APU起动“热悬挂”故障分析

张昀硕

摘要：辅助动力装置（APU）起动时出现“热悬挂”故障，结合起动系统结构和工作原理，从机械、气路、油路、电路四个方面进行研究分析，通过采用故障树的方式进行逐项排查，最终确定故障原因为燃油调节器内部故障导致主供油管路在起动过程不供油，为排除此类故障提供一定的指导。

关键词：APU  热悬挂  故障树

1 引言

辅助动力装置（APU）的功用为向发动机提供起动系统用的压缩空气，向飞机提供空调系统用的压缩空气和提供交、直流电源。APU起动系统是用来在起动、冷转和假起动过程中，带转APU转子，并在起动开始后，点燃燃烧室中的燃气混合气。如果APU起动过程中发生“热悬挂”（转速不上升，温度激增），瞬间的超温会烧蚀涡轮叶片，甚至可能出现喘振放炮、转子卡滞的危险情况，严重影响发动机性能和试车安全。而且“热悬挂”导致APU起动不成功，无法向飞机提供压缩空气和交直流电源，更无法作为气源起动发动机进行试车，严重影响飞行任务的实施。因此，本文着重针对该故障进行研究分析。

2系统原理

起动系统由起动发电机、起动供油部分、起动点火装置和起动电气设备部分组成。

起动供油部分由起动燃油泵、第I油路电磁活门Y4、第II油路电磁活门Y5、主油路电磁活门Y6、温度调节器、第I起动输油管、第II起动输油管、单向活门和起动喷嘴（与第Ⅰ输油管相连接有4个起动喷嘴，与第二输油管相连接有8个起动喷嘴），以及起动空气泵组成。起动点火装置由点火线圈和电嘴组成。起动电气设备部分由程序机构、起动箱、电子调节器、起动燃油泵、起动空气泵、有关继电器、起动操纵电门、起动操纵按钮和信号灯组成。

打开防火开关时，燃油从燃油箱经输油泵供给燃油泵调节器。燃油在燃油泵调节器内通过离心泵增压后，进入燃滑油散热器，继而进入燃油滤，过滤后的燃油流向起动燃油泵和燃油泵调节器内的齿轮泵部分。按下“起动”按钮的瞬间接通起动燃油泵，由于燃油电磁活门尚未接通，燃油经温度调节器回到燃油泵调节器离心泵的进口。第3秒时，第I油路电磁活门Y4打开；燃油经单向活门、第I起动燃油总管供给起动喷嘴，并由电嘴点火。供给第I起动燃油总管的燃油流量，由温度调节器调定的压力水平确定。剩余的燃油流回燃油泵调节器离心泵的进口。第4秒时，第II油路电磁活门Y5打开；燃油从燃油泵调节器以恒定压力通过第II起动燃油总管，供给起动喷嘴，该恒定压力值由第II起动燃油总管压力调整螺钉调定。当周围环境温度升高时，第II起动燃油总管的燃油压力能够超过第I起动燃油总管的燃油压力。在这种情况下，第II起动燃油总管的燃油开始经过单向活门进入第I起动燃油总管。第8秒时，主油路电磁活门Y6打开，燃油经主燃油总管进入起动喷嘴出口处被点燃，发动机转子加速，发动机加速过程燃油流量按泵调节器给定规律确定，在小转速时，供油量由起动调节器调节，直到发动机进入工作转速状态后，供油量由转速调节器调节。第15秒时，程序机构控制点火附件停止点火。第44秒时，第I、II油路电磁活门Y4、Y5关闭，发动机起动喷嘴供油中断，这时只有主燃油电磁活门Y6供油。当正常停车和自动停车时，控制系统断开主燃油电磁活门Y6停止供油。

   

