APS3200型APU點(diǎn)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(shù)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(yīng)用在空客A320系列飛機(jī)上。點(diǎn)火失效是該型APU起動過程中的典型故障之一，直接關(guān)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(jī)維護(hù)、保障飛機(jī)正常運(yùn)行有著重要的意義。

與APU在飛機(jī)上運(yùn)轉(zhuǎn)相比，在試車臺測試APU時(shí)，能夠觀察到更全面的測試數(shù)據(jù)和清晰的故障現(xiàn)象，對于排故工作有著先天的優(yōu)勢。本文針對APU點(diǎn)火失效故障，根據(jù)APU燃油系統(tǒng)和起動系統(tǒng)的理論知識，結(jié)合APU試車臺測試數(shù)據(jù)和排故經(jīng)驗(yàn)，分析造成APU點(diǎn)火失效的原因。

1 APS3200型APU點(diǎn)火失效情況

APS3200型APU的起動過程包括三個(gè)階段[1]：第一階段，由直流起動機(jī)帶動APU轉(zhuǎn)子加速運(yùn)轉(zhuǎn)到點(diǎn)火供油轉(zhuǎn)速點(diǎn)；第二階段，APU燃燒室內(nèi)點(diǎn)火成功后，推動渦輪組件做功、與起動機(jī)同時(shí)輸出功率使APU加速直到轉(zhuǎn)速達(dá)到55%時(shí)起動機(jī)脫開；第三階段，由渦輪單獨(dú)輸出功率，APU加速運(yùn)轉(zhuǎn)到100%轉(zhuǎn)速。

點(diǎn)火失效是指APU在第一階段由起動機(jī)帶轉(zhuǎn)起動后，因燃燒室內(nèi)未發(fā)生油氣混合物燃燒而導(dǎo)致APU轉(zhuǎn)速到20%左右不再上升的故障現(xiàn)象。造成該故障的原因可能有多種，主要涉及APU點(diǎn)火系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)兩個(gè)方面。

2 點(diǎn)火失效原因分析

2.1 燃油系統(tǒng)故障

1）燃油系統(tǒng)簡介

APU燃油系統(tǒng)由燃調(diào)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(diào)組件在電子控制組件（ECB）的控制下提供經(jīng)過計(jì)量的燃油到燃油分配活門，后者再根據(jù)燃油壓力值的大小經(jīng)過燃油總管和主副燃油噴嘴向燃燒室內(nèi)供油。

2）故障分析及排故方法

每個(gè)部件出現(xiàn)故障都會影響燃油系統(tǒng)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(gè)單向活門，分別通過燃油總管連接到主副燃油管路，當(dāng)燃油壓力達(dá)到20psid時(shí)，連接副燃油管路的單向活門打開，副燃油噴嘴向燃燒室內(nèi)供油。當(dāng)燃油壓力達(dá)到200psid時(shí)，連接主燃油管路的單向活門打開，主燃油噴嘴向系統(tǒng)供油。由于APU起動點(diǎn)火時(shí)是由副燃油噴嘴進(jìn)行供油，因此當(dāng)連接副燃油管路的單向活門出現(xiàn)卡堵或彈簧壓力過大時(shí)都有可能出現(xiàn)副噴嘴不能正常供油的情況，進(jìn)而導(dǎo)致APU不點(diǎn)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(tǒng)簡圖

圖2 燃油分配活門圖

其次，最有可能出現(xiàn)故障的部件是燃調(diào)組件，其內(nèi)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(tǒng)提供增壓燃油；燃油伺服活門在ECB的控制下向系統(tǒng)提供計(jì)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(gè)部件發(fā)生故障都會引起系統(tǒng)供油異常，進(jìn)而導(dǎo)致APU不點(diǎn)火。由上述原因引起的APU不點(diǎn)火需更換燃調(diào)組件。

在APU起動點(diǎn)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(jīng)過噴嘴霧化并與燃燒室內(nèi)的空氣結(jié)合形成油氣混合物用于燃燒，而實(shí)現(xiàn)起動供油點(diǎn)火成功的重要條件就是燃燒室內(nèi)合適的油氣比，即：

式中，f為油氣比，wf為進(jìn)入燃燒室的燃油流量，qm為進(jìn)入燃燒室的空氣流量。由于燃燒室在設(shè)計(jì)完成后滿足點(diǎn)火條件的油氣比區(qū)間就已經(jīng)確定[3-4]，該型APU點(diǎn)火轉(zhuǎn)速點(diǎn)在7%～10%之間，因此，點(diǎn)火時(shí)進(jìn)入燃燒室的空氣流量也基本確定。當(dāng)副噴嘴流量較小時(shí)，就有可能不能及時(shí)形成合適的油氣比，進(jìn)而導(dǎo)致點(diǎn)火不成功。

