王守樂，劉松，王明，邱金山

（中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，天津，300300）

1 輔助動力裝置(APU)概述

1.1 飛機(jī)輔助動力裝置(APU)的背景和意義

輔助動力裝置(APU)是種與航空發(fā)動機(jī)主要結(jié)構(gòu)相似的小型渦輪軸發(fā)動機(jī)[1]。APU 設(shè)計(jì)最主要的功能是為發(fā)動機(jī)提供動力，啟動發(fā)動機(jī)。同時由于僅僅提供發(fā)動機(jī)推力，不為飛機(jī)提供動力源，所以在燃料消耗方面要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)動機(jī)。除此之外如果在空中飛行時由于某些突發(fā)故障導(dǎo)致發(fā)動機(jī)停車，APU 可以重新啟動，一方面為飛機(jī)提供緊急電源和供氣，另一方面緊急為飛機(jī)發(fā)動機(jī)提供助力，重啟發(fā)動機(jī)，保證飛機(jī)和飛行員人身財產(chǎn)安全。輔助動力裝置除了為發(fā)動機(jī)提供動力和啟動引氣之外，在乘員舒適性方面也有很重要的作用，在地面時可通過APU 為機(jī)上主要用電設(shè)備供電，比如空調(diào)[2]，則可以通過引氣功能保障正常使用，在空中時可以為飛機(jī)提供應(yīng)急電源供機(jī)上使用。

由于飛機(jī)發(fā)動機(jī)故障導(dǎo)致的事故屢見不鮮，由于其特殊性，一般面臨的都是機(jī)毀人亡。2009 年全美航空的“哈德遜河奇跡”是和APU 相關(guān)最知名的行業(yè)新聞，在起飛時，飛機(jī)發(fā)動機(jī)遭受鳥擊，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)故障停車。當(dāng)時執(zhí)飛的薩倫伯格機(jī)長緊急利用APU 提供的電力控制飛機(jī)并安全降落在哈德遜河上，機(jī)上155 名乘客和機(jī)組全部生還。

圖3 “哈德遜河奇跡”現(xiàn)場

近年來由于輔助動力裝置的進(jìn)展喜人，且技術(shù)日趨成熟，所以在各種飛機(jī)上的應(yīng)用也愈發(fā)頻繁。尤其在大型客機(jī)與大噸位直升機(jī)上的應(yīng)用越來越多，這是因?yàn)橛蠥PU 為飛機(jī)獨(dú)立供電，且不需要啟動發(fā)動機(jī)，燃料消耗更少，且可以減少對地面電源的依賴，實(shí)用性更強(qiáng)。

圖4 某型直升機(jī)輔助動力裝置（APU）

APU 控制系統(tǒng)以電子順序組件(ESU)為中心，ESU 通過控制電氣系統(tǒng)各附件的工作狀態(tài)以控制APU 的整個啟動過程和各種工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對APU 的保護(hù)和故障顯示等功能。

圖5 APU 功能圖

ESU 的BITE 指示器在啟動時顯示正常的啟動時序外還可通過不同BITE 代碼組合來可顯示各種故障，當(dāng)ESU 檢測到APU 的故障時，會顯示BITE 代碼信息來指示故障。BITE 代碼即使在掉電情況下仍可保持不變，但在重新恢復(fù)供電時會復(fù)位。

APU 的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)主要結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由壓氣機(jī)和渦輪部分、燃燒室部分、減速傳動部分三個主要部件以及燃油控制系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)和滑油系統(tǒng)、電氣監(jiān)控系統(tǒng)組成[3]。其中APU 啟動系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)以及滑油系統(tǒng)容易出現(xiàn)故障[4]。

圖2 APU 安裝示意圖

圖6 APU 主要結(jié)構(gòu)圖

1.2 APU 工作原理

由于近些年我國對于航空器的使用需求逐漸提升，對航空器的某些使用性能和功能要求也更高，與此同時對于高功率的發(fā)動機(jī)需求也更高。目前對于大型客機(jī)或大型直升機(jī)，發(fā)動機(jī)選用的都是燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)。燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的一個顯著特點(diǎn)是只有轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時方可點(diǎn)火啟動，點(diǎn)火后正常工作達(dá)到工作轉(zhuǎn)速。由于這種特點(diǎn)，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)需要一種額外的裝置帶動其轉(zhuǎn)動，提升轉(zhuǎn)速達(dá)到點(diǎn)火轉(zhuǎn)速。常用的啟動方式為空氣起動，其中空氣啟動的氣源一般來自APU 供氣[5]。

APU 主要用途是在發(fā)動機(jī)停止的時候可以不依靠地面電源系統(tǒng)為飛機(jī)供電，供氣。直升機(jī)引氣系統(tǒng)示意圖如圖7所示，發(fā)動機(jī)由空氣起動機(jī)起動，氣源可以來自輔助動力裝置，地面氣源以及發(fā)動機(jī)交叉引氣三個方面?？諝馄饎酉到y(tǒng)的功能就是將來自氣源的高壓空氣導(dǎo)向需要的部位，不僅用于起動發(fā)動機(jī)，也可給環(huán)控系統(tǒng)提供高溫高壓的空氣[6]。

