輔助動力裝置的健康管理研究

趙振可

（上海飛機設計研究院動力燃油系統設計研究部，上海200240）

輔助動力裝置的健康管理研究

趙振可

（上海飛機設計研究院動力燃油系統設計研究部，上海200240）

介紹了輔助動力裝置（APU）系統健康管理系統的組成、構架及原理，對APU系統的性能趨勢、滑油溫度趨勢、起動時間趨勢、停車時間趨勢進行了剖析，給出了APU性能趨勢的分析實例，構建了APU健康管理方案。

輔助動力裝置；APU；健康管理

APU是一臺不提供推力的燃氣渦輪發動機，向飛機提供輔助動力源，可用于機內照明、空調供氣、起動主發動機等。隨著航空工業的飛速發展，APU的安全性與可靠性越來越引起人們的重視。APU因其結構復雜，又工作在高速、高溫的惡劣環境下，比較容易發生各種故障。如何在故障發生之前或發生早期，及時捕捉故障信息，并采取有效措施防止故障擴展或發生，對于杜絕和消除惡性事故隱患具有特別重要的意義。

重要的APU參數例如排氣溫度、轉速、滑油溫度和滑油壓力等，主要依靠座艙儀表顯示，由飛行員目視監視。如何利用數字電子計算機技術自動監視APU的健康狀況，預測診斷APU故障，延長APU使用壽命，保證APU安全工作和降低維護成本成為研制新一代APU的重要研究內容之一。

APU健康管理是用于保證APU安全可靠運行、降低使用費用與保障費用，采取積極主動的措施來監視APU的健康狀態、預測性能變化趨勢、預測部件故障發生的時機，以及采取必要的措施緩解APU的性能衰退、部件故障/失效的決策和執行過程的狀態管理技術。APU健康管理可以開發成為機載軟件，也可以由航空公司集成到本地管理平臺中，由維護人員實時的維護。APU健康管理可以幫助航線維護人員對飛機進行故障診斷，縮短人工發現、修理故障時間，減輕維修人員的工作負擔，降低航空公司的運營成本。

1　APU性能趨勢監測

APU參數的趨勢圖是分析APU健康狀況和失效模式的相關癥狀有力的工具。APU參數的趨勢圖主要是利用建立的APU健康參數的平均值和變化值的基線，從統計意義上區分健康參數的變化，進而對APU性能衰退和相關零部件故障情況進行預判。

通常用目前的APU性能與基線對比，來判斷APU的性能是否正在偏離正常的運行水平。APU的性能基線可以從APU生產廠家、裝機APU性能測試、在役APU的運行數據等方面得到。APU的性能和參數變化趨勢主要有以下幾類：

1.1APU核心機性能惡化趨勢

表征APU核心機性能惡化趨勢的參數主要為排氣溫度和耗油率。隨著APU性能的惡化，渦輪和壓氣機效率的降低將導致消耗更多的燃油以維持相應的轉速或功率。耗油率的增加就會導致排氣溫度的增加。可以通過檢測排氣溫度和耗油率與基線的差值來判斷性能的惡化程度。

排氣溫度和耗油率的基線值應該在APU剛投入使用時建立。如果APU經過大修后，基線值有較大改變，則應該確立第二個基線值。對于新研APU，性能趨勢的基線可以利用多個APU在試驗臺的數據而建立；對于在役APU，性能趨勢的基線可以利用在役APU的運行數據而建立。這些數據中必須要經過修正，修正方法如下［1］：利用公式可以將EGT轉化為標況下的值，此外還要將EGT按軸功進行標準化。EGT按軸功進行標準化是發動機廠商的專利。EGT按軸功進行標準化時，可利用發動機廠商提供的性能盤計算在不同工況時的EGT和燃油流量，計算值可作為基準值。如果不能獲取EGT標準化EGT按軸功進行標準化的方法或沒有性能盤，可以利用APU空載時EGT的數值，只用標準化為標準大氣下的值也可以。EGT按軸功進行標準化后，可以計算出EGT與基線的差值：

1.2滑油溫度趨勢

滑油溫度趨勢用來表征滑油冷卻系統或者發電機是否故障。滑油溫度的上升表明滑油散熱器可能被堵塞，可能是滑油散熱器入口有雜物。滑油溫度的基線沒必要建立，但需要建立一個報警值，該報警值一般由發動機生產商提供。

1.3啟動時間

APU的啟動時間是指從發出啟動指令到APU達到額定轉速或可加載狀態的時間。如果APU啟動時間突然增加（例如正常情況下是60 s，突然增加到80 s），表明APU的壓氣機或渦輪的性能已惡化，或者引氣閥故障在開位。對于不同飛機，APU的啟動時間可能不同，飛行員也可能駕駛不同的飛機，所以飛行員可能不能及時發現APU啟動時間的異常變化。APU啟動時間趨勢可以發現APU啟動時間的變化，及早采取維修措施、準備備件等。