其次，燃油的霧化程度對點(diǎn)火也有著重要影響。液霧的最小點(diǎn)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(fā)，點(diǎn)火需要的能量就越小。因此，當(dāng)副燃油噴嘴（見圖4）的霧化能力不足時(shí)，也可能造成APU不能正常點(diǎn)火。遇到此類故障時(shí)，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(gè)燃油噴嘴的流量值均勻。

2.2 點(diǎn)火系統(tǒng)故障

1）點(diǎn)火系統(tǒng)簡介

圖3 燃調(diào)組件

該型APU的點(diǎn)火系統(tǒng)由一個(gè)點(diǎn)火激勵(lì)器、兩根點(diǎn)火導(dǎo)線和兩個(gè)點(diǎn)火電嘴組成，點(diǎn)火激勵(lì)器為TGLN-2143型直流點(diǎn)火激勵(lì)器，輸入電壓為10～30VDC，輸出電壓為3.35kV，工作時(shí)其內(nèi)部的電壓放大器將輸入電壓轉(zhuǎn)換為高壓直流電，并向儲壓電容的兩個(gè)電極板充電，電容器兩個(gè)電極通過點(diǎn)火導(dǎo)線連接到點(diǎn)火電嘴，使得電嘴中心電極和殼體間的半導(dǎo)體絕緣材料表面產(chǎn)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(fā)生高壓跳火，形成高強(qiáng)度的電火花，點(diǎn)燃燃燒室內(nèi)的油氣混合物。

2）故障分析及排故方法

每個(gè)部件出現(xiàn)故障都會影響點(diǎn)火系統(tǒng)的正常工作。由于點(diǎn)火電嘴屬于消耗性部件，出現(xiàn)故障的概率較高（見圖5），因此首先分析點(diǎn)火電嘴故障。點(diǎn)火電嘴與點(diǎn)火激勵(lì)器同步工作，電勢能通過中央電極和殼體產(chǎn)生電火花點(diǎn)燃油氣混合物。當(dāng)點(diǎn)火電嘴出現(xiàn)積炭、陶瓷層燒蝕等現(xiàn)象，會導(dǎo)致點(diǎn)火能量不足或不能產(chǎn)生電火花，進(jìn)而造成點(diǎn)火失效。這種情況下應(yīng)按以下要求對點(diǎn)火電嘴進(jìn)行檢查：

a.檢查點(diǎn)火電嘴與導(dǎo)線連接處是否有燒蝕，如果發(fā)現(xiàn)電嘴密封損壞出現(xiàn)燒蝕，應(yīng)更換點(diǎn)火電嘴。

圖4 副燃油噴嘴

b.檢查點(diǎn)火電嘴與點(diǎn)火導(dǎo)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(yán)重電蝕而無法清理或清理后表面不光滑等，如有則視情進(jìn)行更換。

c.確認(rèn)電嘴和燃燒室安裝接觸面無磨損。

d.確認(rèn)電嘴外部殼體外表面無穿孔或裂紋。

e.晃動點(diǎn)火電嘴時(shí)，確認(rèn)內(nèi)部沒有松動。

點(diǎn)火導(dǎo)線由內(nèi)部導(dǎo)體和外部導(dǎo)體兩部分組成，損傷主要是因點(diǎn)火電嘴的電極燒蝕和電嘴封嚴(yán)損壞而造成，因此在檢查點(diǎn)火電嘴時(shí)應(yīng)注意檢查其與點(diǎn)火導(dǎo)線接口是否有損傷，并視情更換。

此外，最有可能出現(xiàn)故障的部件是點(diǎn)火激勵(lì)器，點(diǎn)火激勵(lì)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(nèi)部放電管老化而出現(xiàn)閾值電壓降低，進(jìn)而引起儲能電容儲能不足。儲能電容能力降低將導(dǎo)致點(diǎn)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(gè)明顯的現(xiàn)象，即在起動APU過程中點(diǎn)火激勵(lì)器不會發(fā)出“啪啪啪”的點(diǎn)火聲。最直接的排故方法就是更換點(diǎn)火激勵(lì)器后再次嘗試起動APU。

3 制定排故決策圖

3.1 兩種“假點(diǎn)火故障”分析

這里所指的“假點(diǎn)火故障”是指在沒有發(fā)生任何部件或系統(tǒng)失效的情況下的APU不點(diǎn)火現(xiàn)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(diǎn)火

