APS3200型APU自動停車故障分析

■ 劉鵬博 劉昕 張博才/1中國南方航空公司沈陽維修基地 2中國南方航空公司工程技術中心

0 引言

筆者統計了國內某航空公司2016年1月至2019年2月期間所有關于APS3200型APU航線辦理MEL保留的共計5841條記錄，其中與自動停車故障相關的記錄共計1046條，約占總故障數的17.9%。同時，統計國內某APU修理廠近10年所有APU（總數1094臺次）進場維修原因后發現，直接與自動停車故障相關的共計54臺次，約占總數的4.9%。根據以上數據可以看出：1）裝機使用的APU中自動停車故障在所有故障中的占比較大；2）多數的自動停車故障可以通過在位排故解決。本文對該型APU自動停車故障進行詳細分析，以提高在位排故的效率。

1 APS3200型APU簡介

APS3200型APU主要安裝于空中客車A318/A319/A320/A321系列飛機，按照結構可劃分為動力段、負載段和齒輪箱三個單元體。動力段主要由燃燒室、壓氣機和渦輪組成；負載段主要由負載葉輪、可調進氣導向葉片和蝸殼組成；齒輪箱單元體內部有多個傳動齒輪，用以驅動其內部及外部安裝的APU附件。

APU從通電到起動運轉，至最后停車斷電的工作過程如圖1所示。APU通電后進入監控階段，按下起動按鈕后，與APU有關的飛機部件開始作動（如APU進氣門打開，燃油壓力低活門打開等），為APU起動做準備，起動機帶轉APU，APU點火系統和燃油系統工作，APU點火后對渦輪做功，與起動機形成合力共同加速APU，直到APU達到自維持轉速后，起動機在離合器作用下從APU脫開，APU依靠本身燃氣做功，繼續加速至額定轉速。起動完成后，APU進入恒速運轉狀態，可以向飛機提供電源和（或）氣源。當接收到停車指令后，APU進入停車前冷卻階段，此階段持續時間為0～2min，試停車前APU引氣負載情況而定（在此冷卻階段可以手動按下“APU ON”按鈕取消停車）。停車冷卻階段結束后，APU自動進入停車階段，切斷燃油，APU轉速逐漸降低至0，最后APU斷電。

2 自動停車故障現象及原因分析

APU自動停車是基于自我保護目的，屬于保護性停車，因此引發自動停車的原因一定是危及APU自身安全的因素，必須通過停車才能避免可能造成的嚴重后果。

圖1 APS3200正常工作循環示意圖

表1 APS3200型APU自動停車原因統計

表1是該航空公司裝機使用的APS3200型APU2018年9月～2019年2月發生自動停車故障的報文統計數據，共計625次。下面按照表中故障原因發生次數由高到低的順序，對自動停車故障進行分析。

2.1 起動過程中不加速或加速緩慢

結合上文的APU工作循環介紹可知，APU點火后的起動加速階段，轉子加速所需動力來源有兩個，分別為直流起動機輸出和APU點火后燃氣驅動渦輪產生的扭矩。轉子加速阻力主要包括：轉子轉動摩擦力；轉子驅動附件阻力（如驅動冷卻風扇、燃調組件、滑油泵等）；葉輪氣動阻力（主要由壓氣機阻力和負載葉輪阻力兩部分組成）。

APU主動降低起動負載的方法：一是在轉速＜55%的階段，通過除油活門將滑油旁通來降低滑油泵的阻力；二是在整個起動加速階段，進氣導向葉片（IGV）應處于82°全關位，降低流經負載葉輪的空氣流量，起到減小起動負載的目的。

當動力和阻力的差值低于APU正常加速的最低需求時，APU將出現不加速或加速緩慢故障，最終導致自動停車。造成此故障的可能原因如下：

1）起動機故障

起動機無法提供合格動力，直接導致此故障發生。

2）渦輪效率下降

燃氣對渦輪做功效率下降，導致此故障發生。多見于裝機使用時間長的APU。

3）除油活門故障

如果除油活門出現故障，將導致除油活門在APU起動加速初期通電，將進入滑油供油泵的滑油旁通，從而降低起動負載。

4）IGV或進氣導向葉片作動器（IGVA）故障

在APU起動加速階段，IGV角度應為82°全關位，以降低流經負載葉輪的空氣流量，降低起動負載。若IGVA故障或IGV葉片卡阻，將導致IGV無法關閉而造成此故障。

5）FCU故障

FCU執行電子控制盒（ECB）的供油計劃，FCU故障可能導致燃油流量低，使渦輪輸出動力降低，引發此故障。同時，FCU為IGVA提供伺服燃油，FCU故障也可能導致IGV角度異常，引發此故障。

