一起APU 喘振故障分析及检测工装设计

■ 李献凯 谢仲阳 王海宽/ 中国南方航空股份有限公司工程技术分公司沈阳基地 2 南航工程技术中心

1 故障现象

辅助动力装置（APU）是安装在飞机尾部的小型燃气涡轮发动机，在地面或空中为飞机提供电源，还为发动机起动或客舱空调提供气源保障。

某航空公司修理厂在对波音737 型飞机中131-9B 型APU 进行整机翻修时发现：APU 出厂前试车，正常起动后一切参数正常，但在高负载T0009 测试点（MES+96KW）会出现无规律的异常的“放炮”喘振声，其他测试点均正常。通过位置判断喘振声发生于动力段，停车重新起动后仍然出现高负载时动力段喘振现象。该故障现象为首次出现，修理厂通过一系列分析和判断，成功排除故障并找到了更好的检查办法，为提高APU 修理质量提供了参考。

2 故障分析

针对上述喘振现象，修理厂对试车台及相关传感器进行检查评估，排除试车台故障；更换APU 上相关的外部件（LRU 航线可更换零件）后故障仍然存在，排除LRU 部件损伤可能。初步判断故障原因是APU 内零件故障或零件间装配关系不匹配。决定重新分解APU，对相关零件进行详细检查，对相关零件的装配间隙进行重新分析。

2.1 相关零件配合间隙检查。

分解APU 后，对照此前装配时的零件配合间隙表、维修记录等资料进行重新检查，所有配合尺寸均无异常，各级调节垫片尺寸均满足手册标准，动力段、负载段压气机（P/S、L/C）和涡轮也没有任何刮磨现象，因此基本排除因装配不当引起喘振的可能。

2.2 相关零件的重新检查

针对动力段喘振现象，重点检查涡轮、压气机叶轮、内机匣、扩散器等零部件。

1）一、二级涡轮。APU 中这两个部件均为全新航材可用件，经检测尺寸符合手册要求，试车前后无任何损伤。

2）动力段叶轮。动力段叶轮属于时寿件，该叶轮虽不是全新件，但TSN/CSN（总使用时间/总使用循环）满足厂家极限时间30000h 的要求。根据手册检查叶轮叶片无磨损、腐蚀、打伤等损伤。对比OEM 相关数据参数，叶型符合手册标准。

3）动力段内机匣。无刮磨涂层掉块等损伤，根据手册检查相关数据，结果均在手册要求范围内。

4）动力段扩散器。该件为修理厂家刚刚修理完成的航材件，测量安装边平面度在手册要求范围内，重新检查主叶片，叶片切面较平整。手册中对叶片的检查标准为：叶片前缘允许刻痕、磨损的最大损伤值为0.67mm，风蚀的最大损伤值为0.51mm。但是主叶片前缘处于密闭空间内，且空间狭小，普通测量工具无法进入以对叶片损伤值进行测量（见图1）。通常情况下，叶片前缘上部和下部由于气流流速不同导致的风蚀量不同，会产生一个风蚀的斜面（见图2），工作者一般通过对比叶片上下风蚀量的差值来判断是否达到0.51mm 标准。观察到故障叶片叶根处疑似有3mm缺陷，但前缘较平整，无法直观判断出叶片是否风蚀或变短。修理厂使用一标记尺寸的长杆从叶片后缘探入叶片空间（见图3），对比发现该扩散器中不均匀分布的7 片叶片相比其他大部分叶片短2 ～3.5mm，初步推断此为疑似故障源。后与扩散器修理厂家联系，确定该扩散器叶片进行过打磨修理，但因工作疏忽打磨后并未对叶片尺寸进行修复。

图1 131-9型APU动力段扩散器

图2 常见的叶片风蚀

图3 故障APU扩散器

结合其他零件的检查结果，修理厂认为动力段扩散器叶片变短是导致本次喘振的主要原因，决定只更换该件，重新回装APU。装配完成后再次试车，一切正常，故障排除，APU 成功出厂。

