A320 飛機(jī)APU 進(jìn)氣系統(tǒng)及典型故障分析

■ 呂麗/中國(guó)南方航空股份有限公司工程技術(shù)分公司

0 引言

目前，大部分民航客機(jī)安裝了飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置（APU）。APU 的具體作用如下：

1）為飛機(jī)在地面廊橋停機(jī)服務(wù)時(shí)提供空調(diào)，減少機(jī)載設(shè)備的使用，特別適用于缺少設(shè)備的小型機(jī)場(chǎng)；

2）為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)地面起動(dòng)提供高壓氣源，減少對(duì)高壓氣源車的依賴；

3）為飛機(jī)在地面時(shí)的燈光照明等用電設(shè)備提供電源；

4）為飛機(jī)在空中遇到緊急情況時(shí)提供電源和氣源，保障飛機(jī)客艙乘客和設(shè)備的安全，為飛機(jī)的安全著陸爭(zhēng)取時(shí)間。

因此，APU 的主要作用就是在地面和空中向飛機(jī)各系統(tǒng)提供電源和氣源[1，2]。

A320 系列飛機(jī)可選裝3 種型號(hào)的APU，分別為APS 3200、GTCP 36-300和131-9（A），這3 種 APU 的構(gòu)型和工作原理基本相同[2]。本文以APS 3200型APU 為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析其進(jìn)氣系統(tǒng)工作部件及原理，并對(duì)典型故障進(jìn)行分析與排除。

1 APU 的組成

APU 是一個(gè)基于模塊化設(shè)計(jì)的單軸燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，包含一個(gè)由單級(jí)離心壓氣機(jī)、環(huán)形回流式燃燒室和兩級(jí)軸流式渦輪組成的動(dòng)力部分，單級(jí)離心負(fù)載壓氣機(jī)和一個(gè)附件齒輪箱，如圖1 所示。為了保證APU 的正常工作，一般還包括APU 的進(jìn)氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、起動(dòng)和點(diǎn)火系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、引氣系統(tǒng)以及指示系統(tǒng)等重要的、復(fù)雜的機(jī)電液系統(tǒng)，以確保APU 工作在一個(gè)恒定的轉(zhuǎn)速下，為飛機(jī)提供穩(wěn)定的電源和氣源。

圖1 APS 3200型APU的組成

2 APU 的進(jìn)氣系統(tǒng)分析

2.1 進(jìn)氣系統(tǒng)的功能分析

進(jìn)氣系統(tǒng)是保證APU 提供氣源的一個(gè)重要系統(tǒng)，如圖2 所示，其主要作用為：

圖2 APU的進(jìn)氣系統(tǒng)作用示意圖

1）提供足夠的冷空氣，對(duì)APU 艙進(jìn)行冷卻；

2）提供冷空氣，對(duì)APU 滑油散熱；

3）提供空氣，保證負(fù)載壓氣機(jī)為飛機(jī)增壓；

4）提供空氣，使動(dòng)力部分的燃燒室燃燒，產(chǎn)生能量；

5）提供增壓空氣，對(duì)APU 前后軸承腔增壓；

6）減少壓力損失和流動(dòng)變形損失，減少進(jìn)氣噪聲和外來(lái)物的吸入。

2.2 進(jìn)氣系統(tǒng)部件組成

APU 進(jìn)氣系統(tǒng)主要由固定分流器、空氣進(jìn)口和空氣管道組成，同時(shí)有溫度和壓力傳感器感受氣體狀態(tài)參數(shù)。其中，空氣進(jìn)口包括空氣進(jìn)口結(jié)構(gòu)件、進(jìn)氣口、進(jìn)口前端、進(jìn)口殼體、進(jìn)口門作動(dòng)筒；空氣管道包括擴(kuò)散器、空氣導(dǎo)管、空氣導(dǎo)管支架、彎管、導(dǎo)向葉片等部件，如圖3 所示。

圖3 APU進(jìn)氣系統(tǒng)部件組成

2.2.1 固定分流器

固定分流器安裝在尾部整流錐（尾錐）的正前方，在后面機(jī)身的底部。它有兩種用途：

1）提高APU 在飛行期間運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)沖壓空氣的恢復(fù)能力。此裝置距離進(jìn)口大約50mm 處，能阻止空氣動(dòng)力附面層的最低能量部分進(jìn)入空氣進(jìn)口。

