一起APU 喘振故障分析及檢測工裝設計

■ 李獻凱 謝仲陽 王海寬/ 中國南方航空股份有限公司工程技術分公司沈陽基地 2 南航工程技術中心

1 故障現象

輔助動力裝置（APU）是安裝在飛機尾部的小型燃氣渦輪發動機，在地面或空中為飛機提供電源，還為發動機起動或客艙空調提供氣源保障。

某航空公司修理廠在對波音737 型飛機中131-9B 型APU 進行整機翻修時發現：APU 出廠前試車，正常起動后一切參數正常，但在高負載T0009 測試點（MES+96KW）會出現無規律的異常的“放炮”喘振聲，其他測試點均正常。通過位置判斷喘振聲發生于動力段，停車重新起動后仍然出現高負載時動力段喘振現象。該故障現象為首次出現，修理廠通過一系列分析和判斷，成功排除故障并找到了更好的檢查辦法，為提高APU 修理質量提供了參考。

2 故障分析

針對上述喘振現象，修理廠對試車臺及相關傳感器進行檢查評估，排除試車臺故障；更換APU 上相關的外部件（LRU 航線可更換零件）后故障仍然存在，排除LRU 部件損傷可能。初步判斷故障原因是APU 內零件故障或零件間裝配關系不匹配。決定重新分解APU，對相關零件進行詳細檢查，對相關零件的裝配間隙進行重新分析。

2.1 相關零件配合間隙檢查。

分解APU 后，對照此前裝配時的零件配合間隙表、維修記錄等資料進行重新檢查，所有配合尺寸均無異常，各級調節墊片尺寸均滿足手冊標準，動力段、負載段壓氣機（P/S、L/C）和渦輪也沒有任何刮磨現象，因此基本排除因裝配不當引起喘振的可能。

2.2 相關零件的重新檢查

針對動力段喘振現象，重點檢查渦輪、壓氣機葉輪、內機匣、擴散器等零部件。

1）一、二級渦輪。APU 中這兩個部件均為全新航材可用件，經檢測尺寸符合手冊要求，試車前后無任何損傷。

2）動力段葉輪。動力段葉輪屬于時壽件，該葉輪雖不是全新件，但TSN/CSN（總使用時間/總使用循環）滿足廠家極限時間30000h 的要求。根據手冊檢查葉輪葉片無磨損、腐蝕、打傷等損傷。對比OEM 相關數據參數，葉型符合手冊標準。

3）動力段內機匣。無刮磨涂層掉塊等損傷，根據手冊檢查相關數據，結果均在手冊要求范圍內。

4）動力段擴散器。該件為修理廠家剛剛修理完成的航材件，測量安裝邊平面度在手冊要求范圍內，重新檢查主葉片，葉片切面較平整。手冊中對葉片的檢查標準為：葉片前緣允許刻痕、磨損的最大損傷值為0.67mm，風蝕的最大損傷值為0.51mm。但是主葉片前緣處于密閉空間內，且空間狹小，普通測量工具無法進入以對葉片損傷值進行測量（見圖1）。通常情況下，葉片前緣上部和下部由于氣流流速不同導致的風蝕量不同，會產生一個風蝕的斜面（見圖2），工作者一般通過對比葉片上下風蝕量的差值來判斷是否達到0.51mm 標準。觀察到故障葉片葉根處疑似有3mm缺陷，但前緣較平整，無法直觀判斷出葉片是否風蝕或變短。修理廠使用一標記尺寸的長桿從葉片后緣探入葉片空間（見圖3），對比發現該擴散器中不均勻分布的7 片葉片相比其他大部分葉片短2 ～3.5mm，初步推斷此為疑似故障源。后與擴散器修理廠家聯系，確定該擴散器葉片進行過打磨修理，但因工作疏忽打磨后并未對葉片尺寸進行修復。

圖1 131-9型APU動力段擴散器

圖2 常見的葉片風蝕

圖3 故障APU擴散器

結合其他零件的檢查結果，修理廠認為動力段擴散器葉片變短是導致本次喘振的主要原因，決定只更換該件，重新回裝APU。裝配完成后再次試車，一切正常，故障排除，APU 成功出廠。

