空股份有限公司工程技術中心

0 引言

APS3200型APU是由普惠加拿大公司出品的一款航空輔助動力裝置，應用在空客A320系列飛機上。點火失效是該型APU起動過程中的典型故障之一，直接關系到APU能否正常使用，因此，針對該故障制定快速高效的排故方法，對于飛機維護、保障飛機正常運行有著重要的意義。

與APU在飛機上運轉相比，在試車臺測試APU時，能夠觀察到更全面的測試數據和清晰的故障現象，對于排故工作有著先天的優勢。本文針對APU點火失效故障，根據APU燃油系統和起動系統的理論知識，結合APU試車臺測試數據和排故經驗，分析造成APU點火失效的原因。

1 APS3200型APU點火失效情況

APS3200型APU的起動過程包括三個階段[1]：第一階段，由直流起動機帶動APU轉子加速運轉到點火供油轉速點；第二階段，APU燃燒室內點火成功后，推動渦輪組件做功、與起動機同時輸出功率使APU加速直到轉速達到55%時起動機脫開；第三階段，由渦輪單獨輸出功率，APU加速運轉到100%轉速。

點火失效是指APU在第一階段由起動機帶轉起動后，因燃燒室內未發生油氣混合物燃燒而導致APU轉速到20%左右不再上升的故障現象。造成該故障的原因可能有多種，主要涉及APU點火系統和燃油系統兩個方面。

2 點火失效原因分析

2.1 燃油系統故障

1）燃油系統簡介

APU燃油系統由燃調組件、燃油分配活門、燃油總管及主副燃油噴嘴組成（見圖1）。其中，燃調組件在電子控制組件（ECB）的控制下提供經過計量的燃油到燃油分配活門，后者再根據燃油壓力值的大小經過燃油總管和主副燃油噴嘴向燃燒室內供油。

2）故障分析及排故方法

每個部件出現故障都會影響燃油系統正常供油。首先分析燃油分配活門（見圖2）。在燃油分配活門中有兩個單向活門，分別通過燃油總管連接到主副燃油管路，當燃油壓力達到20psid時，連接副燃油管路的單向活門打開，副燃油噴嘴向燃燒室內供油。當燃油壓力達到200psid時，連接主燃油管路的單向活門打開，主燃油噴嘴向系統供油。由于APU起動點火時是由副燃油噴嘴進行供油，因此當連接副燃油管路的單向活門出現卡堵或彈簧壓力過大時都有可能出現副噴嘴不能正常供油的情況，進而導致APU不點火。對于該故障，最直接的方法是更換燃油分配活門。

圖1 燃油系統簡圖

圖2 燃油分配活門圖

其次，最有可能出現故障的部件是燃調組件，其內部包括燃油泵組件、燃油伺服活門和三向電磁活門等（見圖3）。其中，燃油泵組件包括高壓油泵和低壓油泵，它們向系統提供增壓燃油；燃油伺服活門在ECB的控制下向系統提供計量后的燃油；三向電磁活門控制通往燃油分配活門油路的通斷。每個部件發生故障都會引起系統供油異常，進而導致APU不點火。由上述原因引起的APU不點火需更換燃調組件。

在APU起動點火階段，只由副燃油噴嘴供油，該噴嘴為壓力霧化噴嘴，燃油經過噴嘴霧化并與燃燒室內的空氣結合形成油氣混合物用于燃燒，而實現起動供油點火成功的重要條件就是燃燒室內合適的油氣比，即：

式中，f為油氣比，wf為進入燃燒室的燃油流量，qm為進入燃燒室的空氣流量。由于燃燒室在設計完成后滿足點火條件的油氣比區間就已經確定[3-4]，該型APU點火轉速點在7%～10%之間，因此，點火時進入燃燒室的空氣流量也基本確定。當副噴嘴流量較小時，就有可能不能及時形成合適的油氣比，進而導致點火不成功。

其次，燃油的霧化程度對點火也有著重要影響。液霧的最小點火能量與液霧平均直徑的4.5次方成正比[2]，油滴尺寸越小越容易蒸發，點火需要的能量就越小。因此，當副燃油噴嘴（見圖4）的霧化能力不足時，也可能造成APU不能正常點火。遇到此類故障時，需將副燃油噴嘴更換為燃油流量和霧化程度都測試合格的噴嘴，且需保證安裝在APU上的三個燃油噴嘴的流量值均勻。

2.2 點火系統故障

1）點火系統簡介

圖3 燃調組件

該型APU的點火系統由一個點火激勵器、兩根點火導線和兩個點火電嘴組成，點火激勵器為TGLN-2143型直流點火激勵器，輸入電壓為10～30VDC，輸出電壓為3.35kV，工作時其內部的電壓放大器將輸入電壓轉換為高壓直流電，并向儲壓電容的兩個電極板充電，電容器兩個電極通過點火導線連接到點火電嘴，使得電嘴中心電極和殼體間的半導體絕緣材料表面產生電離作用，為儲壓電容中的電能提供一條低電阻通道，在中央電極和殼體之間發生高壓跳火，形成高強度的電火花，點燃燃燒室內的油氣混合物。