2.2 不點火

APU點火前轉子的加速全部依靠直流起動機輸出的扭矩，如果起動機帶轉APU約20s后仍未點火，APU將自動停車，此設定的意義在于保護起動機。APS3200型APU起動機為直流起動機，起動過程中工作電流峰值可達500A左右，發熱量很大。起動機的冷卻方式為自然散熱，如果長時間通電工作，起動機極易燒毀。

點火系統在燃燒室中使用高能電火花點燃油氣混合氣。根據起動程序，APU轉速在7%～95%時，ECB全權控制整個點火系統[2]。

造成點火失敗的原因主要有兩個方面：一是燃油供給異常，在燃燒室內形成貧油/富油，造成點火失敗；二是點火系統故障，包括點火電嘴、點火導線、點火激勵器等。點火激勵器的工作方式為電容放電，如果更換為新的庫存較久的點火激勵器或庫存時間較長的APU，點火激勵器內部電容已無儲存電能，首次起動時就有可能出現點火失敗情況，這屬于正常現象。如果連續起動失敗，應注意檢查點火電嘴是否已被噴出的燃油浸濕，浸濕后也會影響點火功能。

2.3 超速

APU超出允許轉速范圍時，壓氣機壓縮空氣能力改變，導致燃燒狀態改變，可能對APU造成嚴重損傷；APU部附件（如燃調組件、冷卻風扇等）轉速改變，可能無法實現各自的功能；APU發電機轉速改變，導致發電機輸出頻率改變，影響飛機電網上其他的用電設備。

APS3200型APU的額定轉速為49300rpm，ECB通過兩個轉速傳感器來監控APU的轉速。當轉速高于額定轉速的105%或低于額定轉速的95%時，APU將自動停車。同時，冷卻風扇內的PMG向ECB提供一路未經整形的信號作為備用超速信號，其上限設為107%，一旦超出此范圍，APU將自動停車。ECB通過監控兩個轉速傳感器的轉速信號，向執行機構FCU輸出指令，控制供油邏輯，從而達到控制APU轉速的目的。轉速控制邏輯圖如圖2所示。

圖2 APS3200轉速控制邏輯圖

出現轉速故障的原因有以下幾種。

1）ECB故障。導致供油邏輯錯誤，出現轉速故障。

2）轉速傳感器故障。APS3200型APU安裝了兩個轉速傳感器，各自獨立測量并將轉速信號傳輸至ECB，ECB算出兩個轉速傳感器的平均值，作為APU的真實轉速參與控制計算。當兩個轉速傳感器測量的轉速差值達到或大于5%時，ECB選擇最高的轉速信號。如果一個或兩個轉速傳感器出現故障，導致ECB讀取的轉速信號錯誤，就可能出現因轉速故障而導致的自動停車。

3）FCU故障。FCU作為執行機構，如果故障將使供油計劃無法正確執行，導致轉速故障。

4）冷卻風扇內部的PMG故障。PMG提供的單相未經整形的單路電信號作為備用超速自動停車信號使用，PMG故障可能造成此信號失真，導致自動停車。

2.4 滑油壓力低（LOP）

APS3200型APU滑油壓力調節是通過釋壓活門實現的。釋壓活門內部有機械彈簧結構，可以將系統滑油壓力控制在345～414kPa（50～60PSIG），從而保證滑油壓力相對恒定。LOP電門（滑油壓力低電門）在APU轉速達到100%后開始檢測滑油壓力，當連續10s內滑油壓力低于241kPa（35PSIG）時，ECB將判定滑油壓力低故障，可能造成滑油潤滑、冷卻和清潔功能失效，故命令APU自動停車。

造成滑油壓力低的主要原因：一是壓力探測裝置失效（LOP電門）；二是壓力調節裝置失效（釋壓活門）；三是滑油量低造成的系統供油不足，如滑油泄漏造成的滑油大量消耗；四是內漏或內部封嚴失效造成的滑油壓力建立困難。排故時建議優先檢查系統泄漏情況，然后考慮檢查/更換LOP電門和釋壓活門。

2.5 超溫

超溫即超過允許的排氣溫度上限，過高的溫度會對APU內部部件造成嚴重燒蝕損傷，基于保護APU的原則，超溫情況下必須自動停車。排氣溫度上限值隨APU運轉狀態而變化。在額定轉速下，排氣溫度的上限值為722℃。起動加速階段排氣溫度上限值隨轉速的變化曲線如圖3所示。

APU的排氣溫度與自身效率息息相關，正常情況下的排氣溫度是APU性能監控的一個重要參數，可能直觀地反映其性能優劣。

APU本身有避免排氣溫度過高的措施。ECB通過讀取排氣溫度和進氣溫度壓力信息，計算出該環境條件下應采取措施的作動點，當排氣溫度達到這個點時，ECB命令IGV關小，以此降低流經負載葉輪的空氣流量，為動力段降低運轉負載，從而降低燃油流量，達到控制排氣溫度不超過該計算值的目的，如圖4所示。

