737飞机APU故障分析

派乐特 · 发表于 2013-7-3 10:36:44

737飞机APU故障分析

一、概述
组成：
737飞机的APU系统由APU本体发动机以及为维持发动机正常运转的起动点火、燃油、空气、滑油、ETC、ECU等辅助设备组成。
起动过程
将APU主电门置于START位2－3秒后松手，电门自动弹回ON位，低滑油压力灯亮，此时ECU接收到起动信号后进入起动状态并输出指令相继打开燃油关断活门及进气门；进气门全开以后，其极限位置电门转换到全开位，28V直流电压经过该电门以及三速电门50％电门的断开位供到ECU的启动模块，另一路经过110％电门的断开位供到APU滑油顺序电门；ECU的起动模块输出指令使APU启动继电器闭合，起动机开始工作，当RPM达到约10％，滑油压力达到4PSI时，顺序电门闭合，电压达到燃油电磁活门并经过三速电门的95%电门的断开位供到点火系统，APU开始供油点火，涡轮及起动机共通提供动力使之加速，当RPM达到约37％时，低滑油压力电门（55PSI）闭合，低滑油压力灯熄灭，当RPM达到50％时，三速电门的50％电门闭合使起动模块结束起动状态并输出指令使起动继电器脱开，APU在涡轮带动下加速直至启动成功；当转速达到95％时，三速电门的95%开关闭合，切除点火系统的电源，停止点火，同时驾驶舱P5面板上“APU GEN OFF”蓝色指示灯亮，表明APU起动完毕，可以提供电源及引气负载。
在起动过程中，特别要注意在驾驶舱观察起动过程中的现象（为观察APU起动机是否接通和断开，将电瓶电门上方的直流电指示选择旋钮选择到BAT位），当将APU的起动电门打到起动位以后，正常状况下观察的现象按顺序如下所述：APU滑油低压灯亮――驾驶舱灯光变暗，直流电流表反指到最大（起动机接通）――EGT开始上升（供油点火）――滑油低压灯熄灭(滑油压力达到55PSI)――电流表指数组件下降最后回到0附近，驾驶舱灯光亮度恢复正常(起动机脱开)――APU发电机电源电压和频率上升，直到正常电压115V，405Hz，APU GEN OFF蓝色灯亮，APU起动成功。上述起动过程中的现象必须按顺序出现，如果不按顺序出现或者不出现，则存在一定的故障，具体原因后文有分析。
运转：
APU在正常运转时，可以提供115V三相400HZ交流电源及45±5PSI的引气
运转过程中，因某些需要，APU的电负载和引气负载被全部接通，APU极有可能出现过载的情况，即EGT超出正常工作限制，此时，ETC系统将发挥作用使APU回到正常的工作状态，具体原理如下：ETC系统由T2传感器、EGT热电偶、ETC控制器、比例控制活门(PCV)和APU引气活门等部件组成，EGT热电偶感受APU排气温度，T2传感器感受压气机进口温度，ETC控制器将二者的信号进行综合计算，判断是否出现过载；当有过载情况出现时，控制器输出一个信号至比例控制活门使之打开，将控制APU引气活门打开的压力空气引走，从而使APU引气活门关闭，减小APU的负载，当EGT恢复到正常限制范围以内后，ETC再输出一个信号使PCV关闭，APU恢复到可以引气的状态；当起动主发动机时，该系统的功能被抑制，即在一个较大的EGT允许范围内，都不间断的提供引气负载。此外，该系统还为驾驶舱内的APU EGT指示器提供信号。
关断
当APU主电门被置于DELAY OFF位时，APU的电源负载及引气负载被自动切断，延迟60秒后，ECU输出指令使燃油关断活门和进气门相继关闭，APU停止运转。
当出现下列四种情况之一时，APU会保护性自动停车：滑油压力低于45PSI，滑油温度高于140摄氏度，转速高于110％，火警探测系统探测到APU发生火警。
二、常见故障分析
APU的故障最常见的就是起动故障、自动关车和带负载能力差，从2005年1月1日至2007年3月20日，有记录的APU故障共198次，其中起动不成功82次，占40％强，其次是自动关车故障21次，占10％强，再次为带大负载能力差，表现为自动掉电或者EGT偏高，占13次。
1、起动故障：
起动故障按常见故障现象分为下列几类：
1）       起动时超速灯亮：
这种现象绝大多数是因为起动机故障引起的，当APU的主电门打到start位以后，此时APU的三速电门已经开始工作，如果此时起动机不能带动APU转动，则转速发电机就不能向三速电门输出速度信号，三速电门将输出一个超速信号使得APU保护性关断。当然三速电门及转速表发电机也有可能导致这种情况出现。另外，我公司曾经出现过一例因滑油泵轴剪断导致超速灯亮的故障，这是因为转速发电机连接在滑油泵上，当滑油泵轴剪断后，转速表发电机不能感受到APU的转动，从而也无法输出转速信号，最终导致三速电门输出超速信号使得APU保护关车。
2）       起动机接通后EGT不上升，但是无其它指示：
根据我公司以往的故障来看，绝大多数的这类故障是因位燃油喷嘴和点火系统损坏引起的，少数情况是因为滑油顺序电门引起。当燃油喷嘴积炭过多时，燃油不能正常雾化，则APU就不能正常点火，从而导致EGT不能上升；点火系统损坏是另一个造成EGT不上升的主要原因，故障涉及的部件有点火激励器、点火导线、点火电嘴。隔离这类故障的方法通常是在APU起动时在APU下方听是否有点火的声音及检查APU的尾喷口有无雾状燃油喷出，当无点火声时，优先检查APU点火系统，当有点火声音时，优先检查燃油喷嘴的状况，如果既没有燃油喷出，也无点火声音，则一般是滑油顺序电门损坏导致。
3）       起动时EGT上升，但是起动时间超过90S，APU保护性终止起动，原因比较多，如下表所示：