圖7 直升機(jī)引氣系統(tǒng)示意圖

2 APU 典型故障

啟動電機(jī)將來自電力系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，帶動輔助動力裝置發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，輔助動力裝置發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到啟動轉(zhuǎn)速時第一燃燒室的燃油燃燒并帶動渦輪轉(zhuǎn)動，渦輪的機(jī)械能傳至壓氣機(jī)，壓氣機(jī)將渦輪的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為氣壓能傳輸至發(fā)動機(jī)的空氣渦輪啟動機(jī)，發(fā)動機(jī)的空氣渦輪啟動機(jī)將氣壓能轉(zhuǎn)換為帶動發(fā)動機(jī)的核心轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的機(jī)械能，啟動發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)啟動后進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時，氣壓機(jī)的氣壓能引氣通道關(guān)閉[7]。

APU 的失效，使用困難等問題，將會給飛機(jī)的安全和使用帶來嚴(yán)重的影響，APU 常見故障包括啟動失敗和APU自動停車[8]。

2.1 APU 啟動失敗

飛機(jī)的整個運(yùn)行時間內(nèi)，APU 并不是持續(xù)工作，APU在帶轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)啟動且平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)后即可關(guān)閉APU，在發(fā)生緊急情況時在打開。APU 啟動過程可以分為預(yù)啟動和啟動階段[7]。預(yù)啟動時首先使用交流電源蓄壓，待達(dá)到一定壓力后通過噴油嘴噴出油霧；在啟動時，打開直流電源，帶動APU 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，使 EGT 處于可操作狀態(tài)，待轉(zhuǎn)速達(dá)到起動值時點(diǎn)火啟動。

2.1.1 APU 啟動過程故障

正常APU 啟動程序?yàn)榘聪聠影粹o后，EGT、空氣壓力和機(jī)油壓力在9 秒內(nèi)升高，且APU 轉(zhuǎn)速在20～60 秒期間達(dá)到怠速狀態(tài)，APU 起動程序完成。但是如果在正常啟動程序中兩條中有一條未滿足要求，就會出現(xiàn)APU 啟動失敗故障。

列出故障樹如圖9 所示，下面對幾種情況進(jìn)行故障分析如下:

圖9 APU 啟動失敗故障樹

(a)如果環(huán)控加溫調(diào)節(jié)閥未關(guān)閉，會導(dǎo)致APU 無法正常引氣，進(jìn)而啟動失敗;

(b)如果直升機(jī)引氣控制閥漏氣，可以查看飛參中燃?xì)鉁u輪出口溫度，若燃?xì)鉁u輪出口溫度比環(huán)境溫度高，說明直升機(jī)引氣控制閥漏氣。燃?xì)鉁u輪出口溫度若保持在0 位，證明直升機(jī)引氣控制閥未漏氣；

(c)如果直升機(jī)起動閥漏氣，可以查看飛參中左右發(fā)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速，如果空氣起動機(jī)轉(zhuǎn)速有轉(zhuǎn)速，說明直升機(jī)起動閥漏氣。左右發(fā)燃?xì)獍l(fā)生器、空氣起動機(jī)轉(zhuǎn)速保持在0 位，證明起動閥未漏氣。

(d)APU 引氣管檢查是否有松動漏氣情況；

(e)APU 附件主燃油電磁閥與燃調(diào)故障可通過更換其他架機(jī)備件進(jìn)行驗(yàn)證，若更換后故障現(xiàn)象不變，則基本可排除APU 附件主燃油電磁閥與燃調(diào)故障；

(f)如果直升機(jī)引氣系統(tǒng)漏氣，可以查看故障前后空載溫度變化，如果直升機(jī)引氣系統(tǒng)破損，空載溫度會比正常溫度高很多。通過故障前啟動APU 時空載溫度與啟動失敗故障發(fā)生時空載溫度相比較，如果出故障時空載溫度較正常溫度高，可能是由于引氣管路破損，導(dǎo)致進(jìn)氣受影響，為了保持平衡，進(jìn)而燃油需要提供更多使APU 正常起動，所以空載溫度會比正常溫度高很多。如果溫度沒有變化，則證明直升機(jī)引氣系統(tǒng)未漏氣。

通過上述分析可以看出如果出現(xiàn)APU 啟動失敗故障，首先需排查啟動過程中是否出現(xiàn)漏氣情況，如果未出現(xiàn)漏氣情況在排查各個關(guān)鍵部件故障情況。

