陳艷艷，申曉霞，于芳芳

（中航工業(yè)中國飛行試驗(yàn)研究院，西安 710089）

1 引言

某型輔助動(dòng)力裝置（AuxiliaryPower Unit，APU）轉(zhuǎn)入新機(jī)場(chǎng)后進(jìn)行地面輔助起動(dòng)時(shí)，頻繁出現(xiàn)超溫和喘振等現(xiàn)象。經(jīng)檢查,懷疑此故障的產(chǎn)生原因是新機(jī)場(chǎng)環(huán)境溫度較低。為此，每次在試飛前需先對(duì)該動(dòng)力裝置加溫起動(dòng)，嚴(yán)重影響了正常的科研試飛進(jìn)度。

為了盡快解除此故障，改善其起動(dòng)性能，提高試飛效率，進(jìn)行了多次地面試驗(yàn)。通過不斷地對(duì)比和分析測(cè)試系統(tǒng)記錄下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，查出故障原因是第2起動(dòng)油路電磁閥工作不穩(wěn)定。

2 故障現(xiàn)象描述

該型輔助動(dòng)力裝置在正常大氣條件下起動(dòng)成功，但在低溫條件下起動(dòng)時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)超溫、轉(zhuǎn)速懸掛和喘振等現(xiàn)象。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示轉(zhuǎn)速在26%左右時(shí)上升緩慢，在30%～40%之間時(shí)，渦輪出口溫度急增至600℃以上，并伴隨有“放炮”聲，超出技術(shù)說明書對(duì)起動(dòng)時(shí)渦輪出口溫度急增值的限制值，故拉停發(fā)動(dòng)機(jī)。喘振后冷運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速在30 s內(nèi)可以達(dá)到20%；再次起動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，起動(dòng)成功。初步認(rèn)為該故障是由環(huán)境溫度過低造成的。于是在每次起動(dòng)前對(duì)APU艙或者其附件進(jìn)行加溫，而后起動(dòng)成功。

3 故障分析及排除

APU的起動(dòng)過程是使APU轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)過渡到穩(wěn)定工作狀態(tài)的加速過程。在這個(gè)過程中，APU能否在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)速而進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，主要取決于APU轉(zhuǎn)子在起動(dòng)過程中所獲得的功率大小。這個(gè)過程通常分為3個(gè)階段：冷運(yùn)轉(zhuǎn)階段；起動(dòng)機(jī)與渦輪共同帶轉(zhuǎn)階段；渦輪單獨(dú)帶轉(zhuǎn)到慢車狀態(tài)[1]。根據(jù)各階段的特點(diǎn)，判斷故障的原因。

在第1階段，轉(zhuǎn)速和空氣流量相當(dāng)小，如果噴油點(diǎn)火則產(chǎn)生的高溫會(huì)燒壞渦輪葉片，故燃燒室不噴油不點(diǎn)火，因此在該階段，轉(zhuǎn)子靠起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)。當(dāng)帶轉(zhuǎn)到某一小轉(zhuǎn)速時(shí)，由程序控制開始向燃燒室噴油點(diǎn)火。冷運(yùn)轉(zhuǎn)主要靠起動(dòng)機(jī)功率來克服壓氣機(jī)所需功率，也就是靠起動(dòng)機(jī)剩余功率帶動(dòng)轉(zhuǎn)子，起動(dòng)機(jī)的功率越低則使起動(dòng)時(shí)的剩余功率越小，加速緩慢，剩余功率越大帶轉(zhuǎn)越快[2]。根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象，冷轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速達(dá)到技術(shù)要求，則說明起動(dòng)機(jī)的功率足夠，故障不會(huì)在這一階段發(fā)生。

在第2階段，從渦輪發(fā)出功率（即噴油點(diǎn)火時(shí)）到起動(dòng)機(jī)脫開，其轉(zhuǎn)速約在10%～50%之間。當(dāng)轉(zhuǎn)子加速到大于最小平衡轉(zhuǎn)速后，渦輪功率已大于壓氣機(jī)功率，此時(shí)起動(dòng)機(jī)可以脫開；但為確?？煽科饎?dòng)和縮短轉(zhuǎn)子加速時(shí)間，起動(dòng)機(jī)還要繼續(xù)工作。當(dāng)渦輪功率已足夠大時(shí)，起動(dòng)機(jī)可以退出工作。而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在26%左右時(shí)上升緩慢，然后超溫，很明顯故障發(fā)生在這一階段。在這一階段，起動(dòng)機(jī)和渦輪共同帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，除起動(dòng)機(jī)脫開過早之外，還有起動(dòng)供油量和供油速率、點(diǎn)燃和燃燒效率、燃?xì)鉁囟?，以及壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪工作的可靠性和穩(wěn)定性、渦輪功率等因素造成起動(dòng)失敗。以下通過對(duì)該型動(dòng)力裝置起動(dòng)過程的原理分析來確定故障的具體位置。

