GTCP36-150[CY]型APU起動失敗故障排除與分析

夏燕騰

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

0 引言

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

近年來，研究和工程技術(shù)人員對波音飛機和空客飛機做了大量的APU故障診斷分析工作。隨著國產(chǎn)飛機投入運營數(shù)量的不斷增多，其APU故障診斷分析工作也越來越重要。

MA60飛機是我國國產(chǎn)50～60座級的雙渦輪螺旋槳發(fā)動機支線客機，安裝的是可靠性高的GTCP36-150[CY]型APU。根據(jù)最大MA60飛機運營商幸福航空公司統(tǒng)計資料，該型號APU平均非計劃拆換間隔時間為11 625.39飛行小時，機務(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，機務(wù)人員不能立刻制定出有效的排故措施，達到快速定位故障部件的目的。本文結(jié)合MA60飛機APU起動故障案例，對故障機理進行深入剖析，梳理可能的故障原因，并將排故過程中遇到實際問題給出切實可行的外場驗證方法。

1 故障描述及故障排除過程

1.1 故障描述

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

1.2 故障排除過程

根據(jù)上述現(xiàn)象，初步判斷APU點火系統(tǒng)未工作。依據(jù)MA60飛機線路手冊(AWM)：(1)分別測量APU電子控制裝置(ECU)至點火裝置低壓輸入電氣插頭線路、點火電纜，排除點火系統(tǒng)線路故障；更換ECU、點火裝置、點火塞后排除ECU、點火裝置、點火塞故障；(3)斷開機上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的前提下，將點火塞拆出，起動APU檢查點火系統(tǒng)，觀察到點火塞端部有電火花。至此，可以斷定點火系統(tǒng)工作正常。接下來，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，耗時長，為避免出現(xiàn)類似情況，對故障做進一步分析，以便為后續(xù)的同型號APU維修工作提供借鑒。

2 APU起動系統(tǒng)工作原理

GTCP36-150[CY]型APU是一種渦輪噴氣發(fā)動機，本質(zhì)上是一臺自備式動力源，只要供有運轉(zhuǎn)時所必須的燃油和電源，其起動、加速、運轉(zhuǎn)就在其控制系統(tǒng)的自動控制下進行。

在起動APU時，起動發(fā)電機通過減速齒輪箱帶動壓氣機和渦輪轉(zhuǎn)動部件、滑油泵和燃油調(diào)節(jié)器旋轉(zhuǎn)。當(dāng)APU轉(zhuǎn)速達到10%時，ECU接通燃油切斷電磁活門、防喘活門和點火裝置電路，燃油電磁切斷活門通電打開后，燃油進入燃油噴嘴組件，點火塞點火，引燃燃燒室中的油氣混合物。APU繼續(xù)加速，當(dāng)轉(zhuǎn)速達到50%時，ECU斷開啟動繼電器電路，起動發(fā)電機停止工作。當(dāng)APU轉(zhuǎn)速達到50%以上時，壓氣機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94.5%時，ECU斷開通向點火裝置的電路，接通小時表電路，記錄APU工作時間，APU進入正常持續(xù)工作狀態(tài)。

APU起動控制電路原理如圖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啟動系統(tǒng)工作原理及圖1和圖2可知，APU要成功點火起動主要決定于：(1)相關(guān)電氣線路正確可靠連接；(2)點火系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)各相關(guān)執(zhí)行部件工作正常；(3)ECU發(fā)出控制點火系統(tǒng)和燃油流量的信號正確輸出；(4)為ECU點火起動提供輸入信號的各相關(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，對照該型APU起動系統(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，并按照由簡入繁的排故原則逐項對其進行檢查：

(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 故障隔離及驗證方法

針對以上8種可能故障部位，機務(wù)維修人員分別進行了相關(guān)項目的逐項排查。對于線路類故障通常采用測量儀器檢查進行隔離驗證；對于成品部件類故障通常采用更換或APU手冊規(guī)定的檢查方式進行驗證。

