APU引气反流导致发动机自动关车

故障现象

A321飞机（CFM56-5B）出港，双发启动成功，关闭APU滑行。起飞前，重新打开APU引气电门。十秒后，左发自动关车，出现ECAM警告：ENG1 FAIL。

• FADEC无记录故障信息

• 经解码分析，判断左侧引气系统的TLT反流保护功能失效，使PRV1打开。APU引气反流进左发压气机。

• 更换TLT1后，故障排除。

原理分析

TLT的作用

1. 电动模式

如图1所示的七种情况，BMC均给TLT发送电信号，使3号感压管放气，将PRV完全关闭。

2. 气动模式

• 过热保护：引气超温（大于235°C），热涨冷缩使TLT放气口逐步打开。3号感压管压力逐渐下降，PRV开度逐渐减小或者关闭。

• 反流保护：膜盒一侧是2号感压管引入的PRV上游压力。另外一侧是PRV下游压力。当PRV下游压力大于其上游压力时，TLT的反流保护功能使放气口逐步打开。因3号感压管压力下降，PRV开度逐渐减小或者关闭。

图1  TLT使PRV关闭的9种情况

TLT的反流功能

地面慢车时，HPV打开，其出口引气压力被调节为36PSI。机舱有制冷需求时，可提高APU引气压力，可能大于36PSI，这是反流出现的条件之一。引气反流会影响到发动机的正常工作，需要措施抑制。

APU引气和发动机引气均存在的情况下，需要PRV保持在关闭位，确保APU引气不会反流进入到PRV上游。为了抑制反流，引气系统设计了两种方法：

1. APU引气与发动机引气转换（BMC提供电信号给TLT关闭PRV）

• APU引气替换发动机引气。APU引气优先级高于发动机引气。APU引气电门ON后，BMC发指令给APU引气活门（电控伺服燃油作动），使其逐渐打开。ECB处理其LVDT信号，开度大于44%时，ECB认为全打开位，将其发送给BMC。BMC发信号给TLT，将PRV关闭。

• 发动机引气替换APU引气。APU引气电门OFF后，直接切掉TLT的电信号，PRV可以打开。APU引气活门逐渐关闭。

2. TLT的反流保护

纯机械，气动控制。发动机引气和APU引气同时存在，且APU引气大于发动机引气压力时，依靠TLT反流保护功能将PRV关闭。

APU引气活门从关到开，或者开到关，均需要一定的时间，正常4-6秒完成开关。因为某种原因，有些活门全打开，需要10秒。无论APU引气开与关，存在APU引气活门和PRV同时打开的窗口期。TLT的反流保护功能正是为了抑制两活门的同时打开。可见，反流保护并非是一种预防性质的安全措施。当发动机引气和APU引气每一次转换，TLT都会发挥抑制反流功能。

图2  TLT的反流作用

TLT的反流功能失效带来的影响

上游只需8PSI压力，PRV就可打开。地面慢车时，APU引气压力大于发动机引力（HPV出口压力调节为36PSI）。如果TLT的反流保护功能失效，无论哪一种引气转换，有几秒时间，APU引气活门和PRV会同时打开。APU引气将有可能通过OPV、PRV、HPV，进入到发动机压气机内部，使压气机气流紊乱。气路堵塞使PS3压力下降，可能会被FADEC认为发动机出现失速。

如图3所示，利勃海尔的一份技术资料也表明用APU引气启动发动机后，可能有双引气同时存在10秒的窗口期。可见TLT反流保护失效出现的APU引气反流，将会影响到发动机的工作。

图3  TLT反流功能失效

反流的形成

类似的故障，行业内也出现过几次，均是在地面慢车，APU引气和发动机引气转换之后发生，左发自动关车。如图4所示，CFM表示此情况只会出现在地面，具体原因本文后续有论述。

图4 地面APU引气反流导致发动机自动关车

如图5中的TFU36.11.00.113所示，发动机慢车功率，分APU引气开和APU引气关两种情况，对反流进行分析

1.  航段2和9，APU引气电门从ON位转到OFF位

APU引气电门从ON位转到OFF位，TLT立刻断电，PRV仅靠TLT气动模式下的反流保护抑制打开。如果反流保护功能失效，PRV可以打开。APU引气活门仍在关闭过程中。

2.  航段2和9，APU引气电门从OFF位转到ON位

APU引气电门从OFF位转到ON位，APU引气活门开始打开，达全打开位需要一定时间。LVDT信号反馈给BMC。活门全开时，BMC才会发电信号给TLT，使PRV关闭。APU引气活门打开期间，只能依靠TLT的反流功能抑制PRV打开。

