輔助動力裝置的健康管理研究

趙振可

（上海飛機(jī)設(shè)計研究院動力燃油系統(tǒng)設(shè)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(jī)設(shè)計研究院動力燃油系統(tǒng)設(shè)計研究部，上海200240）

介紹了輔助動力裝置（APU）系統(tǒng)健康管理系統(tǒng)的組成、構(gòu)架及原理，對APU系統(tǒng)的性能趨勢、滑油溫度趨勢、起動時間趨勢、停車時間趨勢進(jìn)行了剖析，給出了APU性能趨勢的分析實例，構(gòu)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?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，向飛機(jī)提供輔助動力源，可用于機(jī)內(nèi)照明、空調(diào)供氣、起動主發(fā)動機(jī)等。隨著航空工業(yè)的飛速發(fā)展，APU的安全性與可靠性越來越引起人們的重視。APU因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，又工作在高速、高溫的惡劣環(huán)境下，比較容易發(fā)生各種故障。如何在故障發(fā)生之前或發(fā)生早期，及時捕捉故障信息，并采取有效措施防止故障擴(kuò)展或發(fā)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(shù)例如排氣溫度、轉(zhuǎn)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(jiān)視。如何利用數(shù)字電子計算機(jī)技術(shù)自動監(jiān)視APU的健康狀況，預(yù)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(hù)成本成為研制新一代APU的重要研究內(nèi)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(jiān)視APU的健康狀態(tài)、預(yù)測性能變化趨勢、預(yù)測部件故障發(fā)生的時機(jī)，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(zhí)行過程的狀態(tài)管理技術(shù)。APU健康管理可以開發(fā)成為機(jī)載軟件，也可以由航空公司集成到本地管理平臺中，由維護(hù)人員實時的維護(hù)。APU健康管理可以幫助航線維護(hù)人員對飛機(jī)進(jìn)行故障診斷，縮短人工發(fā)現(xiàn)、修理故障時間，減輕維修人員的工作負(fù)擔(dān)，降低航空公司的運營成本。

1　APU性能趨勢監(jiān)測

APU參數(shù)的趨勢圖是分析APU健康狀況和失效模式的相關(guān)癥狀有力的工具。APU參數(shù)的趨勢圖主要是利用建立的APU健康參數(shù)的平均值和變化值的基線，從統(tǒng)計意義上區(qū)分健康參數(shù)的變化，進(jìn)而對APU性能衰退和相關(guān)零部件故障情況進(jìn)行預(yù)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(chǎn)廠家、裝機(jī)APU性能測試、在役APU的運行數(shù)據(jù)等方面得到。APU的性能和參數(shù)變化趨勢主要有以下幾類：

1.1APU核心機(jī)性能惡化趨勢

表征APU核心機(jī)性能惡化趨勢的參數(shù)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(jī)效率的降低將導(dǎo)致消耗更多的燃油以維持相應(yīng)的轉(zhuǎn)速或功率。耗油率的增加就會導(dǎo)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(yīng)該在APU剛投入使用時建立。如果APU經(jīng)過大修后，基線值有較大改變，則應(yīng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)而建立。這些數(shù)據(jù)中必須要經(jīng)過修正，修正方法如下［1］：利用公式可以將EGT轉(zhuǎn)化為標(biāo)況下的值，此外還要將EGT按軸功進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。EGT按軸功進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化是發(fā)動機(jī)廠商的專利。EGT按軸功進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化時，可利用發(fā)動機(jī)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(zhǔn)值。如果不能獲取EGT標(biāo)準(zhǔn)化EGT按軸功進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的方法或沒有性能盤，可以利用APU空載時EGT的數(shù)值，只用標(biāo)準(zhǔn)化為標(biāo)準(zhǔn)大氣下的值也可以。EGT按軸功進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)或者發(fā)電機(jī)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(fā)動機(jī)生產(chǎn)商提供。

1.3啟動時間

APU的啟動時間是指從發(fā)出啟動指令到APU達(dá)到額定轉(zhuǎn)速或可加載狀態(tài)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(jī)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(jī)，APU的啟動時間可能不同，飛行員也可能駕駛不同的飛機(jī)，所以飛行員可能不能及時發(fā)現(xiàn)APU啟動時間的異常變化。APU啟動時間趨勢可以發(fā)現(xiàn)APU啟動時間的變化，及早采取維修措施、準(zhǔn)備備件等。

1.4停車時間

APU的停車時間是指從發(fā)出停車指令到APU達(dá)到定義的停車轉(zhuǎn)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(jī)械故障等情況的發(fā)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(jī)組關(guān)閉APU后，會操作其他內(nèi)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(fā)現(xiàn)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(xué)。他的文學(xué)里曾出現(xiàn)過不同的女人，但當(dāng)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(xué)。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(tǒng)漏油。

2　APU的健康管理研究

APU健康管理的主要目標(biāo)是APU的安全性、可靠性和可用性，主要包括：機(jī)載數(shù)據(jù)采集和分析，非機(jī)載數(shù)據(jù)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(shè)備、零件和補(bǔ)給［2］。

APU健康管理可以對單臺APU的不同參數(shù)趨勢進(jìn)行分析，例如對某臺APU的EGT進(jìn)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(shù)進(jìn)行縱向?qū)Ρ确治觯瑥亩鴮C(jī)隊APU各方面的性能進(jìn)行排序，以及時查找分析原因并采取相應(yīng)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(fā)時的排氣溫度則有較大幅度的增大，這就導(dǎo)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(fā)時的排氣溫度根據(jù)公式（1）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)象，但在合理范圍內(nèi)，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(fù)數(shù)，則說明APU性能趨勢惡化明顯，需要重點監(jiān)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(jī)隊的多臺APU按排氣溫度差值進(jìn)行排序。例如某天采集的不同APU排氣溫度值、環(huán)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(jù)差值進(jìn)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(jù)機(jī)隊APU性能排序結(jié)果，對性能較差的APU

進(jìn)行原因分析，定位后采取相應(yīng)的改善措施，以提高APU使用壽命，也可以根據(jù)此結(jié)果合理的安排備件采購。第四臺APU的EGT值高于基準(zhǔn)值，表明APU性能已經(jīng)退化，需要對該臺APU進(jìn)行監(jiān)控及檢查，以確認(rèn)性能退化原因，及早準(zhǔn)備維修或更換發(fā)動機(jī)等。

表1　多臺APU性能排序

2.3其他趨勢及比較

可根據(jù)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(jù)分析結(jié)果，可全面的掌握APU性能及子系統(tǒng)的工作情況，預(yù)測APU存在的故障，重點監(jiān)控有問題APU，并及時采取改善或更換措施。

3　結(jié)束語

本文介紹了APU健康管理的現(xiàn)狀、背景和意義，分析并設(shè)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(shè)計了APU健康管理的構(gòu)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(tǒng)健康管理的運用，可以提高飛機(jī)的派遣率，改善航空公司運行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，為民用飛機(jī)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(fā)動機(jī)控制［M］.北京:航空工業(yè)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(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計。