飞机APU故障浅析和状态监控发展研究

摘 要：APU即辅助动力装置，是现代飞机上比较重要的，但并不是不可或缺的中大型部件之一，航线维护中故障率较高，但是缺乏状态实时监控，若产生故障会经常在缺乏地面电源和气源的机场造成不必要的麻烦，该文浅析了APU气动过程故障和排故思路以及APU工作状态监控的发展和研究。

关键词：APU 辅助动力装置 飞机 故障 状态监控

中图分类号：V263.6 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）03（b）-0130-02

Auxiliary Power Unit辅助动力装置，简称APU，在大、中型飞机上和大型直升机上，为了减少对地面（机场）供电设备的依赖，都装有独立的小型动力装置，称为辅助动力装置或APU。

APU的作用是向飞机独立地提供电力和压缩空气，也有少量的APU可以向飞机提供附加推力。飞机在地面上起飞前，由APU供电来启动主发动机，从而不需依靠地面电、气源车来发动飞机。在地面时APU提供电力和压缩空气，保证客舱和驾驶舱内的照明和空调，在飞机起飞时使发动机功率全部用于地面加速和爬升，改善了起飞性能。降落后，仍由APU供应电力照明和空调，使主发动机提早关闭，从而节省了燃油，降低机场噪声。

通常在飞机爬升到一定高度（5 000 m以下）辅助动力装置关闭，但在飞行中当主发动机空中停车时，APU可在一定高度（一般为10 000 m）以下的高空中及时启动，为发动机重新启动提供动力。

1 APU启动过程故障浅析

这里以波音737NG飞机APU为例。737NG飞机APU系统围绕着其使用功能，故障的出现频率还是比较高的。在APU的引气系统方面，像引气压力低、引气不可用、不稳定，无法用来启动发动机或引起空调不可用等等；在APU的供电方面，像无法供电、自动掉电、电R频率不稳定等等；在APU启动过程中和运行过程中出现的故障也不少，因此按APU故障出现的时间来划分，可以大体上分为两大类： 启动过程中出现故障和正常运行过程中出现故障。 APU为一台单轴的燃气涡轮发动机，工作转速恒定。它驱动一台发电机，气动负载压气机和一个减速齿轮箱。其核心就是一台恒速的发动机，能提供电负载和气负载。而其核心控制部件是ECU和PCU。ECU控制APU的功能并通过内置自检系统监控APU的功能。

在APU启动、加速和保持恒速工程中FCU给流量分配器和流量分配器电磁活门供应正确的燃油流量迄今为止，各种APU故障发生了很多起，有的故障现象很明显，不难排除。但是有些故障发生的原因有很多种，所要考虑的问}有很多方面。

首先来看下APU启动过程中所遇到的一些情r，当将APU电门拔到START位置，然后释放，开关将返回ON位，ECU打开 APU燃油关断活门和APU进气道门。当进气道门完全打开，门上的位置电门闭合。发送一个门已经完全打开的信号给ECU。当进气门完全打开时，ECU给SCU发送信号，SCU通知SPU给其供应270 V直流电。SCU将270 V直流电变换为交流电，供给起动发电机工作。

通常所见到的故障就是APU无法启动。启动过程中伴随着一些指示信息（P5和P8）。相关的部件为ECU、SPU、SCU、启动发电机、点火系统、FCU、火警探测器等。例如若APU启动两三次才启动成功，没有任何的显示信息，但是ECU自检CDU中能读到故障信息，一般为ECU炔康募湫故障。对于有时候APU能正常启动有时候不能启动的故障，可以先检查进气道包括滑油冷却进气道是否有外来物。这是因为气路的堵塞会造成供气或滑油冷却不足，导致不能及时供油点火或超温。如果以上正常，就要考虑起启动发电机、FCU和点火系统的故障了。一般起动发电机故障的概率比较大，如果启动发电机和点火系统是正常的，那么FCU故障的概率是比较大的。因为FCU供油出现问题容易导致发动机转速起不来，导致无法启动。在APU启动过程中，伴随着“FAULT”灯亮的频率是比较高的，一般读取CDU、APU、BITE都会有故障信息，多数情况下都是启动发电机故障、SCU故障、点火电嘴或点火激励器故障。如果伴随着其他的指示现象，如低滑油压力灯（起动前期亮是正常的）、超速灯、APU探测器不工作灯亮、EGT显示温度过高等这些故障现象都比较直观，很容易判断出故障原因。APU进气门作动筒打不开、卡死在关位的情r下也会导致APU启动不成功。有时在航前会出现APU第一次启动不成功的假故障现象，那是由于航后未等到APU进气门完全关闭就断电，导致航前启动不成功。有时会发生这样的故障现象，APU正常运行的时候能供气但是不能供电，再次启动的时候却启动不成功，这种情况下启动发电机故障的概率比较高。

