飛機APU故障淺析和狀態監控發展研究

張彭

摘 要：APU即輔助動力裝置，是現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，但是缺乏狀態實時監控，若產生故障會經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工作狀態監控的發展和研究。

關鍵詞：APU 輔助動力裝置 飛機 故障 狀態監控

中圖分類號：V263.6 文獻標識碼：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供電來啟動主發動機，從而不需依靠地面電、氣源車來發動飛機。在地面時APU提供電力和壓縮空氣，保證客艙和駕駛艙內的照明和空調，在飛機起飛時使發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供應電力照明和空調，使主發動機提早關閉，從而節省了燃油，降低機場噪聲。

通常在飛機爬升到一定高度（5 000 m以下）輔助動力裝置關閉，但在飛行中當主發動機空中停車時，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系統圍繞著其使用功能，故障的出現頻率還是比較高的。在APU的引氣系統方面，像引氣壓力低、引氣不可用、不穩定，無法用來啟動發動機或引起空調不可用等等；在APU的供電方面，像無法供電、自動掉電、電圧頻率不穩定等等；在APU啟動過程中和運行過程中出現的故障也不少，因此按APU故障出現的時間來劃分，可以大體上分為兩大類： 啟動過程中出現故障和正常運行過程中出現故障。 APU為一臺單軸的燃氣渦輪發動機，工作轉速恒定。它驅動一臺發電機，氣動負載壓氣機和一個減速齒輪箱。其核心就是一臺恒速的發動機，能提供電負載和氣負載。而其核心控制部件是ECU和PCU。ECU控制APU的功能并通過內置自檢系統監控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正確的燃油流量迄今為止，各種APU故障發生了很多起，有的故障現象很明顯，不難排除。但是有些故障發生的原因有很多種，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，當將APU電門拔到START位置，然后釋放，開關將返回ON位，ECU打開 APU燃油關斷活門和APU進氣道門。當進氣道門完全打開，門上的位置電門閉合。發送一個門已經完全打開的信號給ECU。當進氣門完全打開時，ECU給SCU發送信號，SCU通知SPU給其供應270 V直流電。SCU將270 V直流電變換為交流電，供給起動發電機工作。

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）。相關的部件為ECU、SPU、SCU、啟動發電機、點火系統、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，就要考慮起啟動發電機、FCU和點火系統的故障了。一般起動發電機故障的概率比較大，如果啟動發電機和點火系統是正常的，那么FCU故障的概率是比較大的。因為FCU供油出現問題容易導致發動機轉速起不來，導致無法啟動。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，多數情況下都是啟動發電機故障、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、卡死在關位的情況下也會導致APU啟動不成功。有時在航前會出現APU第一次啟動不成功的假故障現象，那是由于航后未等到APU進氣門完全關閉就斷電，導致航前啟動不成功。有時會發生這樣的故障現象，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，這種情況下啟動發電機故障的概率比較高。

2 APU狀態監控研究和發展

對于APU的啟動狀態和工作狀態的監控有助于外場維護，能及時判明故障和對故障現象的總結，能有效縮短排故時間和有效減少APU突發故障，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進行狀態監控也是很有必要的。

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

利用空地數據鏈，飛機在飛行中會將監控參數進行簡單處理，同時傳給維修基地。維修基地進行數據解碼后，將這些解碼后的數據提供給狀態監控和故障診斷軟件，軟件對數據進行篩選 ，并剔除有明顯缺陷、不正確、不完整的數據，然后再用發動機的工作狀態和大氣條件將這些數據換算成標準工作狀態，進行平滑處理，最終與發動機的基線進行比較得到發動機的衰退表征和故障表征。衰退表征決定了發動機的壽命，針對發動機的剩余壽命進行排隊，可以比較出發動機的健康狀態；故障表征與相應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是一臺單級渦輪發動機，僅為飛機提供電源和氣動壓力源。APU的狀態監控和故障診斷系統的特征參數雖然也分為氣路參數和旁路參數，但由于APU的運行狀態是固定的（轉速和輸出氣壓也是調定的），且APU的故障多出現在啟動過程中，各項性能和喘振的預防由放氣活門（IGV）開度調節，燃油流量隨控于IGV開度而無監控意義。因此原有的特征參數由4個變成一個EGT，顯然是不夠的，需要補充一些監控參數，包括表征APU的啟動性能的EGT峰值、表征APU的主要負載的TBP總管壓力和總管流量。

為了監控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啟動曲線和被監控的APU啟動曲線進行對比分析，并進行偏移量監控，當偏移量超出允許范圍后，就進行記錄分析，可以有效判明預發故障趨勢。

3 結語

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的狀態監控，用類似于發動機性能監控技術對APU進行監控，可以很有效地對APU預發故障進行提前預知和提前防范，可以很有效地減少APU的突發性故障對于航班的影響，對于航空公司的日常運營有著戰略重要意義。

參考文獻

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