2）分離出在飛行期間可能向機(jī)身后移動(dòng)的液體（如滑油、液壓或防冰液體、燃油或水），防止其進(jìn)入空氣進(jìn)口。

2.2.2 空氣進(jìn)口

空氣進(jìn)口組件安裝在APU 隔艙的尾部整流錐正前方的底部切塊內(nèi)，由4個(gè)螺栓固定。空氣管道接觸面安裝在APU 隔艙前方的防火隔板上。進(jìn)口氣流區(qū)域前部有最高可達(dá)150mm（6in）的接合面，以便APU 隔艙上的不銹鋼面板覆蓋充當(dāng)APU 隔艙耐火區(qū)域的延伸。耐火的密封墊用于接合空氣進(jìn)口組件和APU 艙防火墻。

空氣進(jìn)口組件包括以下主要部件。

1）空氣進(jìn)口結(jié)構(gòu)件：為U 形部件，形成兩個(gè)側(cè)壁和上壁的后面部分，由玻璃纖維織物和鋁核心夾層構(gòu)造而成。上方壁板用金屬氈做消聲處理。伸出到氣流內(nèi)的鋼軌沿著側(cè)壁合并，以防止流動(dòng)的液體沿著尾部整流錐的外表面進(jìn)入空氣進(jìn)口。

2）空氣進(jìn)口風(fēng)門：為玻璃纖維織物和高熔點(diǎn)夾層構(gòu)造設(shè)計(jì)，沒(méi)有吸音處理功能。風(fēng)門鉸鏈接在空氣進(jìn)口殼體的前部，并由電驅(qū)動(dòng)的作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)，APU不工作時(shí)負(fù)責(zé)關(guān)閉空氣進(jìn)口，APU 工作時(shí)形成上壁的前部。

3）空氣進(jìn)口前端：形成空氣通風(fēng)口的下部壁板，且永久安裝在空氣進(jìn)口殼體中。由一個(gè)不銹鋼的外殼和鋁核心夾層組成，并在進(jìn)口氣流的唇邊區(qū)域后安裝金屬氈以進(jìn)行消聲處理。

4）空氣進(jìn)口殼體：具有傳統(tǒng)的鋁結(jié)構(gòu)，連接到空氣進(jìn)口殼體上，具備兩種功能，為進(jìn)口襟翼作動(dòng)筒提供一個(gè)連接件，以及作為維護(hù)APU 隔艙內(nèi)前部、尾部整流錐的工作平臺(tái)。

5）空氣進(jìn)口作動(dòng)筒：為電動(dòng)線性作動(dòng)筒，受控于電子控制器（ECB），用于驅(qū)動(dòng)空氣進(jìn)口風(fēng)門的打開(kāi)與關(guān)閉。主要部件是帶剎車控制器的28V 直流馬達(dá)、安裝在每個(gè)端頭位置的限位電門和風(fēng)門位置電門、熱過(guò)載保護(hù)裝置。

2.2.3 空氣管道

空氣管道是進(jìn)氣口系統(tǒng)的核心部分，用于連接APU 增壓室，完全位于APU 隔艙內(nèi)，并安裝在口蓋316AR 上。打開(kāi)APU 艙門時(shí)，空氣管道可從其正常位置上脫離，便于接近APU 進(jìn)行維護(hù)。空氣管道將氣流輸送到APU 內(nèi)部，減少空氣動(dòng)力噪聲，同時(shí)在APU 隔艙起火時(shí)可保持其外形，由擴(kuò)散器和彎管兩個(gè)主要部件組成，并用緊固件固定在支架上。

1）擴(kuò)散器

擴(kuò)散器的作用是通過(guò)膨脹增加氣體壓力，降低空速并減少氣流紊亂，具有共鳴器類型消聲器的功能。緊固件連接的壁板是一個(gè)雙層夾層設(shè)計(jì)的不銹鋼表面片和鋁核心。擴(kuò)散器內(nèi)表面用金屬氈進(jìn)行消聲處理。耐火的柔性封嚴(yán)使空氣在接合處的損失最小并提供柔性接觸面。