此輔助動(dòng)力裝置是1種小型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，其起動(dòng)、加速、運(yùn)轉(zhuǎn)在電子控制系統(tǒng)的控制下自動(dòng)完成。起動(dòng)系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)、供油部分、點(diǎn)火裝置和電氣設(shè)備組成。從起動(dòng)瞬間直到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到60%～70%，可控分流活門通過導(dǎo)管向集氣室放氣活門的氣動(dòng)活塞組傳遞操縱壓力，改變集氣室放氣活門的活門開度，并使壓氣機(jī)Ⅱ級(jí)放氣活門的進(jìn)氣導(dǎo)管與大氣連通。當(dāng)APU轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大時(shí)，由可控分流活門送到集氣室放氣活門的操縱壓力也不斷增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到30%～40%時(shí)，集氣室放氣活門的活門開度由原來的全開逐漸變小，從而減少從集氣室來的放氣量。此時(shí)放氣活門處在放氣狀態(tài)，擴(kuò)大了壓氣機(jī)穩(wěn)定裕度，為起動(dòng)補(bǔ)油提高燃?xì)鉁囟群涂s短起動(dòng)時(shí)間提供了有利條件。

根據(jù)該動(dòng)力裝置的工作原理分析造成此故障的原因可能包括以下幾種情況。

（1）起動(dòng)機(jī)脫開過早，渦輪產(chǎn)生的功率還不足以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)所需功率，引起起動(dòng)失敗。

（2）集氣室放氣活門受溫度影響卡滯，在短時(shí)間內(nèi)打不開，使得放氣量減少，發(fā)生喘振，也可能是集氣室放氣活門開度的大小和開閉時(shí)機(jī)不對(duì)。

（3）大氣條件的改變影響了起動(dòng)供油規(guī)律，電子控制系統(tǒng)調(diào)整供油不當(dāng)，不能滿足起動(dòng)時(shí)的需要。

起動(dòng)過程中的幾個(gè)關(guān)鍵附件是集氣室放氣活門、分流活門和溫度調(diào)節(jié)器。起動(dòng)時(shí)，壓氣機(jī)Ⅱ級(jí)放氣活門和集氣室放氣活門由電磁活門和可控分流活門控制。起動(dòng)時(shí)，分流活門與電磁活門配合，來控制壓氣機(jī)Ⅱ級(jí)放氣活門開關(guān)和集氣室放氣活門的開度，從而使壓氣機(jī)工作穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生喘振。溫度調(diào)節(jié)器會(huì)根據(jù)外界氣溫的變化，自動(dòng)改變動(dòng)力裝置第1起動(dòng)輸油圈內(nèi)的燃油，其主要部件為熱敏元件和回油活門，當(dāng)溫度升高時(shí)，熱敏元件使回油活門開度增大，從而使第2起動(dòng)輸油圈內(nèi)的燃油壓力下降；溫度降低時(shí)上述過程正好相反。

通過不斷地調(diào)整以及更換這些附件進(jìn)行起動(dòng)檢查，故障依未排除。由此認(rèn)為該故障應(yīng)該不是由附件本身或者空氣系統(tǒng)的進(jìn)氣和放氣量引起的，可能是由供油和點(diǎn)火造成的。

起動(dòng)供油部分由起動(dòng)燃油泵、第1起動(dòng)燃油管電磁活門、第2起動(dòng)燃油管電磁活門、溫度調(diào)節(jié)器、第1起動(dòng)燃油管、第2起動(dòng)燃油管、單向活門和起動(dòng)噴嘴（第1起動(dòng)燃油管連接4個(gè)起動(dòng)噴嘴，第2起動(dòng)燃油管連接8個(gè)起動(dòng)噴嘴），以及起動(dòng)空氣泵組成。起動(dòng)空氣泵在APU起動(dòng)時(shí)給起動(dòng)燃油噴嘴供氣，幫助燃油霧化。

燃油系統(tǒng)的工作時(shí)序是從起動(dòng)按鈕按下第3 s時(shí)使第1電磁活門打開供油；第4 s時(shí)使第2電磁活門打開供油；第8 s時(shí)，使主燃油電磁活門打開供油。當(dāng)起動(dòng)第44 s時(shí)使電磁活門斷開，這時(shí)只有主燃油電磁活門供油。當(dāng)正常停車和自動(dòng)停車時(shí)，控制系統(tǒng)斷開，主燃油電磁活門停止供油。