1.4停車時間

APU的停車時間是指從發出停車指令到APU達到定義的停車轉速的時間。停車時間的變化趨勢可以表征APU軸承、齒輪的惡化，或者機械故障等情況的發生（例如正常情況下停車時間是30 s，突然減少到10 s）。由于機組關閉APU后，會操作其他內容，不會將注意力一直集中在APU，可能會忽略停車時間的變化。因此APU停車時間趨勢可以及早發現APU的惡化，提前采取措施，避免航線中的APU不可用。

亨利·米勒說，忘記一個女人最好的辦法，就是把她變成文學。他的文學里曾出現過不同的女人，但當他用一杯滾燙的明前茶引燃思緒，水汽裊裊，茶香料峭地彌漫了整個房間時，他的指尖卻只有一個女人的文學。他淺淺地呷上一口：明前茶的味道其實很寡淡，寡淡得竟有些純澈。

1.5滑油消耗趨勢

滑油消耗趨勢用來表征APU性能退化或者滑油系統漏油。

2　APU的健康管理研究

APU健康管理的主要目標是APU的安全性、可靠性和可用性，主要包括：機載數據采集和分析，非機載數據趨勢分析和維修決策支持和保持APU工作的保障資源，如維修人員、地面保障人員、設備、零件和補給［2］。

APU健康管理可以對單臺APU的不同參數趨勢進行分析，例如對某臺APU的EGT進行趨勢分析，可以得出性能退化是否正常，是否需要采取維修措施、提前采購備件等；也可以對多臺APU的同一參數進行縱向對比分析，從而對機隊APU各方面的性能進行排序，以及時查找分析原因并采取相應的改善措施。

2.1單臺APU性能趨勢

以某型號APU為例，研究單臺APU的排氣溫度趨勢。圖1為APU排氣溫度裕度示意圖，隨著APU的使用，APU的排氣溫度限制值也小幅的增大，而APU引氣起動主發時的排氣溫度則有較大幅度的增大，這就導致APU排氣溫度變化裕度縮小。圖中所示為APU正常使用時，排氣溫度裕度的變化情況。

圖1　APU排氣溫度裕度

將實際采集的APU引氣起動主發時的排氣溫度根據公式（1）進行標準化，然后將圖1所讀取的基線值減去換算的排氣溫度值，即可讀出排氣溫度的差值，見圖2.由于三次排氣溫度值均低于基線值，所以本臺APU性能趨勢良好。由于最后一次差值較前兩次小，說明排氣溫度與基線值的差值在變小。與前兩次相比，APU性能趨勢有輕微惡化現象，但在合理范圍內，不必采取改善措施。如果換算的排氣溫度高于基線值，即差值為負數，則說明APU性能趨勢惡化明顯，需要重點監控并采取措施以改善APU性能。

圖2　APU排氣溫度差值實例

2.2多臺APU性能比較

APU健康管理也可對機隊的多臺APU按排氣溫度差值進行排序。例如某天采集的不同APU排氣溫度值、環境值、APU運行時間，排氣溫度基線值，得出差值見表1.如果根據差值進行排序，則APU的性能排序為A/C3＞A/C1＞A/C2＞A/C4.由于前三臺APU排氣溫度值均低于基線值，四臺APU性能趨勢良好。可根據機隊APU性能排序結果，對性能較差的APU

進行原因分析，定位后采取相應的改善措施，以提高APU使用壽命，也可以根據此結果合理的安排備件采購。第四臺APU的EGT值高于基準值，表明APU性能已經退化，需要對該臺APU進行監控及檢查，以確認性能退化原因，及早準備維修或更換發動機等。

表1　多臺APU性能排序

2.3其他趨勢及比較

可根據APU性能趨勢及比較的方法，建立APU滑油溫度趨勢及比較、起動時間趨勢及比較、停車時間趨勢及比較、滑油消耗趨勢及比較等。根據分析結果，可全面的掌握APU性能及子系統的工作情況，預測APU存在的故障，重點監控有問題APU，并及時采取改善或更換措施。

3　結束語

本文介紹了APU健康管理的現狀、背景和意義，分析并設計了APU性能趨勢、滑油溫度趨勢、起動時間趨勢、停車時間趨勢等，設計了APU健康管理的構架，并給出了APU性能趨勢的分析實例，以實例來說明APU健康管理的工作原理。APU系統健康管理的運用，可以提高飛機的派遣率，改善航空公司運行的安全性和經濟性，為民用飛機的可靠運行提供保障。

［1］SAE International.AIR5317.A Guide to APU Health Man agement［S］.USA：SAE International，2006.

［2］趙連春.發動機控制［M］.北京:航空工業出版社，2011.

Auxiliary Power UnitHealth Management Study

ZHAO Zhen-ke
（Shanghai Aircraft Design and Research Institute of Power Research and Fuel System Design Department，Shanghai 200240，China）

Introduces the composition of theauxiliary powerunit（APU）system healthmanagementsystem，architecture and principle，the APU system performance trends，sliding oil temperature trend，starting time trend，parking time trend analysis，examplesofanalysisofAPU performance trend isgiven to construct the APU healthmanagementscheme.

APU；auxiliary power unit；healthmanagement

故障診斷與維修

V233.7

A

1672-545X（2016）05-0184-02

2016-02-08

趙振可（1982），男，河南人，碩士研究生，工程師，研究方向：APU系統控制系統設計。