一起GTCP131-9B型APU排氣溫度分布不均勻故障的分析與排除

■ 張博才 李陽(yáng) 劉鵬搏 劉昕/1中國(guó)南方航空公司沈陽(yáng)維修基地 2中國(guó)南方航空公司工程技術(shù)研究中心

GTCP131-9B型APU用于波音737NG系列飛機(jī)，以恒定48800rpm的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，在地面和空中為飛機(jī)提供穩(wěn)定的氣源和電源。發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度（EGT）是APU實(shí)際監(jiān)控工作中最常用的氣動(dòng)熱力性能參數(shù)，是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常與否的重要參數(shù)。導(dǎo)致GTCP131-9B型APU的EGT差值過(guò)大故障的原因通常有兩個(gè)：APU核心機(jī)內(nèi)部（如渦輪、靜子等）故障和燃油系統(tǒng)外部件故障。本文只討論由燃油系統(tǒng)外部件故障引起的EGT差值過(guò)大問(wèn)題。

1 系統(tǒng)原理介紹

131-9 B型APU燃油系統(tǒng)的功能是在APU所有運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下為APU提供燃油供給和控制，以使APU在恒定轉(zhuǎn)速下為飛機(jī)提供氣源和電源，并為IGV作動(dòng)器和防喘活門(mén)提供伺服燃油。

131-9 B型APU的燃油系統(tǒng)由以下主要部件構(gòu)成：燃調(diào)組件（FCU）、燃油分配器、主副燃油總管和噴嘴、余油活門(mén)和相關(guān)管路，如圖1所示。燃油系統(tǒng)其他部件，如IGV、SCV等與EGT差值問(wèn)題關(guān)系不大，在此不作介紹。

燃調(diào)組件由高壓燃油泵、封嚴(yán)、燃油濾、燃油力矩馬達(dá)、流量計(jì)、溫度傳感器和燃油關(guān)斷電磁活門(mén)組成。燃調(diào)組件通過(guò)一個(gè)V型夾子安裝在滑油泵上，由一個(gè)滑油潤(rùn)滑的花鍵軸驅(qū)動(dòng)。

圖1 131-9B燃油系統(tǒng)主要部件

圖2 燃油分配器工作原理

如圖2所示，燃油分配器安裝在燃調(diào)的出口和APU主副燃油總管之間，燃油流量由一個(gè)球形單向活門(mén)控制，當(dāng)燃油需求增加時(shí)，燃油分配活門(mén)會(huì)在燃油壓力達(dá)到120pisg時(shí)打開(kāi)（108psig時(shí)重置），允許燃油進(jìn)入副燃油總管。這個(gè)動(dòng)作發(fā)生在APU轉(zhuǎn)速達(dá)到30%～40%時(shí)。與此同時(shí)，一個(gè)常開(kāi)的電磁活門(mén)會(huì)在低溫（＜55°F）啟動(dòng)和高海拔（＞25000ft）運(yùn)行時(shí)切斷副油路的燃油供給。

131-9 B有10個(gè)均勻安裝在燃燒室機(jī)匣上的雙節(jié)流孔噴嘴，計(jì)量后的燃油經(jīng)燃油總管分配后由這些噴嘴進(jìn)入燃燒室內(nèi)參與燃燒，用于啟動(dòng)和初始加速的燃油由主噴嘴供應(yīng)。如圖3所示，定位銷(xiāo)用于定位空氣襯套，并使噴嘴準(zhǔn)確地安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上。燃燒室進(jìn)口空氣通過(guò)襯套引入，用于清潔噴射梢，以防止積炭的產(chǎn)生。

余油活門(mén)（節(jié)流孔）位于燃燒室機(jī)匣的最下端，其作用是排出啟動(dòng)失敗后殘留在燃燒室和機(jī)匣內(nèi)的燃油，防止下次啟動(dòng)時(shí)可能的溫度過(guò)高或噴火。

2 故障分析

以APU本體兩個(gè)熱電偶所測(cè)量EGT差值過(guò)大為頂事件，根據(jù)APU系統(tǒng)工作原理構(gòu)建故障樹(shù)，如圖4所示。

圖3 燃油總管和噴嘴

圖4 FTA故障樹(shù)

圖4中X1～Y6代表底事件，其中，X1為傳感器故障；X2為相關(guān)線路損壞；Y1為FCU本體故障；Y2為相關(guān)插頭線路接觸不良；Y3為分配活門(mén)故障；Y4為管路堵塞；Y5為噴嘴按流量分配不當(dāng)；Y6為個(gè)別噴嘴流量、噴角超出手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