故障原因	故障部件	故障分析	排故措施
起动机动力不足	起动机	起动机带转能力不够，导致起动超时	更换起动机
燃油雾化不好	燃油喷嘴	雾化不良导致燃油不能充分燃烧，APU加速性变差	拆下燃油喷嘴清洁或者更换
点火不充分	点火系统	点火不充分，起动时当燃烧室的温度不能保障燃油自燃时，供油不能充分燃烧，最终导致APU加速性变差	拆开点火电嘴和导线，检查是否损坏，如有损坏，更换，否则更换电话激励器
供油不足	FCU	本身供油不够导致加速性变差，导致起动超时	串件隔离或者使用压力表测量燃油出口压力
	比例控制活门	漏气或非正常打开，导致加速限制活门下腔压力下降，FCU回油增多而导致供油不足	串件隔离后更换
	三通电磁活门	漏气导致加速限制活门下腔压力下降，FCU回油增多而导致供油不足	串件隔离更换该活门
	压气机出口T型接头及其管道堵塞或漏气	最终导致导致加速限制活门下腔压力下降，FCU回油增多而导致供油不足	清理T接头及管道，修理漏气点
	燃油关断活门不能关严	因APU位置高于燃油箱，当该活门关不严且APU停止运转时，APU的供油管道中的油回流到油箱，又因供油管道偏长，下次起动时FCU不能泵油，容易造成供油不足	一般是因燃油关断活门做动器引起，更换做动器
APU本体性能下降	APU本体	当APU本体的压气机或者涡轮损坏后，一则APU的加速性变差，二则容易导致燃油燃烧不充分造成燃油喷嘴和点火电嘴积炭	更换APU

针对上表中所列的故障，因为现象基本一致，且经常属于间歇性的故障，又因涉及的部件较多，在一般情况下不是太容易确认故障的部件，通常要通过串件来确认故障。燃油控制原理图如下

2、       运转过程中的常见故障
1）          EGT偏高甚至超温
大多数情况下是因APU使用时间较长，APU发动机整体性能下降所引起，这种情况还经常伴有在使用较大的引气负载时，EGT超出正常工作限制而导致ETC系统发挥作用，引气压力降得很低，甚至接近零。

2）          大负载时掉电
当起动发动机或者接双空调等大负载时，APU发电机的电源自动断开，这是因为当负载突然加大时，供油不能跟上负载要求，APU的转速就会下降，APU发电机的电源频率将会随之下降，当降低到375HZ以下时，AGCU将会断开APU电源。造成这种现象的原因有三种：FCU调节能力下降；APU本体带负责能力下降；APU供油管路不畅，特别是从APU舱前壁到FCU之间的供油软管容易发生扭转和和破裂。
3）          非正常关断：
LOP即滑油压力低  当APU运转时，滑油压力低于45PSI时，低压电门作动将信号送到ECU，同时“LOW OIL PRESURE”灯亮APU发生保护性自动停车。大多数情况下，并非真的滑油低压，而是低压电门故障。少数情况下，滑油量偏少有可能导致滑油压力低。因为当APU出现非正常关断时，APU的低滑油压力灯都会点亮，当出现这种情况时，一般不能直接判定是滑油低压引起的关车，通常的隔离方法是再次起动，并密切关注APU面板上的几个指示灯，当在起动过程中，滑油低压灯应当在起动机脱开之前就应该熄灭，如果没有熄灭，则滑油系统有问题，需检查滑油量、滑油率或者更换低压电门。判定起动机是否脱开的方法是：将直流电指示旋钮选择到BAT位，观察直流电流表，当起动机接通时，直流电流表指在反向最大位，起动机脱开时，指在零附近。
超速  从2005年开始，我公司的飞机因APU超速灯亮造成的起动过程中的关车和运转过程中的关车的现象时有发生，起动过程中超速灯亮多数情况下故障是由起动机性能下降或者故障引起，仅有一次5066飞机在2005年12月份是由于转速表发电机故障引起的；值得一提的是2005年10月份的5098飞机APU故障，最初是APU正常运转时自动停车，超速灯亮，我们更换了转速表发电机，三速电门后故障都未解决，最后检查发现转速表发电机不能转动而APU本体转子可以转动，进一步检查发现与转速表发电机连接的滑油泵内部卡阻，滑油泵与齿轮箱的连接花键轴断裂，造成APU转速信号丢失，最终导致超速灯亮，更换滑油泵以后回复正常。至此可以对APU超速现象做个小结，如果在起动过程中超速灯亮，优先的怀疑对象基本可以定在起动机上，如果在运转时超速，则需要检查转速表发电机、三速电门等部件以及其连接状况。至今尚未出现过因FCU供油异常造成的超速关车。
HOT 即滑油温度高于140℃时，APU会自动停车，大多数情况是因为滑油冷却器的空气进口备堵塞造成冷却不足而超温，如果检查滑油冷却器无异常，则通常是APU本体损坏。
火警  尚未遇到过这种情况。
三、总结
APU系统在驾驶舱的指示较少，在APU出现故障时，一定要通过机组或者自己的观察，准确的掌握故障发生时的信息，结合APU的系统原理图的进行详细分析，对于在起动过程中各种故障才能有一个准确的判断，对于起动超时之类涉及到部件较多的故障，一般要串件确认故障；而对于APU运转过程中的故障，我们在分析原理的同时，还要综合考虑故障发生之前，APU的总运行小时数以及此前在APU系统中的维护工作，并结合以往的经验一般都能在第一时间做出较为准确的判断。