3 檢查工裝的設計

為了解決無法直接用常規測量工具檢查葉片損傷值的難題，修理廠設計了一種操作方便且易于觀察的檢查工裝，可以快速準確地判斷出擴散器葉片損傷值是否超過手冊標準。雖然該工裝是為動力段擴散器設計，但負載段擴散器的功能和構型與動力段擴散器相似，因而也可以推廣至負載段擴散器的檢查。

3.1 設計過程

研究擴散器的結構發現，擴散器葉片前緣由于處于環形內壁內，從前緣直接測量難度較大，但葉片與葉片之間有一條狹長的空間，且葉片邊為直線，因此可以設計一個標準測量桿，從葉片后緣伸入擴散器即可對比出葉片是否變短，需要注意的是測量桿長度應為手冊要求的葉片標準長度。

從零件設計廠家和修理廠家處獲得標準葉片長度，根據標準葉片長度制作了一個對比標桿。由于手冊提到風蝕損傷小于0.51mm的葉片前緣可繼續使用，在該檢查工裝前緣0.51mm 處加工一切口作為第一標桿，作為檢查葉片風蝕是否可用的依據。手冊中還提到當葉片損傷小于1.27mm 時可通過手工打磨去除損傷的方法來修理，因此在該工裝頂端至1.27mm 處加工第二個切口臺階作為第二標桿，以判斷葉片損傷是否超出打磨可修理極限，也可用于判斷是否是打磨修理后的合格零件。

為了確保測量的準確性，在工裝葉片根部根據擴散器大圓直徑設計一圓弧，將工裝固定于葉片根部。在圓弧上方測繪出測量葉片至上一葉片的切線距離，在此距離上設計另一卡塊，深入上方葉片，該卡塊用于測量時固定工裝，防止工裝在測量時有軸向和周向的位移。工裝設計圖如圖4 所示。

圖4 工裝設計圖

3.2 工裝使用

如圖4、圖5 所示，該工裝使用時需從擴散器葉片后緣將測量桿（圖4 中18）深入擴散器葉片之間，使圓弧面（圖4 中13）緊貼在擴散器的外圓輪廓上，且測量桿緊貼在葉片背部。通過對比第一標桿0.51mm（圖4 中16）、第二標桿1.27mm（圖4 中17）的位置與擴散器葉片前緣的相對位置，得出檢查結論。若只露出第一標桿而未露出第二標桿，代表零件風蝕量小于0.51mm，零件可用；若第二標桿露出一部分但未完全露出，表示該部件已風蝕超標、零件不可用，但可進行打磨修理；若第二標桿已完全露出，代表零件不可用，且損傷超出葉片打磨修理極限，需更換葉片。

圖5 工裝使用

3.3 工裝優點

與現有檢測方法相比，本設計具有以下優點：

1）通過視覺，直觀比較擴散器主葉片與測量桿、第一標桿和第二標桿之間的關系，可以快速、精準判斷出主葉片損傷情況，從而快速判斷零件是否可用，還可判斷出主葉片是否需要修理、需采用什么方式修理等，節省了檢查時間，提高了工作效率。

2）可以精準判斷出故障類型，相比僅用肉眼觀察更加可靠，有效提升零件檢查質量，保證整個APU 維修質量。

3）工裝設計新穎實用、操作簡單、易學易用，節約了學習成本和時間成本。

4）通過對零件狀態的準確判斷，減少了零件的錯漏檢現象，節省了APU的維修成本。

5）此應用可推廣至所有類型的APU 擴散器，還可推廣至發動機擴散器。

4 結論

通過對一起APU試車故障的分析，得出動力段擴散器葉片部分變短尤其是不均勻變短可能導致APU 整機喘振現象，該故障現象主要發生在高負載階段。設計了一套合理的檢查工裝，填補了該部件檢查中的漏洞，大幅提高了部件檢查的效率和質量。下一步將采用建模和數據分析等方法，著重研究不同擴散器葉片長度對APU 性能的影響。本研究驗證了嚴格把控民航維修檢查標準的重要性，可為APU 維修行業發展提供一定的指導。