一臺APU的點(diǎn)火激勵(lì)器經(jīng)過長期存儲后進(jìn)行首次起動時(shí)往往出現(xiàn)系統(tǒng)不點(diǎn)火，此時(shí)APU轉(zhuǎn)速會達(dá)到并停滯在20%左右。起動過程中能夠聽到“啪啪啪”的點(diǎn)火聲，停車后檢查APU尾噴口處有燃油，說明點(diǎn)火系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)都已工作，但系統(tǒng)仍未正常點(diǎn)火。根據(jù)APU試車臺的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，近40%的APU會遇到該問題，天氣越冷，該現(xiàn)象越頻繁。首次起動不點(diǎn)火不能直接判斷為APU故障，絕大多數(shù)APU在停車后再次起動時(shí)都能順利點(diǎn)火進(jìn)而完成起動過程，因此將這種現(xiàn)象稱為一種“假故障”。與該現(xiàn)象直接相關(guān)的部件是點(diǎn)火激勵(lì)器，由于點(diǎn)火激勵(lì)器長期不使用，造成其儲能電容兩個(gè)電極板上剩余電荷不足，首次起動時(shí)無法在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生足夠的電能，使產(chǎn)生的電火花能量不足，從而出現(xiàn)上述點(diǎn)火失效現(xiàn)象。

這種現(xiàn)象不是真正的故障，根據(jù)試車數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，APU正常起動時(shí)起動機(jī)的切斷時(shí)間約為22～26s，APU轉(zhuǎn)速達(dá)到20%需用時(shí)間約為4s，鑒于廠家對起動機(jī)切斷時(shí)間的限制是不超過40s，因此首次起動APU時(shí)，建議APU運(yùn)轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)速停滯點(diǎn)時(shí)的等待時(shí)間不超過14s，否則即使起動成功也可能對起動機(jī)造成損傷。

圖5 附件損傷類型

2）點(diǎn)火電嘴表面附著燃油過多造成不點(diǎn)火

該現(xiàn)象通常發(fā)生在上述的“首次起動APU不點(diǎn)火”之后，由于首次起動時(shí)APU沒有點(diǎn)火，而燃油系統(tǒng)已向燃燒室內(nèi)供油，可能在點(diǎn)火電嘴表面附著過多燃油而形成一層油膜，當(dāng)APU再次起動時(shí)，由于這層油膜的阻隔無法點(diǎn)燃油氣混合物。這種現(xiàn)象不常發(fā)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(diǎn)火，應(yīng)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(diǎn)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(jù)南航的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2018年APS3200型APU共發(fā)生點(diǎn)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(jié)合上述故障統(tǒng)計(jì)以及試車臺相關(guān)數(shù)據(jù)和排故經(jīng)驗(yàn)，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(diǎn)火假故障

圖6 點(diǎn)火激勵(lì)器簡圖

圖7 故障原因

首先排除第一種“假故障”，當(dāng)APU首次起動不點(diǎn)火時(shí)，應(yīng)確認(rèn)在APU起動過程中是否有點(diǎn)火聲，如有點(diǎn)火聲且燃油系統(tǒng)已供油，則不需做任何排故工作，再次起動APU，查看APU是否點(diǎn)火。如果APU未點(diǎn)火，則清潔或更換點(diǎn)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(diǎn)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(rèn)APU故障非“假故障”后，根據(jù)決策圖開始正常的排故程序。首先確認(rèn)APU起動過程是否有點(diǎn)火聲，若無則開始S1子程序“點(diǎn)火電路排故程序”（見圖9），即先后更換點(diǎn)火電嘴、點(diǎn)火激勵(lì)器及點(diǎn)火導(dǎo)線，每更換一個(gè)部件都應(yīng)起動一次APU并觀察是否有點(diǎn)火聲，如果有點(diǎn)火聲但仍未點(diǎn)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(diào)組件、燃油分配活門及副燃油噴嘴，每更換一個(gè)部件都應(yīng)起動一次APU，如果APU仍未點(diǎn)火，則考慮是否為點(diǎn)火電路故障，并進(jìn)行相應(yīng)的排故工作。

4 結(jié)論

經(jīng)過APU試車臺數(shù)據(jù)驗(yàn)證，本文提出的排故方法能夠快速有效地排除APS3200型APU點(diǎn)火失效故障，尤其文中提出的兩種“假故障”處理方式能夠進(jìn)一步提高排故效率，可節(jié)省大量人力和時(shí)間成本，在民航維修領(lǐng)域具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義，并可為其他類型故障的排除提供參考。

圖8 APU點(diǎn)火故障排故決策圖

圖9 S1點(diǎn)火電路排故程序

圖10 S2燃油路排故程序