2）彎管

彎管的作用是改變氣流方向，引導(dǎo)氣流更好地進(jìn)入APU通風(fēng)容腔中。其中，2 個(gè)導(dǎo)流葉片引導(dǎo)氣流方向，從而減少空氣流動(dòng)損失，并起到消聲器的作用。側(cè)壁的設(shè)計(jì)和安裝與擴(kuò)散器相同。尾部有柔性的接觸面，用于彎管與APU 接口的柔性耐火封嚴(yán)，并使空氣損失最小。

3 APU 進(jìn)氣系統(tǒng)典型故障分析

根據(jù)航線人員的反饋，APU 進(jìn)氣系統(tǒng)的常見(jiàn)故障有“進(jìn)氣風(fēng)門打不開(kāi)”或“溫度或壓力傳感器故障”，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致APU 停止工作，影響航班的安全性與正點(diǎn)率。

3.1 “進(jìn)氣風(fēng)門打不開(kāi)”故障

進(jìn)氣風(fēng)門能否正常打開(kāi)決定APU能否正常工作。進(jìn)氣風(fēng)門位于APU前端，其作用是確保外界空氣進(jìn)入APU，如果進(jìn)氣口打不開(kāi)，APU 將無(wú)法正常工作。進(jìn)氣口打不開(kāi)的主要原因如下：

1）進(jìn)氣口作動(dòng)器本身故障，導(dǎo)致作動(dòng)器無(wú)法驅(qū)動(dòng)進(jìn)氣風(fēng)門打開(kāi)，無(wú)空氣進(jìn)入；

2）控制作動(dòng)器工作的電子控制盒（ECB）發(fā)生故障，無(wú)法正常控制作動(dòng)器工作；

3）ECB 與作動(dòng)器之間的線路斷開(kāi)，導(dǎo)致信號(hào)傳遞不正常，無(wú)法控制作動(dòng)器。

如果測(cè)試到故障信息，應(yīng)對(duì)進(jìn)氣作動(dòng)裝置或電子控制盒進(jìn)行檢查。若APU停止工作，則說(shuō)明進(jìn)氣作動(dòng)裝置打不開(kāi)，一般應(yīng)更換作動(dòng)器；如果故障仍存在，則對(duì)ECB 與作動(dòng)器上電插頭之間的電線進(jìn)行檢查；如果故障仍存在，則需要更換ECB。排故流程如圖4 所示。

圖4 “進(jìn)氣風(fēng)門打不開(kāi)”故障排除流程圖

3.2 進(jìn)氣口壓力或溫度傳感器故障

進(jìn)氣口的壓力或溫度（T/P）傳感器用于探測(cè)進(jìn)入進(jìn)氣口的氣體溫度或壓力，并將信號(hào)送至ECB 中，用于控制負(fù)載壓氣機(jī)及動(dòng)力部分的工作。如果傳感器發(fā)生故障，則會(huì)導(dǎo)致氣體信息不全，控制失誤，工作效果不理想。此傳感器故障的常見(jiàn)原因包括：

1）傳感器本身故障，導(dǎo)致溫度或壓力測(cè)量不準(zhǔn)確；

2）控制作動(dòng)器工作的ECB 發(fā)生故障，導(dǎo)致無(wú)法正常處理傳感器的信息；

3）ECB 與傳感器之間的線路斷開(kāi)，導(dǎo)致信號(hào)傳遞不正常，無(wú)法準(zhǔn)確得到溫度或壓力信號(hào)。

如果在飛機(jī)上測(cè)試到故障信息，并出現(xiàn)特定的故障代碼，則說(shuō)明是傳感器故障，一般先對(duì)傳感器進(jìn)行更換；如果更換傳感器后故障仍存在，則對(duì)ECB與作動(dòng)器電插頭之間的電線進(jìn)行檢查與修復(fù)；如果故障仍存在，則需要更換ECB。排故流程如圖5 所示。

圖5 進(jìn)氣口壓力或溫度傳感器故障排除流程圖

4 結(jié)論

APU 進(jìn)氣系統(tǒng)是向APU 及其附件提供空氣的裝置，是保證APU 正常工作的必要系統(tǒng)。進(jìn)氣系統(tǒng)主要包括分離器、空氣進(jìn)口和空氣管道三部分，保證提供足夠、流動(dòng)損失小的空氣。“進(jìn)氣風(fēng)門打不開(kāi)”和“溫度或壓力傳感器故障”是APU 常見(jiàn)故障，故障的排除思路主要遵循部件本體故障排除—部件與電子控制器線路故障排除—電子控制器故障排除的思路。