飛機APU故障淺析和狀態(tài)監(jiān)控發(fā)展研究

張彭

摘 要：APU即輔助動力裝置，是現(xiàn)代飛機上比較重要的，但并不是不可或缺的中大型部件之一，航線維護中故障率較高，但是缺乏狀態(tài)實時監(jiān)控，若產(chǎn)生故障會經(jīng)常在缺乏地面電源和氣源的機場造成不必要的麻煩，該文淺析了APU氣動過程故障和排故思路以及APU工作狀態(tài)監(jiān)控的發(fā)展和研究。

關(guān)鍵詞：APU 輔助動力裝置 飛機 故障 狀態(tài)監(jiān)控

中圖分類號：V263.6 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）03（b）-0130-02

Auxiliary Power Unit輔助動力裝置，簡稱APU，在大、中型飛機上和大型直升機上，為了減少對地面（機場）供電設(shè)備的依賴，都裝有獨立的小型動力裝置，稱為輔助動力裝置或APU。

APU的作用是向飛機獨立地提供電力和壓縮空氣，也有少量的APU可以向飛機提供附加推力。飛機在地面上起飛前，由APU供電來啟動主發(fā)動機，從而不需依靠地面電、氣源車來發(fā)動飛機。在地面時APU提供電力和壓縮空氣，保證客艙和駕駛艙內(nèi)的照明和空調(diào)，在飛機起飛時使發(fā)動機功率全部用于地面加速和爬升，改善了起飛性能。降落后，仍由APU供應(yīng)電力照明和空調(diào)，使主發(fā)動機提早關(guān)閉，從而節(jié)省了燃油，降低機場噪聲。

通常在飛機爬升到一定高度（5 000 m以下）輔助動力裝置關(guān)閉，但在飛行中當(dāng)主發(fā)動機空中停車時，APU可在一定高度（一般為10 000 m）以下的高空中及時啟動，為發(fā)動機重新啟動提供動力。

1 APU啟動過程故障淺析

這里以波音737NG飛機APU為例。737NG飛機APU系統(tǒng)圍繞著其使用功能，故障的出現(xiàn)頻率還是比較高的。在APU的引氣系統(tǒng)方面，像引氣壓力低、引氣不可用、不穩(wěn)定，無法用來啟動發(fā)動機或引起空調(diào)不可用等等；在APU的供電方面，像無法供電、自動掉電、電圧頻率不穩(wěn)定等等；在APU啟動過程中和運行過程中出現(xiàn)的故障也不少，因此按APU故障出現(xiàn)的時間來劃分，可以大體上分為兩大類： 啟動過程中出現(xiàn)故障和正常運行過程中出現(xiàn)故障。 APU為一臺單軸的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機，工作轉(zhuǎn)速恒定。它驅(qū)動一臺發(fā)電機，氣動負(fù)載壓氣機和一個減速齒輪箱。其核心就是一臺恒速的發(fā)動機，能提供電負(fù)載和氣負(fù)載。而其核心控制部件是ECU和PCU。ECU控制APU的功能并通過內(nèi)置自檢系統(tǒng)監(jiān)控APU的功能。

在APU啟動、加速和保持恒速工程中FCU給流量分配器和流量分配器電磁活門供應(yīng)正確的燃油流量迄今為止，各種APU故障發(fā)生了很多起，有的故障現(xiàn)象很明顯，不難排除。但是有些故障發(fā)生的原因有很多種，所要考慮的問題有很多方面。

首先來看下APU啟動過程中所遇到的一些情況，當(dāng)將APU電門拔到START位置，然后釋放，開關(guān)將返回ON位，ECU打開 APU燃油關(guān)斷活門和APU進氣道門。當(dāng)進氣道門完全打開，門上的位置電門閉合。發(fā)送一個門已經(jīng)完全打開的信號給ECU。當(dāng)進氣門完全打開時，ECU給SCU發(fā)送信號，SCU通知SPU給其供應(yīng)270 V直流電。SCU將270 V直流電變換為交流電，供給起動發(fā)電機工作。