造成超溫自動停車的原因如下。

1）熱電偶故障導致排氣溫度指示異常

排氣溫度由兩個安裝在APU排氣通道的熱電偶來測量，ECB計算二者的平均值作為排氣溫度值。當二者溫度指示差值達到121℃或更高時，基于保護APU的目的，ECB選擇信任最高的溫度作為排氣溫度。當某個熱電偶讀數高于1200℃或低于120℃時，會顯示排氣溫度系統故障。綜上所述，若一個或兩個熱電偶出現故障，可能引起ECB錯誤判斷排氣溫度，導致超溫自動停車。

圖3 加速階段排氣溫度上限示意圖

2）IGVA故障

如前文所述，ECB對超溫保護的指令需要IGVA來執行，如果IGVA故障，將導致超溫保護失效，可能造成超溫。

3）FCU故障

FCU有兩個作用，一是向燃燒系統提供壓力合格的經計量的燃油，流量由ECB通過轉速控制邏輯計算得出；二是向IGVA/BCVA提供伺服燃油。如果FCU故障，可能導致IGVA作動異常，從而導致超溫保護功能失效，最終導致超溫故障。

4）內部損傷導致效率下降

對于裝機使用時間較長的APU，由于其自身磨損和燒蝕等原因，燃燒室、渦輪、機匣和渦輪噴嘴的尺寸和配合狀態都發生了不可逆的改變，導致效率下降，容易造成超溫。此外，由于FOD或者疲勞損傷導致的葉片斷裂將急劇降低壓氣機和渦輪效率，從而造成超溫故障。

對于由內部原因導致的超溫，應通過孔探儀檢查APU內部有無損傷。對于使用時間較長的APU，應著重檢查動力段轉子的磨損燒蝕情況；對于使用時間較短的APU，如果突然出現超溫現象，應著重檢查有無FOD跡象，并加強對渦輪和壓氣機葉片的檢查。

圖4 EGT控制邏輯圖

圖5 APS3200型APU自動停車排故決策圖

2.6 ECB失效/飛機APU進氣門無法打開/傳感器失效

ECB是APU的大腦，如果ECB失效，APU將無法正常運轉；飛機APU進氣門無法打開，APU無法獲取足量的空氣，將無法工作。這兩者不是APU本體原因造成的故障，故本文不再贅述。APU有多個傳感器，某個或某幾個傳感器的失效都會造成APU故障，原因指向性不強，本文也不做討論。

2.7 滑油溫度高

滑油在溫度過高時會產生質變，使潤滑和冷卻性能降低，無法滿足APU正常運轉需求，繼續運轉可能引發軸承失效、齒輪磨損以及需油冷裝置（如APU發電機）的損壞等。同時，滑油溫度過高也可能是系統內部軸承失效導致，應立即停車檢查，避免APU受損。

ECB通過齒輪箱后部安裝的滑油溫度傳感器實時監控系統滑油溫度。由于APU發電機工作時發熱量大且為滑油冷卻，所以設置了專門的發電機滑油溫度傳感器。APU系統滑油溫度上限為135℃，發電機滑油溫度上限為180℃，系統滑油溫度高或者發電機滑油溫度超過各自的上限均會導致自動停車。

造成HOT自動停車的原因如下。

1）冷卻風扇葉片折斷/效率下降

該故障將造成滑油散熱器冷卻氣流減少，使滑油溫度冷卻效率下降，從而導致滑油溫度高。

2）滑油散熱器油路污染堵塞

該故障使滑油被旁通，不經散熱器直接供向系統，導致滑油溫度高。

3）滑油散熱器氣路堵塞

該故障使進入滑油散熱器的冷卻氣流流量降低，冷卻效率下降，導致滑油溫度高。造成滑油散熱器氣路堵塞的原因有很多，例如，冷卻風扇漏油，導致下游滑油散熱器氣路積攢大量滑油，粘附空氣中的灰塵后形成油泥堵塞滑油散熱器氣路；我國北方春季常見的大量柳絮也是引發滑油散熱器氣路堵塞的一大因素。

4）系統內部存在軸承失效

軸承失效后轉子和齒輪高速轉動，摩擦產生的大量熱量導致APU滑油溫度高。

5）APU發電機故障

發電機線圈工作時產生大量熱量，導致滑油溫度高。

3 排故決策圖

綜合前文的故障分析，制定APS3200型APU自動停車排故決策圖，如圖5所示。

依照自動停車故障現象，結合排故決策圖的決策思路，可快速鎖定故障根源，使排故準確率和效率大大提高，減少APU故障換發次數，延長APU使用壽命，降低航空公司運營成本。