張彭

摘 要：APU即輔助動(dòng)力裝置，是現(xiàn)代飛機(jī)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(hù)中故障率較高，但是缺乏狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，若產(chǎn)生故障會(huì)經(jīng)常在缺乏地面電源和氣源的機(jī)場(chǎng)造成不必要的麻煩，該文淺析了APU氣動(dòng)過(guò)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(dòng)力裝置 飛機(jī) 故障 狀態(tài)監(jiān)控

中圖分類號(hào)：V263.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）03（b）-0130-02

Auxiliary Power Unit輔助動(dòng)力裝置，簡(jiǎn)稱APU，在大、中型飛機(jī)上和大型直升機(jī)上，為了減少對(duì)地面（機(jī)場(chǎng)）供電設(shè)備的依賴，都裝有獨(dú)立的小型動(dòng)力裝置，稱為輔助動(dòng)力裝置或APU。

APU的作用是向飛機(jī)獨(dú)立地提供電力和壓縮空氣，也有少量的APU可以向飛機(jī)提供附加推力。飛機(jī)在地面上起飛前，由APU供電來(lái)啟動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)，從而不需依靠地面電、氣源車來(lái)發(fā)動(dòng)飛機(jī)。在地面時(shí)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(jī)起飛時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)提早關(guān)閉，從而節(jié)省了燃油，降低機(jī)場(chǎng)噪聲。

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

1 APU啟動(dòng)過(guò)程故障淺析

這里以波音737NG飛機(jī)APU為例。737NG飛機(jī)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(wú)法用來(lái)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)或引起空調(diào)不可用等等；在APU的供電方面，像無(wú)法供電、自動(dòng)掉電、電圧頻率不穩(wěn)定等等；在APU啟動(dòng)過(guò)程中和運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的故障也不少，因此按APU故障出現(xiàn)的時(shí)間來(lái)劃分，可以大體上分為兩大類： 啟動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)故障和正常運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障。 APU為一臺(tái)單軸的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，工作轉(zhuǎn)速恒定。它驅(qū)動(dòng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)，氣動(dòng)負(fù)載壓氣機(jī)和一個(gè)減速齒輪箱。其核心就是一臺(tái)恒速的發(fā)動(dòng)機(jī)，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(guò)內(nèi)置自檢系統(tǒng)監(jiān)控APU的功能。

在APU啟動(dòng)、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(wèn)題有很多方面。

首先來(lái)看下APU啟動(dòng)過(guò)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(kāi)關(guān)將返回ON位，ECU打開(kāi) APU燃油關(guān)斷活門和APU進(jìn)氣道門。當(dāng)進(jìn)氣道門完全打開(kāi)，門上的位置電門閉合。發(fā)送一個(gè)門已經(jīng)完全打開(kāi)的信號(hào)給ECU。當(dāng)進(jìn)氣門完全打開(kāi)時(shí)，ECU給SCU發(fā)送信號(hào)，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(dòng)發(fā)電機(jī)工作。

通常所見(jiàn)到的故障就是APU無(wú)法啟動(dòng)。啟動(dòng)過(guò)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(dòng)發(fā)電機(jī)、點(diǎn)火系統(tǒng)、FCU、火警探測(cè)器等。例如若APU啟動(dòng)兩三次才啟動(dòng)成功，沒(méi)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(duì)于有時(shí)候APU能正常啟動(dòng)有時(shí)候不能啟動(dòng)的故障，可以先檢查進(jìn)氣道包括滑油冷卻進(jìn)氣道是否有外來(lái)物。這是因?yàn)闅饴返亩氯麜?huì)造成供氣或滑油冷卻不足，導(dǎo)致不能及時(shí)供油點(diǎn)火或超溫。如果以上正常，就要考慮起啟動(dòng)發(fā)電機(jī)、FCU和點(diǎn)火系統(tǒng)的故障了。一般起動(dòng)發(fā)電機(jī)故障的概率比較大，如果啟動(dòng)發(fā)電機(jī)和點(diǎn)火系統(tǒng)是正常的，那么FCU故障的概率是比較大的。因?yàn)镕CU供油出現(xiàn)問(wèn)題容易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速起不來(lái)，導(dǎo)致無(wú)法啟動(dòng)。在APU啟動(dòng)過(guò)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(huì)有故障信息，多數(shù)情況下都是啟動(dòng)發(fā)電機(jī)故障、SCU故障、點(diǎn)火電嘴或點(diǎn)火激勵(lì)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(dòng)前期亮是正常的）、超速燈、APU探測(cè)器不工作燈亮、EGT顯示溫度過(guò)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(jìn)氣門作動(dòng)筒打不開(kāi)、卡死在關(guān)位的情況下也會(huì)導(dǎo)致APU啟動(dòng)不成功。有時(shí)在航前會(huì)出現(xiàn)APU第一次啟動(dòng)不成功的假故障現(xiàn)象，那是由于航后未等到APU進(jìn)氣門完全關(guān)閉就斷電，導(dǎo)致航前啟動(dòng)不成功。有時(shí)會(huì)發(fā)生這樣的故障現(xiàn)象，APU正常運(yùn)行的時(shí)候能供氣但是不能供電，再次啟動(dòng)的時(shí)候卻啟動(dòng)不成功，這種情況下啟動(dòng)發(fā)電機(jī)故障的概率比較高。