2）故障分析及排故方法

每個部件出現故障都會影響點火系統的正常工作。由于點火電嘴屬于消耗性部件，出現故障的概率較高（見圖5），因此首先分析點火電嘴故障。點火電嘴與點火激勵器同步工作，電勢能通過中央電極和殼體產生電火花點燃油氣混合物。當點火電嘴出現積炭、陶瓷層燒蝕等現象，會導致點火能量不足或不能產生電火花，進而造成點火失效。這種情況下應按以下要求對點火電嘴進行檢查：

a.檢查點火電嘴與導線連接處是否有燒蝕，如果發現電嘴密封損壞出現燒蝕，應更換點火電嘴。

圖4 副燃油噴嘴

b.檢查點火電嘴與點火導線的連接端是否存在絕緣破損裂紋或松動、輸入接觸端因電弧造成嚴重電蝕而無法清理或清理后表面不光滑等，如有則視情進行更換。

c.確認電嘴和燃燒室安裝接觸面無磨損。

d.確認電嘴外部殼體外表面無穿孔或裂紋。

e.晃動點火電嘴時，確認內部沒有松動。

點火導線由內部導體和外部導體兩部分組成，損傷主要是因點火電嘴的電極燒蝕和電嘴封嚴損壞而造成，因此在檢查點火電嘴時應注意檢查其與點火導線接口是否有損傷，并視情更換。

此外，最有可能出現故障的部件是點火激勵器，點火激勵器由振蕩電路模塊、儲能電容模塊和反饋控制電路三部分組成（見圖6）。最典型的故障是其內部放電管老化而出現閾值電壓降低，進而引起儲能電容儲能不足。儲能電容能力降低將導致點火電嘴中心電極和殼體間無法形成高壓跳火。該故障有一個明顯的現象，即在起動APU過程中點火激勵器不會發出“啪啪啪”的點火聲。最直接的排故方法就是更換點火激勵器后再次嘗試起動APU。

3 制定排故決策圖

3.1 兩種“假點火故障”分析

這里所指的“假點火故障”是指在沒有發生任何部件或系統失效的情況下的APU不點火現象，通常該類故障無需任何維修即可排除。

1）首次起動APU不點火

一臺APU的點火激勵器經過長期存儲后進行首次起動時往往出現系統不點火，此時APU轉速會達到并停滯在20%左右。起動過程中能夠聽到“啪啪啪”的點火聲，停車后檢查APU尾噴口處有燃油，說明點火系統和燃油系統都已工作，但系統仍未正常點火。根據APU試車臺的數據統計，近40%的APU會遇到該問題，天氣越冷，該現象越頻繁。首次起動不點火不能直接判斷為APU故障，絕大多數APU在停車后再次起動時都能順利點火進而完成起動過程，因此將這種現象稱為一種“假故障”。與該現象直接相關的部件是點火激勵器，由于點火激勵器長期不使用，造成其儲能電容兩個電極板上剩余電荷不足，首次起動時無法在短時間內產生足夠的電能，使產生的電火花能量不足，從而出現上述點火失效現象。

這種現象不是真正的故障，根據試車數據統計，APU正常起動時起動機的切斷時間約為22～26s，APU轉速達到20%需用時間約為4s，鑒于廠家對起動機切斷時間的限制是不超過40s，因此首次起動APU時，建議APU運轉到轉速停滯點時的等待時間不超過14s，否則即使起動成功也可能對起動機造成損傷。

圖5 附件損傷類型

2）點火電嘴表面附著燃油過多造成不點火

該現象通常發生在上述的“首次起動APU不點火”之后，由于首次起動時APU沒有點火，而燃油系統已向燃燒室內供油，可能在點火電嘴表面附著過多燃油而形成一層油膜，當APU再次起動時，由于這層油膜的阻隔無法點燃油氣混合物。這種現象不常發生，但若忽視將對排故工作造成極大的困擾。因此，如果APU第二次起動仍不點火，應首先檢查APU尾噴管處是否有大量燃油附著，如有則拆下并清潔點火電嘴表面，重新安裝后再次嘗試起動。

3.2 制定排故決策圖

根據南航的統計數據，2018年APS3200型APU共發生點火失效故障137次，圖7給出了造成這些故障的原因和所占比例。

結合上述故障統計以及試車臺相關數據和排故經驗，制定了如圖8所示的排故決策圖。

3.3 決策圖解析

1）排除首次起動APU不點火假故障

圖6 點火激勵器簡圖

圖7 故障原因

首先排除第一種“假故障”，當APU首次起動不點火時，應確認在APU起動過程中是否有點火聲，如有點火聲且燃油系統已供油，則不需做任何排故工作，再次起動APU，查看APU是否點火。如果APU未點火，則清潔或更換點火電嘴后再次起動APU，以排除第二種“假故障”。如果APU仍未正常點火，則開始S2子程序“燃油路排故程序”。

2）正常排故程序

在確認APU故障非“假故障”后，根據決策圖開始正常的排故程序。首先確認APU起動過程是否有點火聲，若無則開始S1子程序“點火電路排故程序”（見圖9），即先后更換點火電嘴、點火激勵器及點火導線，每更換一個部件都應起動一次APU并觀察是否有點火聲，如果有點火聲但仍未點火，則考慮是否為燃油路故障，開始S2子程序“燃油路排故程序”。

按照S2子程序“燃油路排故程序”（見圖10），先后更換燃調組件、燃油分配活門及副燃油噴嘴，每更換一個部件都應起動一次APU，如果APU仍未點火，則考慮是否為點火電路故障，并進行相應的排故工作。

4 結論

經過APU試車臺數據驗證，本文提出的排故方法能夠快速有效地排除APS3200型APU點火失效故障，尤其文中提出的兩種“假故障”處理方式能夠進一步提高排故效率，可節省大量人力和時間成本，在民航維修領域具有現實的指導意義，并可為其他類型故障的排除提供參考。

圖8 APU點火故障排故決策圖

圖9 S1點火電路排故程序

圖10 S2燃油路排故程序