辅助动力装置的健康管理研究

赵振可

（上海飞机设计研究院动力燃油系统设计研究部，上海200240）

辅助动力装置的健康管理研究

赵振可

（上海飞机设计研究院动力燃油系统设计研究部，上海200240）

介绍了辅助动力装置（APU）系统健康管理系统的组成、构架及原理，对APU系统的性能趋势、滑油温度趋势、起动时间趋势、停车时间趋势进行了剖析，给出了APU性能趋势的分析实例，构建了APU健康管理方案。

辅助动力装置；APU；健康管理

APU是一台不提供推力的燃气涡轮发动机，向飞机提供辅助动力源，可用于机内照明、空调供气、起动主发动机等。随着航空工业的飞速发展，APU的安全性与可靠性越来越引起人们的重视。APU因其结构复杂，又工作在高速、高温的恶劣环境下，比较容易发生各种故障。如何在故障发生之前或发生早期，及时捕捉故障信息，并采取有效措施防止故障扩展或发生，对于杜绝和消除恶性事故隐患具有特别重要的意义。

重要的APU参数例如排气温度、转速、滑油温度和滑油压力等，主要依靠座舱仪表显示，由飞行员目视监视。如何利用数字电子计算机技术自动监视APU的健康状况，预测诊断APU故障，延长APU使用寿命，保证APU安全工作和降低维护成本成为研制新一代APU的重要研究内容之一。

APU健康管理是用于保证APU安全可靠运行、降低使用费用与保障费用，采取积极主动的措施来监视APU的健康状态、预测性能变化趋势、预测部件故障发生的时机，以及采取必要的措施缓解APU的性能衰退、部件故障/失效的决策和执行过程的状态管理技术。APU健康管理可以开发成为机载软件，也可以由航空公司集成到本地管理平台中，由维护人员实时的维护。APU健康管理可以帮助航线维护人员对飞机进行故障诊断，缩短人工发现、修理故障时间，减轻维修人员的工作负担，降低航空公司的运营成本。

1　APU性能趋势监测

APU参数的趋势图是分析APU健康状况和失效模式的相关症状有力的工具。APU参数的趋势图主要是利用建立的APU健康参数的平均值和变化值的基线，从统计意义上区分健康参数的变化，进而对APU性能衰退和相关零部件故障情况进行预判。

通常用目前的APU性能与基线对比，来判断APU的性能是否正在偏离正常的运行水平。APU的性能基线可以从APU生产厂家、装机APU性能测试、在役APU的运行数据等方面得到。APU的性能和参数变化趋势主要有以下几类：

1.1APU核心机性能恶化趋势

表征APU核心机性能恶化趋势的参数主要为排气温度和耗油率。随着APU性能的恶化，涡轮和压气机效率的降低将导致消耗更多的燃油以维持相应的转速或功率。耗油率的增加就会导致排气温度的增加。可以通过检测排气温度和耗油率与基线的差值来判断性能的恶化程度。

排气温度和耗油率的基线值应该在APU刚投入使用时建立。如果APU经过大修后，基线值有较大改变，则应该确立第二个基线值。对于新研APU，性能趋势的基线可以利用多个APU在试验台的数据而建立；对于在役APU，性能趋势的基线可以利用在役APU的运行数据而建立。这些数据中必须要经过修正，修正方法如下［1］：利用公式可以将EGT转化为标况下的值，此外还要将EGT按轴功进行标准化。EGT按轴功进行标准化是发动机厂商的专利。EGT按轴功进行标准化时，可利用发动机厂商提供的性能盘计算在不同工况时的EGT和燃油流量，计算值可作为基准值。如果不能获取EGT标准化EGT按轴功进行标准化的方法或没有性能盘，可以利用APU空载时EGT的数值，只用标准化为标准大气下的值也可以。EGT按轴功进行标准化后，可以计算出EGT与基线的差值：

1.2滑油温度趋势

滑油温度趋势用来表征滑油冷却系统或者发电机是否故障。滑油温度的上升表明滑油散热器可能被堵塞，可能是滑油散热器入口有杂物。滑油温度的基线没必要建立，但需要建立一个报警值，该报警值一般由发动机生产商提供。

1.3启动时间

APU的启动时间是指从发出启动指令到APU达到额定转速或可加载状态的时间。如果APU启动时间突然增加（例如正常情况下是60 s，突然增加到80 s），表明APU的压气机或涡轮的性能已恶化，或者引气阀故障在开位。对于不同飞机，APU的启动时间可能不同，飞行员也可能驾驶不同的飞机，所以飞行员可能不能及时发现APU启动时间的异常变化。APU启动时间趋势可以发现APU启动时间的变化，及早采取维修措施、准备备件等。

