GTCP36-150[CY]型APU起动失败故障排除与分析

2022-07-05夏燕腾

西安航空学院学报 2022年1期

夏燕腾

(1.中国飞行试验研究院,西安 710089；2.中飞通用航空有限责任公司，西安 710089)

0 引言

辅助动力装置(Auxiliary Power Unit, APU)是不依赖任何机外能源、自成体系的小型动力装置。当飞机在地面时，APU可为飞机提供电源和压缩空气；当飞机在空中飞行时，APU作为应急动力源为发动机重新启动提供动力。APU在飞机维护中故障率较高，因此对APU故障诊断分析具有重要意义。

近年来，研究和工程技术人员对波音飞机和空客飞机做了大量的APU故障诊断分析工作。随着国产飞机投入运营数量的不断增多，其APU故障诊断分析工作也越来越重要。

MA60飞机是我国国产50～60座级的双涡轮螺旋桨发动机支线客机，安装的是可靠性高的GTCP36-150[CY]型APU。根据最大MA60飞机运营商幸福航空公司统计资料，该型号APU平均非计划拆换间隔时间为11 625.39飞行小时，机务人员在日常工作中很少接触该型APU故障，一旦APU出现故障，机务人员不能立刻制定出有效的排故措施，达到快速定位故障部件的目的。本文结合MA60飞机APU起动故障案例，对故障机理进行深入剖析，梳理可能的故障原因，并将排故过程中遇到实际问题给出切实可行的外场验证方法。

1 故障描述及故障排除过程

1.1 故障描述

APU故障具体情况为：地面两次起动，均未成功。第三次起动，也未能成功，起动过程中观察到起动发电机正常运转，转速指示器显示APU转速达25%，温度指示器指针全程停止在零位(无温度显示)，尾喷管处有雾状燃油逸出，且起动过程未听到明显的点火塞放电点火声响。

1.2 故障排除过程

根据上述现象，初步判断APU点火系统未工作。依据MA60飞机线路手册(AWM)：(1)分别测量APU电子控制装置(ECU)至点火装置低压输入电气插头线路、点火电缆，排除点火系统线路故障；更换ECU、点火装置、点火塞后排除ECU、点火装置、点火塞故障；(3)断开机上APU防火开关及APU燃油关断活门电气插头并在做好安全防护的前提下，将点火塞拆出，起动APU检查点火系统，观察到点火塞端部有电火花。至此，可以断定点火系统工作正常。接下来，故障排除转向供油系统。在分别确定燃油切断开关、燃油流量分配器、燃油喷嘴等工况良好后，更换了燃油调节器(FCU)后故障排除。该故障的排除经历环节多，耗时长，为避免出现类似情况，对故障做进一步分析，以便为后续的同型号APU维修工作提供借鉴。

2 APU起动系统工作原理

GTCP36-150[CY]型APU是一种涡轮喷气发动机，本质上是一台自备式动力源，只要供有运转时所必须的燃油和电源，其起动、加速、运转就在其控制系统的自动控制下进行。

在起动APU时，起动发电机通过减速齿轮箱带动压气机和涡轮转动部件、滑油泵和燃油调节器旋转。当APU转速达到10%时，ECU接通燃油切断电磁活门、防喘活门和点火装置电路，燃油电磁切断活门通电打开后，燃油进入燃油喷嘴组件，点火塞点火，引燃燃烧室中的油气混合物。APU继续加速，当转速达到50%时，ECU断开启动继电器电路，起动发电机停止工作。当APU转速达到50%以上时，压气机的排气压力打开防喘活门，排掉部分压缩气体，防APU喘振。APU转速达94.5%时，ECU断开通向点火装置的电路，接通小时表电路，记录APU工作时间，APU进入正常持续工作状态。

APU起动控制电路原理如图1所示，APU燃油控制系统方框图如图2所示。

3 故障分析

3.1 故障诱因及故障部位

由前述APU启动系统工作原理及图1和图2可知，APU要成功点火起动主要决定于：(1)相关电气线路正确可靠连接；(2)点火系统和燃油系统各相关执行部件工作正常；(3)ECU发出控制点火系统和燃油流量的信号正确输出；(4)为ECU点火起动提供输入信号的各相关传感器工作正常。

图2 燃油控制系统方框图

根据上述因素，对照该型APU起动系统线路图、燃油控制系统逻辑以及APU主要部件构成梳理出以下可能的故障部位，并按照由简入繁的排故原则逐项对其进行检查：

(1)导线缺陷故障(即相关电气线路存在短路、断路、非正常接地等故障)；

(2)点火系统故障；

(3)转速传感器故障；

(4)ECU故障；

(5)燃油关断活门故障；

(6)燃油喷嘴组件故障；

(7)燃油流量分配器故障；

(8)燃油调节器故障。

3.2 故障隔离及验证方法

针对以上8种可能故障部位，机务维修人员分别进行了相关项目的逐项排查。对于线路类故障通常采用测量仪器检查进行隔离验证；对于成品部件类故障通常采用更换或APU手册规定的检查方式进行验证。