3.2.1 導(dǎo)線缺陷故障檢查

根據(jù)圖1，分別使用檢測儀器檢測如下線路：(1)ECU P2插頭與點火裝置之間的導(dǎo)線M544-20和M545-20；(2)點火裝置523M與點火電嘴524M之間的點火電纜；(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，上述線路導(dǎo)通正常，無斷路、短路及接地故障，排除電氣線路缺陷誘發(fā)APU起動故障的可能性。

3.2.2 點火系統(tǒng)故障檢查

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

應(yīng)該指出的是，不建議將無故障新的成品件直接安裝至故障飛機試車檢查故障，其主要原因在于故障飛機原因未明情況下串用新成品件，可能會導(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行驗證。

3.2.3 轉(zhuǎn)速傳感器故障檢查

測量轉(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)合起動過程中觀察到的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，在APU轉(zhuǎn)速為10%時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上APU成功起動，由此可排除ECU故障。

因在APU起動過程中未聽到明顯的點火聲音，機務(wù)人員認(rèn)為APU未成功起動是點火系統(tǒng)沒能正常工作導(dǎo)致的，為此將故障檢測重點放在點火系統(tǒng)上。機務(wù)維修人員決定接下來對點火系統(tǒng)進行直觀檢查，具體做法是將點火塞從APU燃燒室拆出，切斷APU燃油供給(通過切斷防火開關(guān)、斷開燃油關(guān)斷活門電磁閥電氣插頭實現(xiàn))，在做好安全防護措施的前提下，直接觀察點火塞點火情況，結(jié)果未見異常。

至此可確認(rèn)點火系統(tǒng)工作正常，后續(xù)的故障檢測由點火系統(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起動過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。為進一步進行確認(rèn)，機務(wù)人員使測量燃油切斷活門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，壓縮空氣不流過主油路接口，只流過副油路接口。壓力高于30磅/平方英寸時，壓縮空氣均流過主、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)備不能進行在位檢測，故將待檢燃油調(diào)節(jié)器串裝至正常起動飛機進行檢查，結(jié)果APU未正常起動，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)動軸需要借助工具才能轉(zhuǎn)動，而可正常起動的APU燃油調(diào)節(jié)器驅(qū)動軸徒手可以轉(zhuǎn)動。為進一步加以確認(rèn)，將正常工作的燃油調(diào)節(jié)器安裝至故障飛機APU上，APU正常起動。圖3所示為故障燃油調(diào)節(jié)器的整體外觀和驅(qū)動軸部位的細(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起動故障排除。

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

3.3 故障原因分析

APU起動需要解決兩個核心問題：一個是點火；一個是供油。在點火系統(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起動的不同階段所供給的燃油流量顯得尤為重要。在起動初期，由于點火塞放電能量較小，此時以最小燃油流量供給，防止“富油”熄火。隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高，點火塞放電能量增加，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)信號控制燃油控制器力矩馬達工作，力矩馬達將接收的電壓調(diào)節(jié)信號變換為0～200 mA直流可變激勵電流，控制燃油調(diào)節(jié)器內(nèi)部計量活門開度，從而達到控制流量的目的。

根據(jù)前述的故障排除經(jīng)過及APU起動控制邏輯可知，本次APU未能起動是由燃油調(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，燃油流量無法控制在合理水平，致使APU起動失敗。

4 結(jié)論

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

(1)APU起動故障表現(xiàn)為起動發(fā)電機正常運轉(zhuǎn)，尾噴管處有霧狀燃油逸出，溫度顯示為零，起動過程未聽到明顯的點火塞放電點火聲響。APU未能正常起動原因為燃油調(diào)節(jié)器故障。

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

(3)要對故障診斷經(jīng)驗持審慎態(tài)度。根據(jù)經(jīng)驗，燃油調(diào)節(jié)器幾乎未出現(xiàn)過故障，這也是本次故障診斷耗時長的影響因素之一。