1.4停车时间

APU的停车时间是指从发出停车指令到APU达到定义的停车转速的时间。停车时间的变化趋势可以表征APU轴承、齿轮的恶化，或者机械故障等情况的发生（例如正常情况下停车时间是30 s，突然减少到10 s）。由于机组关闭APU后，会操作其他内容，不会将注意力一直集中在APU，可能会忽略停车时间的变化。因此APU停车时间趋势可以及早发现APU的恶化，提前采取措施，避免航线中的APU不可用。

亨利·米勒说，忘记一个女人最好的办法，就是把她变成文学。他的文学里曾出现过不同的女人，但当他用一杯滚烫的明前茶引燃思绪，水汽袅袅，茶香料峭地弥漫了整个房间时，他的指尖却只有一个女人的文学。他浅浅地呷上一口：明前茶的味道其实很寡淡，寡淡得竟有些纯澈。

1.5滑油消耗趋势

滑油消耗趋势用来表征APU性能退化或者滑油系统漏油。

2　APU的健康管理研究

APU健康管理的主要目标是APU的安全性、可靠性和可用性，主要包括：机载数据采集和分析，非机载数据趋势分析和维修决策支持和保持APU工作的保障资源，如维修人员、地面保障人员、设备、零件和补给［2］。

APU健康管理可以对单台APU的不同参数趋势进行分析，例如对某台APU的EGT进行趋势分析，可以得出性能退化是否正常，是否需要采取维修措施、提前采购备件等；也可以对多台APU的同一参数进行纵向对比分析，从而对机队APU各方面的性能进行排序，以及时查找分析原因并采取相应的改善措施。

2.1单台APU性能趋势

以某型号APU为例，研究单台APU的排气温度趋势。图1为APU排气温度裕度示意图，随着APU的使用，APU的排气温度限制值也小幅的增大，而APU引气起动主发时的排气温度则有较大幅度的增大，这就导致APU排气温度变化裕度缩小。图中所示为APU正常使用时，排气温度裕度的变化情况。

图1　APU排气温度裕度

将实际采集的APU引气起动主发时的排气温度根据公式（1）进行标准化，然后将图1所读取的基线值减去换算的排气温度值，即可读出排气温度的差值，见图2.由于三次排气温度值均低于基线值，所以本台APU性能趋势良好。由于最后一次差值较前两次小，说明排气温度与基线值的差值在变小。与前两次相比，APU性能趋势有轻微恶化现象，但在合理范围内，不必采取改善措施。如果换算的排气温度高于基线值，即差值为负数，则说明APU性能趋势恶化明显，需要重点监控并采取措施以改善APU性能。

图2　APU排气温度差值实例

2.2多台APU性能比较

APU健康管理也可对机队的多台APU按排气温度差值进行排序。例如某天采集的不同APU排气温度值、环境值、APU运行时间，排气温度基线值，得出差值见表1.如果根据差值进行排序，则APU的性能排序为A/C3＞A/C1＞A/C2＞A/C4.由于前三台APU排气温度值均低于基线值，四台APU性能趋势良好。可根据机队APU性能排序结果，对性能较差的APU

进行原因分析，定位后采取相应的改善措施，以提高APU使用寿命，也可以根据此结果合理的安排备件采购。第四台APU的EGT值高于基准值，表明APU性能已经退化，需要对该台APU进行监控及检查，以确认性能退化原因，及早准备维修或更换发动机等。

表1　多台APU性能排序

2.3其他趋势及比较

可根据APU性能趋势及比较的方法，建立APU滑油温度趋势及比较、起动时间趋势及比较、停车时间趋势及比较、滑油消耗趋势及比较等。根据分析结果，可全面的掌握APU性能及子系统的工作情况，预测APU存在的故障，重点监控有问题APU，并及时采取改善或更换措施。

3　结束语

本文介绍了APU健康管理的现状、背景和意义，分析并设计了APU性能趋势、滑油温度趋势、起动时间趋势、停车时间趋势等，设计了APU健康管理的构架，并给出了APU性能趋势的分析实例，以实例来说明APU健康管理的工作原理。APU系统健康管理的运用，可以提高飞机的派遣率，改善航空公司运行的安全性和经济性，为民用飞机的可靠运行提供保障。

［1］SAE International.AIR5317.A Guide to APU Health Man agement［S］.USA：SAE International，2006.

［2］赵连春.发动机控制［M］.北京:航空工业出版社，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

故障诊断与维修

V233.7

A

1672-545X（2016）05-0184-02

2016-02-08

赵振可（1982），男，河南人，硕士研究生，工程师，研究方向：APU系统控制系统设计。