图5 反流形成的过程

TLT反流功能失效的原因

根据TFU36.11.00.113中的信息，研究TLT失去反流功能的原因是：

• 反流探测孔堵塞：空气污染、或制造时候过多的硅胶堵塞反流探测孔。

• 膜盒薄膜老化，分层：高温引气长期的作用下，TLT逐渐失效。

图6  TLT反流功能失效的原因

图7 利勃海尔对TLT失效影响的研究

空客的措施

空客把更换TLT和检查IPV渗漏加入相关TSM章节。另外，利勃海尔还决定升级TLT的性能，从根源上解决此类问题的出现。

图8 空客的建议措施

CFM厂家对类似故障的分析

此类故障出现后，发动机厂家进行了几次试车，研究发动机成功启动后，哪些原因会导致自动停车。四次试车结果分析如下：

1.  研究发动机稳定工作五分钟后，慢车功率时，接通发动机防冰对发动机的影响

• 接通左发防冰，有引气负载，FADEC提高FF，PS3、N1、N均随之升高。

• 关闭左发防冰，没有引气负载，FADEC减少FF，PS3、N1、N均随之降低。

结论：发动机稳定工作，慢车功率时，接通发动机防冰，对发动机工作无影响。 

图9 慢车功率接通防冰对发动机的影响

2.  研究发动机刚启动成功，立刻接通防冰对发动机的影响

如图10所示，发动机刚启动成功，就接通防冰（引气负载），FF和PS3先稍微升高，很快PS3下降，几秒后，FF突然下降为0，发动机自动关车。

结论：发动机刚启动成功，就接通发动机放冰，可能会导致发动机自动关车。

图10 刚启动成功接通防冰对发动机的影响

3.  在反流保护失效的飞机上测试，确认APU引气活门和PRV同时打开

如图11中曲线的信息可知，发动机慢车功率，关闭APU引气电门后，PRV立刻打开，几秒后，APU引气活门才显示关闭，确认存在APU引气活门和PRV同时打开的窗口期。

结论：TLT反流功能失效，导致引气转换时，出现PRV和APU引气活门同时打开的窗口期，为反流提供条件。

图11  APU引气活门和PRV同时打开

4.  反流保护失效的飞机上测试，引气转换对发动机的影响

上述已分析，PRV和APU引气活门同时打开，很有可能APU引气能反流到发动机压气机。本次试车，同时关闭APU引气电门和发动机防冰。发动机刚启动成功，防冰打开，PS3、FF小幅上升，几秒后FF突降为零，发动机自动关车。同时，曲线数据也证实了APU引气活门和PRV同时打开。

本次自动关车的原因之一是刚启动成功就开防冰，原因之二是反流出现。两种因素，有一种就有可能导致自动关车了。两种因素同时具备，加大了自动关车的可能性。

图12 反流保护失效导致发动机自动停车

上述的四次试车，出现两次自动关车：

• 刚启动成功，就接通防冰，会造成PS3下降，导致FF突然变成零，自动关车。

• 发动机刚启动成功就打开发动机防冰，同时将APU引气电门从ON转到OFF，TLT反流保护失效，反流出现。反流和未稳定就加引气负载，双重因素导致自动关车。

上述两种发动机自动关车的共同点：PS3下降到一定值后，FF突然下降为零，发动机自动关车，且FADEC没有监控到故障信息。

解码分析本故障

双发启动成功，机组将APU引气电门放OFF位，双发的PRV和HPV都打开。几分钟后，机组将APU引电气门重新放ON位。几秒后，左发的参数开始出现异常，PS3和FF持续下降，几秒后，FF突降为零，左发自动关车。

解码数据显示，APU引电气门重新放ON位后，大约有十秒种，双发PRV和APU引气活门均为打开位。判断这十秒内，APU引气反流，经过打开的PRV1，从HPV1进入左发压气机，导致压气机气流紊乱，PS3压力下降。PS3下降15PSI，FF为零。发动机断油导致左发自动关车。右发因为引气交输活门的原因，PRV2与APU引气隔开，即使TLT反流功能失效，也不受影响。

FF为0的两秒后，两个PRV同时显示为全关位。这是由于APU活门到全打开位，BMC给TCL发送电信号，使PRV关闭。TLT1的反流保护失效不能是PRV1关闭。PRV1的关闭只能依靠BMC1给TLT1的供电，但这时候，反流已经发生，发动机已经自动关车。

反流如何导致FF突降为零

如图13所示，CFM-5B发动机正常的关车，是通过主电门控制HPSOV关闭。在地面慢车时，如果遇到以下三种情况之一，FADEC发电信号将FMV关闭，立刻切断燃油，实施保护性关车：

• 双点火失效

• 发动机失速

• 启动超温（大于725°C）

V2500只能在自动启动时，50%N2以下，实施保护性关车。与V2500不同的是，CFM56-5B在地面慢车时，可通过关闭FMV实施保护性自动关车。

APU引气反流，通常出现在发动机启动成功后的引气转换阶段。50%N2以上，V2500-FADEC已不具备自动关车的能力。如果V2500遇到APU引气反流，FADEC将无法实施自动关车，只能人工关车。

如图13所示，本案例正是由于FADEC根据PS3压力突降判断发动机失速，发指令关闭FMV，切断燃油，对发动机实施保护性自动关车。发动机刚启动完成，就接通防冰，实质也是探测到PS3压力突降，被FADEC判定为发动机失速。

图13  FF突降为零的原因