2 APU状态监控研究和发展

对于APU的启动状态和工作状态的监控有助于外场维护，能及时判明故障和对故障现象的总结，能有效缩短排故时间和有效减少APU突发故障，可以大大减少飞机因为APU故障造成的非例行停场时间，所以有效对APU进行状态监控也是很有必要的。

发动机的状态监控技术是通过对发动机的气路参数和旁路参数进行监控实现的，发动机主要提供飞机推力，直接决定发动机性能的气路参数主要有：EGT（涡轮排气温度）、N1（低压转子转速）或者EPR（增压比）、N2（高压转子转速）和FF（燃油流量）；旁路参数是间接影响发动机性能的参数，这些参数也同样是极其重要的，主要有：VIB（振动指标）、OP（滑油压力）、OT（滑油温度）、OL（滑油量）。这些参数具有很好的表征意义，EGT表征了发动机的性能衰退；N1或者EPR表征了发动机推力；N2是压气机性能的很好表征；FF则表征发动机的效率。

利用空地数据链，飞机在飞行中会将监控参数进行简单处理，同时传给维修基地。维修基地进行数据解码后，将这些解码后的数据提供给状态监控和故障诊断软件，软件对数据进行筛选 ，并剔除有明显缺陷、不正确、不完整的数据，然后再用发动机的工作状态和大气条件将这些数据换算成标准工作状态，进行平滑处理，最终与发动机的基线进行比较得到发动机的衰退表征和故障表征。衰退表征决定了发动机的寿命，针对发动机的剩余寿命进行排队，可以比较出发动机的健康状态；故障表征与相应的特征故障谱对比得到可能的故障和排故措施，以便返回基地马上进行修理。

APU是一台单级涡轮发动机，仅为飞机提供电源和气动压力源。APU的状态监控和故障诊断系统的特征参数虽然也分为气路参数和旁路参数，但由于APU的运行状态是固定的（转速和输出气压也是调定的），且APU的故障多出现在启动过程中，各项性能和喘振的预防由放气活门（IGV）开度调节，燃油流量随控于IGV开度而无监控意义。因此原有的特征参数由4个变成一个EGT，显然是不够的，需要补充一些监控参数，包括表征APU的启动性能的EGT峰值、表征APU的主要负载的TBP总管压力和总管流量。

为了监控APU启动过程健康情况，可以对将APU的启动过程进行对比分析，用健康正常的APU启动曲线和被监控的APU启动曲线进行对比分析，并进行偏移量监控，当偏移量超出允许范围后，就进行记录分析，可以有效判明预发故障趋势。

3 结语

飞机APU的原理和启动故障分析可以很有效地排故APU中七成的故障，对于快速排除故障和缩短排故时间有着重要意义，而日常对于APU的状态监控，用类似于发动机性能监控技术对APU进行监控，可以很有效地对APU预发故障进行提前预知和提前防范，可以很有效地减少APU的突发性故障对于航班的影响，对于航空公司的日常运营有着战略重要意义。

参考文献

[1] （美）美国波音飞机制造有限公司.AIRCRAFT MAINTENANCE MANUALⅠANDⅡ[Z].

[2] （美）美国波音飞机制造有限公司.System Schematics Manual[Z].

[3] （美）美国波音飞机制造有限公司.Wiring Diagram Manual[Z].

[4] 乔淑静，杨士峰.波音737-800型飞机APU启动发电 系统典型故障分析[J].航空维修与工程，2003（5）：38-39.