一起GTCP131-9B型APU排气温度分布不均匀故障的分析与排除

■ 张博才 李阳 刘鹏搏 刘昕/1中国南方航空公司沈阳维修基地 2中国南方航空公司工程技术研究中心

GTCP131-9B型APU用于波音737NG系列飞机，以恒定48800rpm的转速运行，在地面和空中为飞机提供稳定的气源和电源。发动机排气温度（EGT）是APU实际监控工作中最常用的气动热力性能参数，是衡量发动机工作正常与否的重要参数。导致GTCP131-9B型APU的EGT差值过大故障的原因通常有两个：APU核心机内部（如涡轮、静子等）故障和燃油系统外部件故障。本文只讨论由燃油系统外部件故障引起的EGT差值过大问题。

1 系统原理介绍

131-9 B型APU燃油系统的功能是在APU所有运转状态下为APU提供燃油供给和控制，以使APU在恒定转速下为飞机提供气源和电源，并为IGV作动器和防喘活门提供伺服燃油。

131-9 B型APU的燃油系统由以下主要部件构成：燃调组件（FCU）、燃油分配器、主副燃油总管和喷嘴、余油活门和相关管路，如图1所示。燃油系统其他部件，如IGV、SCV等与EGT差值问题关系不大，在此不作介绍。

燃调组件由高压燃油泵、封严、燃油滤、燃油力矩马达、流量计、温度传感器和燃油关断电磁活门组成。燃调组件通过一个V型夹子安装在滑油泵上，由一个滑油润滑的花键轴驱动。

图1 131-9B燃油系统主要部件

图2 燃油分配器工作原理

如图2所示，燃油分配器安装在燃调的出口和APU主副燃油总管之间，燃油流量由一个球形单向活门控制，当燃油需求增加时，燃油分配活门会在燃油压力达到120pisg时打开（108psig时重置），允许燃油进入副燃油总管。这个动作发生在APU转速达到30%～40%时。与此同时，一个常开的电磁活门会在低温（＜55°F）启动和高海拔（＞25000ft）运行时切断副油路的燃油供给。

131-9 B有10个均匀安装在燃烧室机匣上的双节流孔喷嘴，计量后的燃油经燃油总管分配后由这些喷嘴进入燃烧室内参与燃烧，用于启动和初始加速的燃油由主喷嘴供应。如图3所示，定位销用于定位空气衬套，并使喷嘴准确地安装在发动机上。燃烧室进口空气通过衬套引入，用于清洁喷射梢，以防止积炭的产生。

余油活门（节流孔）位于燃烧室机匣的最下端，其作用是排出启动失败后残留在燃烧室和机匣内的燃油，防止下次启动时可能的温度过高或喷火。

2 故障分析

以APU本体两个热电偶所测量EGT差值过大为顶事件，根据APU系统工作原理构建故障树，如图4所示。

图3 燃油总管和喷嘴

图4 FTA故障树

图4中X1～Y6代表底事件，其中，X1为传感器故障；X2为相关线路损坏；Y1为FCU本体故障；Y2为相关插头线路接触不良；Y3为分配活门故障；Y4为管路堵塞；Y5为喷嘴按流量分配不当；Y6为个别喷嘴流量、喷角超出手册标准。

故障树的定性分析就是求出故障树所有的最小割集，以便找出系统中最薄弱的环节。从实际工程角度来看，每一个最小割集都对应着一种故障类型，从图4可以看出，传感器数据错误和真实EGT差值过大都属于可导致顶事件EGT差值过大的故障类型，因此，故障树最小割集为：

传感器数据错误= X1+X2；

真实EGT差值过大= Y1+Y2+Y3+Y4+Y5+Y6。

3 案例分析

一台131-9B型APU进行车台测试时发现：APU可以正常启动并加速到无负载状态（RTL），此状态下，包括EGT差值在内的所有参数均在手册规定范围内。但随着测试的进行，为APU施加电负载和引气负载后，APU本体两个热电偶测得的排气温度差值逐渐增大。热电偶和燃油喷嘴的位置如图5所示，#1和#2为APU本体测量排气温度的热电偶，1～10分别为APU燃油喷嘴。在MES测试模式下，#1热电偶比#2热电偶测量的排气温度高出115°F，大幅超出手册规定范围。

根据上述故障树分析法，得到如下排故方案和排故进程。

1）首先需要排除因温度传感器（热电偶）故障造成温度测量不准确的可能，因此互换#1和#2热电偶。互换热电偶后，两者差值依旧保持115°F，且温度高的区域仍然在B区域，由此判定传感器状态良好，排气温度差值过大现象是真实存在的。

图5 131-9B燃油喷嘴分布情况

2）依次更换FCU、燃油分配器、主副燃油总管后，故障现象依旧，最后将故障原因锁定在燃油喷嘴。

3）如图5所示，将燃油喷嘴依次编号，因5号和6号喷嘴在位拆装较困难，因此将1、2、3、4号与7、8、9、10号喷嘴分别编为两组，对换两组喷嘴位置。调整位置后故障现象依旧存在。此时怀疑B区域温度高的原因是该区域喷嘴喷油量过大，因此以在喷嘴测试中参数合格但流量偏低的喷嘴来替换7、8、9、10位置的喷嘴，但故障现象并没有消失。最终将排故重点锁定在5号和6号燃油喷嘴，更换5号和6号喷嘴后，故障现象消失，MES测试模式下，温差保持在20°F以内。

经燃油喷嘴测试台测试，5号燃油喷嘴流量明显高于手册标准且雾化情况不好。分析认为，5号燃油喷嘴燃油流量过大且雾化不好，造成该区域燃油燃烧不充分，导致5号燃油喷嘴附近排气温度较低。而APU为了维持恒定转速会加大喷油量，从而使其他区域温度升高，进一步加大了排气温度分布不均匀的情况。因#2热电偶的测量位置与5号燃油喷嘴造成的影响区较近，故导致#2热点偶测量到的温度值明显低于#1热电偶。

4 结论

在排除由喷嘴原因造成的EGT差值过大问题时，不应只关注温度高一侧的喷嘴情况，同时还应考虑温度低一侧喷嘴是否存在故障情况。如上述故障案例中，流量异常的喷嘴恰恰出现在排气温度低的一侧。