3.2.1 导线缺陷故障检查

根据图1，分别使用检测仪器检测如下线路：(1)ECU P2插头与点火装置之间的导线M544-20和M545-20；(2)点火装置523M与点火电嘴524M之间的点火电缆；(3)ECU P2插头与转速传感器之间的导线E509-20和E510-20；(4)ECU P2插头与FCU的燃油控制活门扭矩电机519M之间的带屏蔽层导线M536-20和M537-20；(5)ECU P2插头与喘振活门520M之间的导线M538-20和M539-20。经检测，上述线路导通正常，无断路、短路及接地故障，排除电气线路缺陷诱发APU起动故障的可能性。

3.2.2 点火系统故障检查

将故障飞机上的点火装置、点火电缆、以及点火塞分别逐次串装至正常工作飞机上起动APU进行故障检查。为确认具体故障部件，每次只用1个待检部件，结果无故障飞机APU三次均能正常起动，可排除了点火系统故障。

应该指出的是，不建议将无故障新的成品件直接安装至故障飞机试车检查故障，其主要原因在于故障飞机原因未明情况下串用新成品件，可能会导致成品件损坏，下述其他的疑似故障件也采用类似方法进行验证。

3.2.3 转速传感器故障检查

测量转速传感器插针A和C之间的电阻值，阻值满足相关要求。测量插针B与传感器壳体之间的电阻值，阻值小于接地电阻允许的最大值，满足要求。结合起动过程中观察到的APU尾喷管处有雾状燃油喷出，余油排放口有油液排出，确认ECU已接收到转速信号，在APU转速为10%时ECU给燃油切断活门供电使其工作，故可排除转速传感器故障。

3.2.4 ECU故障检查

ECU串装至正常工作飞机上APU成功起动，由此可排除ECU故障。

因在APU起动过程中未听到明显的点火声音，机务人员认为APU未成功起动是点火系统没能正常工作导致的，为此将故障检测重点放在点火系统上。机务维修人员决定接下来对点火系统进行直观检查，具体做法是将点火塞从APU燃烧室拆出，切断APU燃油供给(通过切断防火开关、断开燃油关断活门电磁阀电气插头实现)，在做好安全防护措施的前提下，直接观察点火塞点火情况，结果未见异常。

至此可确认点火系统工作正常，后续的故障检测由点火系统转为供油系统。

3.2.5 燃油关断活门故障检查

在APU起动过程中观察到尾喷口有雾状燃油逸出，余油排放口有油液排出，可以确定燃油关断活门已打开工作。为进一步进行确认，机务人员使测量燃油切断活门A和B插针间的电阻值，结果表明与正常起动的阻值接近，可排除燃油关断活门故障。

3.2.6 燃油喷嘴组件故障检查

拆下APU上的6个燃油喷嘴，检查燃油喷嘴的工作情况，结果显示燃油雾化良好，喷洒图形质量、角度及流速均满足要求，排除燃油喷嘴组件故障。

3.2.7 燃油流量分配器故障检查

使用压缩空气检查流量分配器。在压力低于30磅/平方英寸时，压缩空气不流过主油路接口，只流过副油路接口。压力高于30磅/平方英寸时，压缩空气均流过主、副油路接口，满足要求，排除流量分配器故障。

3.2.8 燃油调节器故障检查

该设备不能进行在位检测，故将待检燃油调节器串装至正常起动飞机进行检查，结果APU未正常起动，可知燃油调节器可能发生故障。拆卸后继续检查发现燃油调节器驱动轴需要借助工具才能转动，而可正常起动的APU燃油调节器驱动轴徒手可以转动。为进一步加以确认，将正常工作的燃油调节器安装至故障飞机APU上，APU正常起动。图3所示为故障燃油调节器的整体外观和驱动轴部位的细节结构。由图3可见，燃油调节器的整体外观及驱动轴细节部分未见明显异常，根据其工况，更换新的燃油调节器，至此APU起动故障排除。

图3 故障燃油调节器：整体(左)；驱动轴(右)

3.3 故障原因分析

APU起动需要解决两个核心问题：一个是点火；一个是供油。在点火系统工作正常，燃油传输管路及燃油喷嘴雾化良好的情况下，APU起动的不同阶段所供给的燃油流量显得尤为重要。在起动初期，由于点火塞放电能量较小，此时以最小燃油流量供给，防止“富油”熄火。随着发动机转速的提高，点火塞放电能量增加，燃油流量也应逐步提高，防止“贫油”熄火。

GTCP36-150[CY]型APU燃油流量具体控制逻辑为：ECU输出0～10 V可变电压调节信号控制燃油控制器力矩马达工作，力矩马达将接收的电压调节信号变换为0～200 mA直流可变激励电流，控制燃油调节器内部计量活门开度，从而达到控制流量的目的。

根据前述的故障排除经过及APU起动控制逻辑可知，本次APU未能起动是由燃油调节器故障引起的。燃油调节器内部故障导致该部件不能按照控制逻辑要求执行ECU发出的指令，燃油流量无法控制在合理水平，致使APU起动失败。