2.1.2 其他原因

（1）電瓶電壓不足造成加速慢

當(dāng)電瓶電壓低于正常啟動電壓時，會造成起動機(jī)輸入電壓不足，同時導(dǎo)致輸出扭矩太小，很難帶動APU 轉(zhuǎn)動，從而使得加速慢。對于該問題可以通過測重起動機(jī)輸入電壓來判斷排除。

（2）APU 起動機(jī)或齒輪箱故障造成加速慢

原理上與上條類似，由于起動機(jī)或齒輪箱故障，導(dǎo)致輸出扭矩太小，無法正常帶轉(zhuǎn)APU，所以導(dǎo)致APU加速慢?；蛪毫ι仙瑹o法達(dá)到噴油點(diǎn)火要求，持續(xù)時間超過要求后導(dǎo)致啟動失敗?；蛪毫Φ瓦€有一種可能為滑油系統(tǒng)故障導(dǎo)致，原理相同，超過正常啟動時間無法點(diǎn)火啟動導(dǎo)致APU 自動失敗。

（3）供油不足

對于冬季有可能會由于供油油量不足導(dǎo)致無法APU 正常點(diǎn)火啟動，對于這種情況可以將供油管打開，用杯子接油，查看其油量及流速，如果流速緩慢則有可能由于結(jié)冰導(dǎo)致供油管堵塞，如果流速正常，則可以排除此原因。

（4）尾噴管噴嘴霧化濃度不足

正常啟動APU 時，燃油經(jīng)過高壓噴嘴噴出，當(dāng)達(dá)到一定濃度時經(jīng)點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)燃，如果始終無法正常點(diǎn)火，且點(diǎn)火系統(tǒng)無故障，則有可能是尾噴管噴油嘴霧化濃度不足。由于經(jīng)常使用在尾噴管處有可能會存在積碳，導(dǎo)致噴油嘴堵塞，可以通過清理噴油嘴來處理故障。

（5）點(diǎn)火系統(tǒng)故障造成啟動失敗

按下APU 啟動按鈕后，EGT 一直不上升，但是可以聽到起動機(jī)已經(jīng)帶轉(zhuǎn)APU 轉(zhuǎn)動，且尾噴管處已經(jīng)有油霧噴出，基本可以定位是由于點(diǎn)火系統(tǒng)故障導(dǎo)致APU 啟動失敗?？梢酝ㄟ^檢查點(diǎn)火裝置是否有異常來判斷。

2.2 自動停車

APU 常見故障通常出現(xiàn)在啟動階段，即正常啟動后由于故障導(dǎo)致自動停車情況比較少見，通常是由于滑油系統(tǒng)問題導(dǎo)致，一種是滑油溫度高出規(guī)定值導(dǎo)致，另一種為滑油壓力過低導(dǎo)致，還有一種是由于APU 觸發(fā)超速保護(hù)，為了安全被動停車。

（1）滑油溫度高

一般滑油溫度高可能是由于冷卻管路堵塞或者冷卻風(fēng)扇故障導(dǎo)致。由于冷卻系統(tǒng)故障，導(dǎo)致無法給APU 發(fā)電機(jī)和滑油系統(tǒng)散熱，熱量持續(xù)累積，進(jìn)而導(dǎo)致滑油溫度過高而自動停車。

（2）滑油壓力低

報滑油壓力低有兩種可能，一種是由于APU 滑油系統(tǒng)漏油，缺失一定量滑油后導(dǎo)致報警，還有一種是由于滑油壓力傳感器故障誤報滑油壓力低導(dǎo)致自動停車。對于這兩種情況可以在維護(hù)時查看是否有漏油情況并檢查滑油壓力傳感器進(jìn)行故障排除。

（3）APU 超速停車

如果發(fā)生APU 超速停車故障，可以通過查看超速燈是否亮，如果超速燈亮且并未有明顯異常，則證明可能超速電路有問題，可以通過檢查相關(guān)部件分析可能原因進(jìn)而排除故障。

3 結(jié)論

本文對直升機(jī)APU 常見故障進(jìn)行故障分析，為后續(xù)人員做故障排查提供一些思路。然而APU 啟動不成功的原因多種多樣，需要結(jié)合實(shí)際情況來分析，進(jìn)行故障定位并進(jìn)行機(jī)理分析。對于類似事件來說，排查故障之前應(yīng)該首先詢問飛行員實(shí)際的故障現(xiàn)象，了解故障發(fā)生時的各個細(xì)節(jié)，之后逐步排查原因排除故障。

APU 本身有著重量輕、使用壽命長、啟動時間短等優(yōu)點(diǎn)，同時可以提供壓縮空氣和軸功率為飛機(jī)發(fā)動機(jī)啟動提供支持。APU 作為保障飛機(jī)安全和舒適度的重要設(shè)備，已經(jīng)漸漸成為直升飛機(jī)設(shè)計(jì)中必不可少的一個裝置，同時APU 是保證發(fā)動機(jī)空中停車后再啟動的主要設(shè)備，它直接影響飛行安全。所以對于APU 典型故障的收集并分析是非常重要的。