起動(dòng)成敗的主要參數(shù)變化特性曲線如圖1、2所示。根據(jù)起動(dòng)供油規(guī)律從按下起動(dòng)按鈕3s后第1起動(dòng)油路開始供油，在第4s第2起動(dòng)油路開始供油。圖1中在第3s時(shí)，轉(zhuǎn)速突升至20%，在第4s時(shí)，轉(zhuǎn)速開始下降，而后緩慢上升，在30～40s之間轉(zhuǎn)速上升幅度較大，溫度急增，因超溫、喘振而停車，這個(gè)過程中轉(zhuǎn)速有2個(gè)峰值。而在圖2中，轉(zhuǎn)速上升一直比較平緩，沒有峰值，在第3、4s轉(zhuǎn)速差別不大，在第8s時(shí)轉(zhuǎn)速達(dá)20%，在第20s時(shí)渦輪出口溫度達(dá)到最大值。結(jié)合供油規(guī)律，對(duì)比圖1、2，該故障發(fā)生原因可能有以下幾個(gè)。

（1）起動(dòng)供油過量，供油速率過快或供油過早都會(huì)造成起始段轉(zhuǎn)速有峰值，起動(dòng)過程不穩(wěn)定，而使起動(dòng)失敗。

（2）大氣溫度較低，燃料黏度增大，霧化質(zhì)量也變差，起動(dòng)空氣泵燃油霧化效果不好，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速上升較為緩慢，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)不到要求，與系統(tǒng)的供油規(guī)律不協(xié)調(diào)。

（3）在第4 s轉(zhuǎn)速下降可能是第1、2起動(dòng)油路供油的時(shí)間差不符合技術(shù)說明書的要求，第2起動(dòng)油路供油時(shí)間延遲，轉(zhuǎn)速上升較為緩慢。

對(duì)于第1個(gè)原因，起動(dòng)供油過猛，造成起動(dòng)過程油氣比過高，導(dǎo)致起動(dòng)時(shí)間過短。燃燒室內(nèi)的氣體溫度在短時(shí)間內(nèi)迅速上升到很高溫度，經(jīng)渦輪膨脹作功后仍然具有很高的焓值，使得渦輪出口氣溫度超出規(guī)定限制值，出現(xiàn)超溫現(xiàn)象。所以要排除此故障就要調(diào)整起動(dòng)過程的油氣比；也可通過改變發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量來調(diào)整油氣比，以排除渦輪出口溫度過高的故障[1]。

此外，渦輪出口溫度急增值會(huì)受起動(dòng)時(shí)間的影響，可以通過調(diào)整起動(dòng)時(shí)間供油調(diào)整釘來延長加速時(shí)間，或減小渦輪出口溫度急增值，增加起動(dòng)時(shí)間，減小供油量。

對(duì)于第2個(gè)原因，環(huán)境溫度對(duì)地面起動(dòng)的影響有可能是溫度較低使得燃油霧化性能變差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)加速慢，使在燃燒室內(nèi)形成穩(wěn)定火源的條件變差。但是，供油系統(tǒng)噴出的燃料所形成的混合氣被火源點(diǎn)燃和形成穩(wěn)定火焰所需的時(shí)間，卻隨著大氣溫度的降低而延長。從而使渦輪參加工作的時(shí)間推遲，起動(dòng)過程所需的時(shí)間延長[3]。

為了驗(yàn)證以上分析，檢查起動(dòng)空氣泵和調(diào)整供油規(guī)律，再次起動(dòng)，故障仍然沒有消除，故考慮可能是第3種情況。通過測(cè)量電磁閥的供電電壓建立第2起動(dòng)油路油壓，來確定第2和第1起動(dòng)供油的時(shí)間差。但這個(gè)時(shí)間差理論上是由凸輪機(jī)構(gòu)來控制程序機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，較難改變。嘗試更換第2油路起動(dòng)供油電磁活門后，起動(dòng)成功，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)第2起動(dòng)油路電磁閥在低溫工作環(huán)境下工作不穩(wěn)定，造成第2油路供油不穩(wěn)定，造成起動(dòng)失效。

4 結(jié)論

起動(dòng)系統(tǒng)是動(dòng)力裝置中發(fā)生故障較多的1個(gè)系統(tǒng)。當(dāng)故障發(fā)生后,要綜合考慮影響起動(dòng)的各種因素一一排查和分析,盡早確定故障。為了使動(dòng)力裝置在各種復(fù)雜的自然環(huán)境中能按設(shè)計(jì)程序安全、可靠地起動(dòng)，首先要準(zhǔn)確判斷起動(dòng)現(xiàn)象和加速率，確定問題出在前期還是后期，再確定調(diào)整部位；最后調(diào)整量值的控制是關(guān)鍵，尤其是起動(dòng)供油規(guī)律和供油量的調(diào)整，供油規(guī)律往往是一定的，這時(shí)供油量的適當(dāng)調(diào)整就顯得非常重要。此外，在使用維護(hù)過程中,要及時(shí)掌握定期檢查發(fā)動(dòng)機(jī)的工作情況和變化規(guī)律,加強(qiáng)經(jīng)驗(yàn)積累,確保發(fā)動(dòng)機(jī)在壽命期內(nèi)安全可靠地工作[4]。當(dāng)大氣條件改變時(shí)要及時(shí)調(diào)整影響起動(dòng)性能的有關(guān)參數(shù)，確保起動(dòng)可靠性。

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