通常所見到的故障就是APU無法啟動。啟動過程中伴隨著一些指示信息（P5和P8）。相關(guān)的部件為ECU、SPU、SCU、啟動發(fā)電機、點火系統(tǒng)、FCU、火警探測器等。例如若APU啟動兩三次才啟動成功，沒有任何的顯示信息，但是ECU自檢CDU中能讀到故障信息，一般為ECU內(nèi)部的間歇故障。對于有時候APU能正常啟動有時候不能啟動的故障，可以先檢查進氣道包括滑油冷卻進氣道是否有外來物。這是因為氣路的堵塞會造成供氣或滑油冷卻不足，導(dǎo)致不能及時供油點火或超溫。如果以上正常，就要考慮起啟動發(fā)電機、FCU和點火系統(tǒng)的故障了。一般起動發(fā)電機故障的概率比較大，如果啟動發(fā)電機和點火系統(tǒng)是正常的，那么FCU故障的概率是比較大的。因為FCU供油出現(xiàn)問題容易導(dǎo)致發(fā)動機轉(zhuǎn)速起不來，導(dǎo)致無法啟動。在APU啟動過程中，伴隨著“FAULT”燈亮的頻率是比較高的，一般讀取CDU、APU、BITE都會有故障信息，多數(shù)情況下都是啟動發(fā)電機故障、SCU故障、點火電嘴或點火激勵器故障。如果伴隨著其他的指示現(xiàn)象，如低滑油壓力燈（起動前期亮是正常的）、超速燈、APU探測器不工作燈亮、EGT顯示溫度過高等這些故障現(xiàn)象都比較直觀，很容易判斷出故障原因。APU進氣門作動筒打不開、卡死在關(guān)位的情況下也會導(dǎo)致APU啟動不成功。有時在航前會出現(xiàn)APU第一次啟動不成功的假故障現(xiàn)象，那是由于航后未等到APU進氣門完全關(guān)閉就斷電，導(dǎo)致航前啟動不成功。有時會發(fā)生這樣的故障現(xiàn)象，APU正常運行的時候能供氣但是不能供電，再次啟動的時候卻啟動不成功，這種情況下啟動發(fā)電機故障的概率比較高。

2 APU狀態(tài)監(jiān)控研究和發(fā)展

對于APU的啟動狀態(tài)和工作狀態(tài)的監(jiān)控有助于外場維護，能及時判明故障和對故障現(xiàn)象的總結(jié)，能有效縮短排故時間和有效減少APU突發(fā)故障，可以大大減少飛機因為APU故障造成的非例行停場時間，所以有效對APU進行狀態(tài)監(jiān)控也是很有必要的。

發(fā)動機的狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)是通過對發(fā)動機的氣路參數(shù)和旁路參數(shù)進行監(jiān)控實現(xiàn)的，發(fā)動機主要提供飛機推力，直接決定發(fā)動機性能的氣路參數(shù)主要有：EGT（渦輪排氣溫度）、N1（低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速）或者EPR（增壓比）、N2（高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速）和FF（燃油流量）；旁路參數(shù)是間接影響發(fā)動機性能的參數(shù)，這些參數(shù)也同樣是極其重要的，主要有：VIB（振動指標(biāo)）、OP（滑油壓力）、OT（滑油溫度）、OL（滑油量）。這些參數(shù)具有很好的表征意義，EGT表征了發(fā)動機的性能衰退；N1或者EPR表征了發(fā)動機推力；N2是壓氣機性能的很好表征；FF則表征發(fā)動機的效率。

利用空地數(shù)據(jù)鏈，飛機在飛行中會將監(jiān)控參數(shù)進行簡單處理，同時傳給維修基地。維修基地進行數(shù)據(jù)解碼后，將這些解碼后的數(shù)據(jù)提供給狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷軟件，軟件對數(shù)據(jù)進行篩選 ，并剔除有明顯缺陷、不正確、不完整的數(shù)據(jù)，然后再用發(fā)動機的工作狀態(tài)和大氣條件將這些數(shù)據(jù)換算成標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)，進行平滑處理，最終與發(fā)動機的基線進行比較得到發(fā)動機的衰退表征和故障表征。衰退表征決定了發(fā)動機的壽命，針對發(fā)動機的剩余壽命進行排隊，可以比較出發(fā)動機的健康狀態(tài)；故障表征與相應(yīng)的特征故障譜對比得到可能的故障和排故措施，以便返回基地馬上進行修理。

APU是一臺單級渦輪發(fā)動機，僅為飛機提供電源和氣動壓力源。APU的狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷系統(tǒng)的特征參數(shù)雖然也分為氣路參數(shù)和旁路參數(shù)，但由于APU的運行狀態(tài)是固定的（轉(zhuǎn)速和輸出氣壓也是調(diào)定的），且APU的故障多出現(xiàn)在啟動過程中，各項性能和喘振的預(yù)防由放氣活門（IGV）開度調(diào)節(jié)，燃油流量隨控于IGV開度而無監(jiān)控意義。因此原有的特征參數(shù)由4個變成一個EGT，顯然是不夠的，需要補充一些監(jiān)控參數(shù)，包括表征APU的啟動性能的EGT峰值、表征APU的主要負(fù)載的TBP總管壓力和總管流量。

為了監(jiān)控APU啟動過程健康情況，可以對將APU的啟動過程進行對比分析，用健康正常的APU啟動曲線和被監(jiān)控的APU啟動曲線進行對比分析，并進行偏移量監(jiān)控，當(dāng)偏移量超出允許范圍后，就進行記錄分析，可以有效判明預(yù)發(fā)故障趨勢。

3 結(jié)語

飛機APU的原理和啟動故障分析可以很有效地排故APU中七成的故障，對于快速排除故障和縮短排故時間有著重要意義，而日常對于APU的狀態(tài)監(jiān)控，用類似于發(fā)動機性能監(jiān)控技術(shù)對APU進行監(jiān)控，可以很有效地對APU預(yù)發(fā)故障進行提前預(yù)知和提前防范，可以很有效地減少APU的突發(fā)性故障對于航班的影響，對于航空公司的日常運營有著戰(zhàn)略重要意義。

參考文獻

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