2 APU狀態(tài)監(jiān)控研究和發(fā)展

對(duì)于APU的啟動(dòng)狀態(tài)和工作狀態(tài)的監(jiān)控有助于外場(chǎng)維護(hù)，能及時(shí)判明故障和對(duì)故障現(xiàn)象的總結(jié)，能有效縮短排故時(shí)間和有效減少APU突發(fā)故障，可以大大減少飛機(jī)因?yàn)锳PU故障造成的非例行停場(chǎng)時(shí)間，所以有效對(duì)APU進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控也是很有必要的。

發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)是通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣路參數(shù)和旁路參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控實(shí)現(xiàn)的，發(fā)動(dòng)機(jī)主要提供飛機(jī)推力，直接決定發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)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(dòng)機(jī)的性能衰退；N1或者EPR表征了發(fā)動(dòng)機(jī)推力；N2是壓氣機(jī)性能的很好表征；FF則表征發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。

利用空地?cái)?shù)據(jù)鏈，飛機(jī)在飛行中會(huì)將監(jiān)控參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，同時(shí)傳給維修基地。維修基地進(jìn)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(dòng)機(jī)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(jìn)行平滑處理，最終與發(fā)動(dòng)機(jī)的基線進(jìn)行比較得到發(fā)動(dòng)機(jī)的衰退表征和故障表征。衰退表征決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的剩余壽命進(jìn)行排隊(duì)，可以比較出發(fā)動(dòng)機(jī)的健康狀態(tài)；故障表征與相應(yīng)的特征故障譜對(duì)比得到可能的故障和排故措施，以便返回基地馬上進(jìn)行修理。

APU是一臺(tái)單級(jí)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，僅為飛機(jī)提供電源和氣動(dòng)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(yùn)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(dòng)過(guò)程中，各項(xiàng)性能和喘振的預(yù)防由放氣活門（IGV）開(kāi)度調(diào)節(jié)，燃油流量隨控于IGV開(kāi)度而無(wú)監(jiān)控意義。因此原有的特征參數(shù)由4個(gè)變成一個(gè)EGT，顯然是不夠的，需要補(bǔ)充一些監(jiān)控參數(shù)，包括表征APU的啟動(dòng)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(dòng)過(guò)程健康情況，可以對(duì)將APU的啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行對(duì)比分析，用健康正常的APU啟動(dòng)曲線和被監(jiān)控的APU啟動(dòng)曲線進(jìn)行對(duì)比分析，并進(jìn)行偏移量監(jiān)控，當(dāng)偏移量超出允許范圍后，就進(jìn)行記錄分析，可以有效判明預(yù)發(fā)故障趨勢(shì)。

3 結(jié)語(yǔ)

飛機(jī)APU的原理和啟動(dòng)故障分析可以很有效地排故APU中七成的故障，對(duì)于快速排除故障和縮短排故時(shí)間有著重要意義，而日常對(duì)于APU的狀態(tài)監(jiān)控，用類似于發(fā)動(dòng)機(jī)性能監(jiān)控技術(shù)對(duì)APU進(jìn)行監(jiān)控，可以很有效地對(duì)APU預(yù)發(fā)故障進(jìn)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(duì)于航班的影響，對(duì)于航空公司的日常運(yùn)營(yíng)有著戰(zhàn)略重要意義。

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