故障樹(shù)的定性分析就是求出故障樹(shù)所有的最小割集，以便找出系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)。從實(shí)際工程角度來(lái)看，每一個(gè)最小割集都對(duì)應(yīng)著一種故障類(lèi)型，從圖4可以看出，傳感器數(shù)據(jù)錯(cuò)誤和真實(shí)EGT差值過(guò)大都屬于可導(dǎo)致頂事件EGT差值過(guò)大的故障類(lèi)型，因此，故障樹(shù)最小割集為：

傳感器數(shù)據(jù)錯(cuò)誤= X1+X2；

真實(shí)EGT差值過(guò)大= Y1+Y2+Y3+Y4+Y5+Y6。

3 案例分析

一臺(tái)131-9B型APU進(jìn)行車(chē)臺(tái)測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)：APU可以正常啟動(dòng)并加速到無(wú)負(fù)載狀態(tài)（RTL），此狀態(tài)下，包括EGT差值在內(nèi)的所有參數(shù)均在手冊(cè)規(guī)定范圍內(nèi)。但隨著測(cè)試的進(jìn)行，為APU施加電負(fù)載和引氣負(fù)載后，APU本體兩個(gè)熱電偶測(cè)得的排氣溫度差值逐漸增大。熱電偶和燃油噴嘴的位置如圖5所示，#1和#2為APU本體測(cè)量排氣溫度的熱電偶，1～10分別為APU燃油噴嘴。在MES測(cè)試模式下，#1熱電偶比#2熱電偶測(cè)量的排氣溫度高出115°F，大幅超出手冊(cè)規(guī)定范圍。

根據(jù)上述故障樹(shù)分析法，得到如下排故方案和排故進(jìn)程。

1）首先需要排除因溫度傳感器（熱電偶）故障造成溫度測(cè)量不準(zhǔn)確的可能，因此互換#1和#2熱電偶。互換熱電偶后，兩者差值依舊保持115°F，且溫度高的區(qū)域仍然在B區(qū)域，由此判定傳感器狀態(tài)良好，排氣溫度差值過(guò)大現(xiàn)象是真實(shí)存在的。

圖5 131-9B燃油噴嘴分布情況

2）依次更換FCU、燃油分配器、主副燃油總管后，故障現(xiàn)象依舊，最后將故障原因鎖定在燃油噴嘴。

3）如圖5所示，將燃油噴嘴依次編號(hào)，因5號(hào)和6號(hào)噴嘴在位拆裝較困難，因此將1、2、3、4號(hào)與7、8、9、10號(hào)噴嘴分別編為兩組，對(duì)換兩組噴嘴位置。調(diào)整位置后故障現(xiàn)象依舊存在。此時(shí)懷疑B區(qū)域溫度高的原因是該區(qū)域噴嘴噴油量過(guò)大，因此以在噴嘴測(cè)試中參數(shù)合格但流量偏低的噴嘴來(lái)替換7、8、9、10位置的噴嘴，但故障現(xiàn)象并沒(méi)有消失。最終將排故重點(diǎn)鎖定在5號(hào)和6號(hào)燃油噴嘴，更換5號(hào)和6號(hào)噴嘴后，故障現(xiàn)象消失，MES測(cè)試模式下，溫差保持在20°F以內(nèi)。

經(jīng)燃油噴嘴測(cè)試臺(tái)測(cè)試，5號(hào)燃油噴嘴流量明顯高于手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)且霧化情況不好。分析認(rèn)為，5號(hào)燃油噴嘴燃油流量過(guò)大且霧化不好，造成該區(qū)域燃油燃燒不充分，導(dǎo)致5號(hào)燃油噴嘴附近排氣溫度較低。而APU為了維持恒定轉(zhuǎn)速會(huì)加大噴油量，從而使其他區(qū)域溫度升高，進(jìn)一步加大了排氣溫度分布不均勻的情況。因#2熱電偶的測(cè)量位置與5號(hào)燃油噴嘴造成的影響區(qū)較近，故導(dǎo)致#2熱點(diǎn)偶測(cè)量到的溫度值明顯低于#1熱電偶。

4 結(jié)論

在排除由噴嘴原因造成的EGT差值過(guò)大問(wèn)題時(shí)，不應(yīng)只關(guān)注溫度高一側(cè)的噴嘴情況，同時(shí)還應(yīng)考慮溫度低一側(cè)噴嘴是否存在故障情況。如上述故障案例中，流量異常的噴嘴恰恰出現(xiàn)在排氣溫度低的一側(cè)。