3 检查工装的设计

为了解决无法直接用常规测量工具检查叶片损伤值的难题，修理厂设计了一种操作方便且易于观察的检查工装，可以快速准确地判断出扩散器叶片损伤值是否超过手册标准。虽然该工装是为动力段扩散器设计，但负载段扩散器的功能和构型与动力段扩散器相似，因而也可以推广至负载段扩散器的检查。

3.1 设计过程

研究扩散器的结构发现，扩散器叶片前缘由于处于环形内壁内，从前缘直接测量难度较大，但叶片与叶片之间有一条狭长的空间，且叶片边为直线，因此可以设计一个标准测量杆，从叶片后缘伸入扩散器即可对比出叶片是否变短，需要注意的是测量杆长度应为手册要求的叶片标准长度。

从零件设计厂家和修理厂家处获得标准叶片长度，根据标准叶片长度制作了一个对比标杆。由于手册提到风蚀损伤小于0.51mm的叶片前缘可继续使用，在该检查工装前缘0.51mm 处加工一切口作为第一标杆，作为检查叶片风蚀是否可用的依据。手册中还提到当叶片损伤小于1.27mm 时可通过手工打磨去除损伤的方法来修理，因此在该工装顶端至1.27mm 处加工第二个切口台阶作为第二标杆，以判断叶片损伤是否超出打磨可修理极限，也可用于判断是否是打磨修理后的合格零件。

为了确保测量的准确性，在工装叶片根部根据扩散器大圆直径设计一圆弧，将工装固定于叶片根部。在圆弧上方测绘出测量叶片至上一叶片的切线距离，在此距离上设计另一卡块，深入上方叶片，该卡块用于测量时固定工装，防止工装在测量时有轴向和周向的位移。工装设计图如图4 所示。

图4 工装设计图

3.2 工装使用

如图4、图5 所示，该工装使用时需从扩散器叶片后缘将测量杆（图4 中18）深入扩散器叶片之间，使圆弧面（图4 中13）紧贴在扩散器的外圆轮廓上，且测量杆紧贴在叶片背部。通过对比第一标杆0.51mm（图4 中16）、第二标杆1.27mm（图4 中17）的位置与扩散器叶片前缘的相对位置，得出检查结论。若只露出第一标杆而未露出第二标杆，代表零件风蚀量小于0.51mm，零件可用；若第二标杆露出一部分但未完全露出，表示该部件已风蚀超标、零件不可用，但可进行打磨修理；若第二标杆已完全露出，代表零件不可用，且损伤超出叶片打磨修理极限，需更换叶片。

图5 工装使用

3.3 工装优点

与现有检测方法相比，本设计具有以下优点：

1）通过视觉，直观比较扩散器主叶片与测量杆、第一标杆和第二标杆之间的关系，可以快速、精准判断出主叶片损伤情况，从而快速判断零件是否可用，还可判断出主叶片是否需要修理、需采用什么方式修理等，节省了检查时间，提高了工作效率。

2）可以精准判断出故障类型，相比仅用肉眼观察更加可靠，有效提升零件检查质量，保证整个APU 维修质量。

3）工装设计新颖实用、操作简单、易学易用，节约了学习成本和时间成本。

4）通过对零件状态的准确判断，减少了零件的错漏检现象，节省了APU的维修成本。

5）此应用可推广至所有类型的APU 扩散器，还可推广至发动机扩散器。

4 结论

通过对一起APU试车故障的分析，得出动力段扩散器叶片部分变短尤其是不均匀变短可能导致APU 整机喘振现象，该故障现象主要发生在高负载阶段。设计了一套合理的检查工装，填补了该部件检查中的漏洞，大幅提高了部件检查的效率和质量。下一步将采用建模和数据分析等方法，着重研究不同扩散器叶片长度对APU 性能的影响。本研究验证了严格把控民航维修检查标准的重要性，可为APU 维修行业发展提供一定的指导。