图1 燃油系统简化原理图

3 故障排查

3.1 故障描述

地面起动APU，经第18秒，转速在40%左右“热悬挂”，转速不上升，排气温度急增至630℃以上，同时出现喘振伴随异常声音，手动拉停。

3.2 故障树分析

针对APU起动“热悬挂”故障，结合APU燃油系统的组成结构与工作原理，对处于机械、电路、气路、油路的各个部件进行排查，并逐项作为底事件，建立排查故障树，如图2。

图2 故障树

X1：机械故障

如果APU转子卡滞，转子转速上升到一定值不再变化，热能无法继续推动涡轮做功，导致排气温度急剧上升。

X2：气路故障

地面起动时，分流活门控制集气室放气活门和压气机Ⅱ级放气活门的活门开度。如果分流活门、集气室放气活门、压气机Ⅱ级放气活门的活门开度（受电磁活门Y8控制，电磁活门Y8受程序机构控制）存在异常，影响燃烧室内部油气比，容易造成超温且喘振。

X3：油路故障

燃油滤发生堵塞、起动燃油泵不工作、起动泵供油压力高、电磁活门Y4不工作等，均会造成第一油路供油不畅。燃油泵调节器内部故障、第二油路燃油压力高、电磁活门Y5不工作等，均会造成第二油路供油不畅。燃油泵调节器内部故障、电磁活门Y6不工作、主油路供油量大等，均会造成主油路供油不畅。

油路供油不畅，造成起动转速上升缓慢，后续影响燃烧室内部油气比，容易造成超温且喘振。

X4：电路故障

电气附件故障主要包含程序机构在起动时未按照规定的程序控制发动机各起动附件的工作，起动发电机带转能力不足，电子调节器内部故障，电磁活门不工作，点火装置故障，线路故障等，均会导致逻辑错误或控制失效，从而影响发动机起动过程。

3.3 故障排查

X1.1：转子卡滞

地面用手摇传动装置检查转子灵活，发现转子卡滞，或试车检查冷运转参数和惯性运转时间满足要求。底事件可排除。

X2.1：气路活门故障

试车检查压气机Ⅱ级放气活门在发动机转速为60％～70％以下放气，以上关闭，压气机的二级放气活门工作正常。

反复调节集气室放气活门螺栓，故障依然存在。试车检查在发动机转速为30％～40％以下处于全开放气；在30％～40％到60％～70％活门开度逐渐减小；在60％～70％以上（发动机不引气情况下）放气活门又处于全开放气，当发动机引气时处于全关状态，活门状态正常。

集气室放气活门和压气机Ⅱ级放气活门正常，则分流活门正常。底事件可排除。

X3.1：第一油路供油不畅

断开第一油路电磁活门Y4与输油圈之间，与第二油路电磁活门Y5之间余油管的连接管路，假起动检查发现电磁活门Y4有油，确定第一油路供油正常。底事件可排除。

X3.2：第二油路供油不畅

在第二油路测压点外接压力表，起动APU，检查第二油路压力在参数范围内。

断开第二油路电磁活门Y5与输油圈之间，与第二油路电磁活门Y5、主油路电磁活门Y6之间余油管的连接管路，假起动检查发现电磁活门Y5有油，确定第二油路供油正常。底事件可排除。

X3.3：主油路供油不畅

断开主油路电磁活门Y6与输油圈之间，与第二油路电磁活门Y5之间余油管的连接管路，假起动检查发现Y6出口无油。连接主油路电磁活门Y6出口管路，断开Y6进口管路，再次假起动检查Y6进口无油，定位为燃油泵调节器内部故障。底事件不可排除。

X4.1：电气附件及其线路故障

采用APU起动模拟器地面模拟起动过程，各继电器时序控制信号正常，可排除程序机构和电子调节器（电子调节器上电自检正常）。更换电子调节器和程序机构故障复现，可排除电子调节器和程序结构。冷转正常，可排除起动发电机带转能力不足的问题。底事件可排除。

3.4 排查结论

经过以上排查，确认起动“热悬挂”由燃油调节器内部故障造成主供油管路在起动过程不供油导致。

4 结束语

综上所述，APU起动“热悬挂”是由燃油调节器内部故障造成主供油管路在起动过程不供油导致。因“热悬挂”如果不能及时手动拉停，会对发动机造成不可逆危害，严重影响发动机性能和试车安全，所以必须起动过程中密切关注APU起动工作参数，如转速、排气温度等，及时拉停进行相应检查和排故工作。

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