某型辅助动力装置地面起动过程故障分析

陈艳艳，申晓霞，于芳芳

（中航工业中国飞行试验研究院，西安 710089）

1 引言

某型辅助动力装置（AuxiliaryPower Unit，APU）转入新机场后进行地面辅助起动时，频繁出现超温和喘振等现象。经检查,怀疑此故障的产生原因是新机场环境温度较低。为此，每次在试飞前需先对该动力装置加温起动，严重影响了正常的科研试飞进度。

为了尽快解除此故障，改善其起动性能，提高试飞效率，进行了多次地面试验。通过不断地对比和分析测试系统记录下的试验数据，查出故障原因是第2起动油路电磁阀工作不稳定。

2 故障现象描述

该型辅助动力装置在正常大气条件下起动成功，但在低温条件下起动时，经常出现超温、转速悬挂和喘振等现象。测试数据显示转速在26%左右时上升缓慢，在30%～40%之间时，涡轮出口温度急增至600℃以上，并伴随有“放炮”声，超出技术说明书对起动时涡轮出口温度急增值的限制值，故拉停发动机。喘振后冷运转，转速在30 s内可以达到20%；再次起动时，发动机参数满足设计要求，起动成功。初步认为该故障是由环境温度过低造成的。于是在每次起动前对APU舱或者其附件进行加温，而后起动成功。

3 故障分析及排除

APU的起动过程是使APU转子从静止状态过渡到稳定工作状态的加速过程。在这个过程中，APU能否在规定时间内达到规定转速而进入稳定工作状态，主要取决于APU转子在起动过程中所获得的功率大小。这个过程通常分为3个阶段：冷运转阶段；起动机与涡轮共同带转阶段；涡轮单独带转到慢车状态[1]。根据各阶段的特点，判断故障的原因。

在第1阶段，转速和空气流量相当小，如果喷油点火则产生的高温会烧坏涡轮叶片，故燃烧室不喷油不点火，因此在该阶段，转子靠起动机带转。当带转到某一小转速时，由程序控制开始向燃烧室喷油点火。冷运转主要靠起动机功率来克服压气机所需功率，也就是靠起动机剩余功率带动转子，起动机的功率越低则使起动时的剩余功率越小，加速缓慢，剩余功率越大带转越快[2]。根据试验现象，冷转转速达到技术要求，则说明起动机的功率足够，故障不会在这一阶段发生。

在第2阶段，从涡轮发出功率（即喷油点火时）到起动机脱开，其转速约在10%～50%之间。当转子加速到大于最小平衡转速后，涡轮功率已大于压气机功率，此时起动机可以脱开；但为确保可靠起动和缩短转子加速时间，起动机还要继续工作。当涡轮功率已足够大时，起动机可以退出工作。而转子转速在26%左右时上升缓慢，然后超温，很明显故障发生在这一阶段。在这一阶段，起动机和涡轮共同带动转子转动，除起动机脱开过早之外，还有起动供油量和供油速率、点燃和燃烧效率、燃气温度，以及压气机、燃烧室、涡轮工作的可靠性和稳定性、涡轮功率等因素造成起动失败。以下通过对该型动力装置起动过程的原理分析来确定故障的具体位置。

此辅助动力装置是1种小型涡轮喷气发动机，其起动、加速、运转在电子控制系统的控制下自动完成。起动系统由发电机、供油部分、点火装置和电气设备组成。从起动瞬间直到转子转速达到60%～70%，可控分流活门通过导管向集气室放气活门的气动活塞组传递操纵压力，改变集气室放气活门的活门开度，并使压气机Ⅱ级放气活门的进气导管与大气连通。当APU转子转速增大时，由可控分流活门送到集气室放气活门的操纵压力也不断增大。当转速上升到30%～40%时，集气室放气活门的活门开度由原来的全开逐渐变小，从而减少从集气室来的放气量。此时放气活门处在放气状态，扩大了压气机稳定裕度，为起动补油提高燃气温度和缩短起动时间提供了有利条件。

根据该动力装置的工作原理分析造成此故障的原因可能包括以下几种情况。

（1）起动机脱开过早，涡轮产生的功率还不足以满足发动机所需功率，引起起动失败。

（2）集气室放气活门受温度影响卡滞，在短时间内打不开，使得放气量减少，发生喘振，也可能是集气室放气活门开度的大小和开闭时机不对。

（3）大气条件的改变影响了起动供油规律，电子控制系统调整供油不当，不能满足起动时的需要。

起动过程中的几个关键附件是集气室放气活门、分流活门和温度调节器。起动时，压气机Ⅱ级放气活门和集气室放气活门由电磁活门和可控分流活门控制。起动时，分流活门与电磁活门配合，来控制压气机Ⅱ级放气活门开关和集气室放气活门的开度，从而使压气机工作稳定，不会发生喘振。温度调节器会根据外界气温的变化，自动改变动力装置第1起动输油圈内的燃油，其主要部件为热敏元件和回油活门，当温度升高时，热敏元件使回油活门开度增大，从而使第2起动输油圈内的燃油压力下降；温度降低时上述过程正好相反。

