關(guān)于直升機APU 常見故障類型的故障分析

王守樂，劉松，王明，邱金山

（中國直升機設(shè)計研究所，天津，300300）

1 輔助動力裝置(APU)概述

1.1 飛機輔助動力裝置(APU)的背景和意義

輔助動力裝置(APU)是種與航空發(fā)動機主要結(jié)構(gòu)相似的小型渦輪軸發(fā)動機[1]。APU 設(shè)計最主要的功能是為發(fā)動機提供動力，啟動發(fā)動機。同時由于僅僅提供發(fā)動機推力，不為飛機提供動力源，所以在燃料消耗方面要遠遠低于發(fā)動機。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)動機停車，APU 可以重新啟動，一方面為飛機提供緊急電源和供氣，另一方面緊急為飛機發(fā)動機提供助力，重啟發(fā)動機，保證飛機和飛行員人身財產(chǎn)安全。輔助動力裝置除了為發(fā)動機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提供應(yīng)急電源供機上使用。

由于飛機發(fā)動機故障導(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，飛機發(fā)動機遭受鳥擊，進而導(dǎo)致發(fā)動機故障停車。當時執(zhí)飛的薩倫伯格機長緊急利用APU 提供的電力控制飛機并安全降落在哈德遜河上，機上155 名乘客和機組全部生還。

圖3 “哈德遜河奇跡”現(xiàn)場

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

圖4 某型直升機輔助動力裝置（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)，實現(xiàn)對APU 的保護和故障顯示等功能。

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 的燃氣渦輪發(fā)動機主要結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由壓氣機和渦輪部分、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)動機需求也更高。目前對于大型客機或大型直升機，發(fā)動機選用的都是燃氣渦輪發(fā)動機。燃氣渦輪發(fā)動機的一個顯著特點是只有轉(zhuǎn)速達到一定值時方可點火啟動，點火后正常工作達到工作轉(zhuǎn)速。由于這種特點，燃氣渦輪發(fā)動機需要一種額外的裝置帶動其轉(zhuǎn)動，提升轉(zhuǎn)速達到點火轉(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)動機停止的時候可以不依靠地面電源系統(tǒng)為飛機供電，供氣。直升機引氣系統(tǒng)示意圖如圖7所示，發(fā)動機由空氣起動機起動，氣源可以來自輔助動力裝置，地面氣源以及發(fā)動機交叉引氣三個方面?？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，也可給環(huán)控系統(tǒng)提供高溫高壓的空氣[6]。

圖7 直升機引氣系統(tǒng)示意圖

2 APU 典型故障

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

APU 的失效，使用困難等問題，將會給飛機的安全和使用帶來嚴重的影響，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

飛機的整個運行時間內(nèi)，APU 并不是持續(xù)工作，APU在帶轉(zhuǎn)發(fā)動機啟動且平穩(wěn)運轉(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)動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，使 EGT 處于可操作狀態(tài)，待轉(zhuǎn)速達到起動值時點火啟動。

2.1.1 APU 啟動過程故障

正常APU 啟動程序為按下啟動按鈕后，EGT、空氣壓力和機油壓力在9 秒內(nèi)升高，且APU 轉(zhuǎn)速在20～60 秒期間達到怠速狀態(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，進而啟動失敗;

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

(c)如果直升機起動閥漏氣，可以查看飛參中左右發(fā)燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速，如果空氣起動機轉(zhuǎn)速有轉(zhuǎn)速，說明直升機起動閥漏氣。左右發(fā)燃氣發(fā)生器、空氣起動機轉(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備件進行驗證，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)致進氣受影響，為了保持平衡，進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

當電瓶電壓低于正常啟動電壓時，會造成起動機輸入電壓不足，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輸入電壓來判斷排除。

（2）APU 起動機或齒輪箱故障造成加速慢

原理上與上條類似，由于起動機或齒輪箱故障，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。滑油壓力上升慢，無法達到噴油點火要求，持續(xù)時間超過要求后導(dǎo)致啟動失敗。滑油壓力低還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，當達到一定濃度時經(jīng)點火系統(tǒng)點燃，如果始終無法正常點火，且點火系統(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火系統(tǒng)故障導(dǎo)致APU 啟動失敗。可以通過檢查點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，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)電機和滑油系統(tǒng)散熱，熱量持續(xù)累積，進而導(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時查看是否有漏油情況并檢查滑油壓力傳感器進行故障排除。

（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而排除故障。

3 結(jié)論

本文對直升機APU 常見故障進行故障分析，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)合實際情況來分析，進行故障定位并進行機理分析。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際的故障現(xiàn)象，了解故障發(fā)生時的各個細節(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，同時可以提供壓縮空氣和軸功率為飛機發(fā)動機啟動提供支持。APU 作為保障飛機安全和舒適度的重要設(shè)備，已經(jīng)漸漸成為直升飛機設(shè)計中必不可少的一個裝置，同時APU 是保證發(fā)動機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。