通过不断地调整以及更换这些附件进行起动检查，故障依未排除。由此认为该故障应该不是由附件本身或者空气系统的进气和放气量引起的，可能是由供油和点火造成的。

起动供油部分由起动燃油泵、第1起动燃油管电磁活门、第2起动燃油管电磁活门、温度调节器、第1起动燃油管、第2起动燃油管、单向活门和起动喷嘴（第1起动燃油管连接4个起动喷嘴，第2起动燃油管连接8个起动喷嘴），以及起动空气泵组成。起动空气泵在APU起动时给起动燃油喷嘴供气，帮助燃油雾化。

燃油系统的工作时序是从起动按钮按下第3 s时使第1电磁活门打开供油；第4 s时使第2电磁活门打开供油；第8 s时，使主燃油电磁活门打开供油。当起动第44 s时使电磁活门断开，这时只有主燃油电磁活门供油。当正常停车和自动停车时，控制系统断开，主燃油电磁活门停止供油。

起动成败的主要参数变化特性曲线如图1、2所示。根据起动供油规律从按下起动按钮3s后第1起动油路开始供油，在第4s第2起动油路开始供油。图1中在第3s时，转速突升至20%，在第4s时，转速开始下降，而后缓慢上升，在30～40s之间转速上升幅度较大，温度急增，因超温、喘振而停车，这个过程中转速有2个峰值。而在图2中，转速上升一直比较平缓，没有峰值，在第3、4s转速差别不大，在第8s时转速达20%，在第20s时涡轮出口温度达到最大值。结合供油规律，对比图1、2，该故障发生原因可能有以下几个。

（1）起动供油过量，供油速率过快或供油过早都会造成起始段转速有峰值，起动过程不稳定，而使起动失败。

（2）大气温度较低，燃料黏度增大，雾化质量也变差，起动空气泵燃油雾化效果不好，导致转速上升较为缓慢，在规定时间内达不到要求，与系统的供油规律不协调。

（3）在第4 s转速下降可能是第1、2起动油路供油的时间差不符合技术说明书的要求，第2起动油路供油时间延迟，转速上升较为缓慢。

对于第1个原因，起动供油过猛，造成起动过程油气比过高，导致起动时间过短。燃烧室内的气体温度在短时间内迅速上升到很高温度，经涡轮膨胀作功后仍然具有很高的焓值，使得涡轮出口气温度超出规定限制值，出现超温现象。所以要排除此故障就要调整起动过程的油气比；也可通过改变发动机空气流量来调整油气比，以排除涡轮出口温度过高的故障[1]。

此外，涡轮出口温度急增值会受起动时间的影响，可以通过调整起动时间供油调整钉来延长加速时间，或减小涡轮出口温度急增值，增加起动时间，减小供油量。

对于第2个原因，环境温度对地面起动的影响有可能是温度较低使得燃油雾化性能变差，转子转动加速慢，使在燃烧室内形成稳定火源的条件变差。但是，供油系统喷出的燃料所形成的混合气被火源点燃和形成稳定火焰所需的时间，却随着大气温度的降低而延长。从而使涡轮参加工作的时间推迟，起动过程所需的时间延长[3]。

为了验证以上分析，检查起动空气泵和调整供油规律，再次起动，故障仍然没有消除，故考虑可能是第3种情况。通过测量电磁阀的供电电压建立第2起动油路油压，来确定第2和第1起动供油的时间差。但这个时间差理论上是由凸轮机构来控制程序机构实现的，较难改变。尝试更换第2油路起动供油电磁活门后，起动成功，经检查发现第2起动油路电磁阀在低温工作环境下工作不稳定，造成第2油路供油不稳定，造成起动失效。

4 结论

起动系统是动力装置中发生故障较多的1个系统。当故障发生后,要综合考虑影响起动的各种因素一一排查和分析,尽早确定故障。为了使动力装置在各种复杂的自然环境中能按设计程序安全、可靠地起动，首先要准确判断起动现象和加速率，确定问题出在前期还是后期，再确定调整部位；最后调整量值的控制是关键，尤其是起动供油规律和供油量的调整，供油规律往往是一定的，这时供油量的适当调整就显得非常重要。此外，在使用维护过程中,要及时掌握定期检查发动机的工作情况和变化规律,加强经验积累,确保发动机在寿命期内安全可靠地工作[4]。当大气条件改变时要及时调整影响起动性能的有关参数，确保起动可靠性。

[1]李树人.航空燃气涡轮发动机工作特性试验分析[M].西安：中国飞行试验研究院，2008.

[2]张绍基，邴连喜，等.涡扇发动机起动和加速规律的研究及应用[J].航空发动机，2007（增刊 1）:59－63.

[3]李冬兰.涡轮螺旋桨发动机地面起动试验方法及其特点[J].飞行试验，2001，17（1）：21-24.

[4]张健，徐太文.某型飞机发动机地面起动故障解析[J].沈阳航空工业学院学报，2004,21（4）:15-16.