关于直升机APU 常见故障类型的故障分析

王守乐，刘松，王明，邱金山

（中国直升机设计研究所，天津，300300）

1 辅助动力装置(APU)概述

1.1 飞机辅助动力装置(APU)的背景和意义

辅助动力装置(APU)是种与航空发动机主要结构相似的小型涡轮轴发动机[1]。APU 设计最主要的功能是为发动机提供动力，启动发动机。同时由于仅仅提供发动机推力，不为飞机提供动力源，所以在燃料消耗方面要远远低于发动机。除此之外如果在空中飞行时由于某些突发故障导致发动机停车，APU 可以重新启动，一方面为飞机提供紧急电源和供气，另一方面紧急为飞机发动机提供助力，重启发动机，保证飞机和飞行员人身财产安全。辅助动力装置除了为发动机提供动力和启动引气之外，在乘员舒适性方面也有很重要的作用，在地面时可通过APU 为机上主要用电设备供电，比如空调[2]，则可以通过引气功能保障正常使用，在空中时可以为飞机提供应急电源供机上使用。

由于飞机发动机故障导致的事故屡见不鲜，由于其特殊性，一般面临的都是机毁人亡。2009 年全美航空的“哈德逊河奇迹”是和APU 相关最知名的行业新闻，在起飞时，飞机发动机遭受鸟击，进而导致发动机故障停车。当时执飞的萨伦伯格机长紧急利用APU 提供的电力控制飞机并安全降落在哈德逊河上，机上155 名乘客和机组全部生还。

图3 “哈德逊河奇迹”现场

近年来由于辅助动力装置的进展喜人，且技术日趋成熟，所以在各种飞机上的应用也愈发频繁。尤其在大型客机与大吨位直升机上的应用越来越多，这是因为有APU 为飞机独立供电，且不需要启动发动机，燃料消耗更少，且可以减少对地面电源的依赖，实用性更强。

图4 某型直升机辅助动力装置（APU）

APU 控制系统以电子顺序组件(ESU)为中心，ESU 通过控制电气系统各附件的工作状态以控制APU 的整个启动过程和各种工作状态，实现对APU 的保护和故障显示等功能。

图5 APU 功能图

ESU 的BITE 指示器在启动时显示正常的启动时序外还可通过不同BITE 代码组合来可显示各种故障，当ESU 检测到APU 的故障时，会显示BITE 代码信息来指示故障。BITE 代码即使在掉电情况下仍可保持不变，但在重新恢复供电时会复位。

APU 的燃气涡轮发动机主要结构如图2 所示，由压气机和涡轮部分、燃烧室部分、减速传动部分三个主要部件以及燃油控制系统、启动系统和滑油系统、电气监控系统组成[3]。其中APU 启动系统、排气系统以及滑油系统容易出现故障[4]。

图2 APU 安装示意图

图6 APU 主要结构图

1.2 APU 工作原理

由于近些年我国对于航空器的使用需求逐渐提升，对航空器的某些使用性能和功能要求也更高，与此同时对于高功率的发动机需求也更高。目前对于大型客机或大型直升机，发动机选用的都是燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机的一个显著特点是只有转速达到一定值时方可点火启动，点火后正常工作达到工作转速。由于这种特点，燃气涡轮发动机需要一种额外的装置带动其转动，提升转速达到点火转速。常用的启动方式为空气起动，其中空气启动的气源一般来自APU 供气[5]。

APU 主要用途是在发动机停止的时候可以不依靠地面电源系统为飞机供电，供气。直升机引气系统示意图如图7所示，发动机由空气起动机起动，气源可以来自辅助动力装置，地面气源以及发动机交叉引气三个方面。空气起动系统的功能就是将来自气源的高压空气导向需要的部位，不仅用于起动发动机，也可给环控系统提供高温高压的空气[6]。

图7 直升机引气系统示意图

2 APU 典型故障

启动电机将来自电力系统的电能转换为机械能，带动辅助动力装置发动机转子转动，辅助动力装置发动机转子转速达到启动转速时第一燃烧室的燃油燃烧并带动涡轮转动，涡轮的机械能传至压气机，压气机将涡轮的机械能转换为气压能传输至发动机的空气涡轮启动机，发动机的空气涡轮启动机将气压能转换为带动发动机的核心转子转动的机械能，启动发动机，发动机启动后进入稳定运行状态时，气压机的气压能引气通道关闭[7]。

APU 的失效，使用困难等问题，将会给飞机的安全和使用带来严重的影响，APU 常见故障包括启动失败和APU自动停车[8]。

2.1 APU 启动失败

飞机的整个运行时间内，APU 并不是持续工作，APU在带转发动机启动且平稳运转后即可关闭APU，在发生紧急情况时在打开。APU 启动过程可以分为预启动和启动阶段[7]。预启动时首先使用交流电源蓄压，待达到一定压力后通过喷油嘴喷出油雾；在启动时，打开直流电源，带动APU 发动机转子转动，使 EGT 处于可操作状态，待转速达到起动值时点火启动。

2.1.1 APU 启动过程故障

正常APU 启动程序为按下启动按钮后，EGT、空气压力和机油压力在9 秒内升高，且APU 转速在20～60 秒期间达到怠速状态，APU 起动程序完成。但是如果在正常启动程序中两条中有一条未满足要求，就会出现APU 启动失败故障。

列出故障树如图9 所示，下面对几种情况进行故障分析如下:

图9 APU 启动失败故障树

(a)如果环控加温调节阀未关闭，会导致APU 无法正常引气，进而启动失败;

(b)如果直升机引气控制阀漏气，可以查看飞参中燃气涡轮出口温度，若燃气涡轮出口温度比环境温度高，说明直升机引气控制阀漏气。燃气涡轮出口温度若保持在0 位，证明直升机引气控制阀未漏气；

(c)如果直升机起动阀漏气，可以查看飞参中左右发燃气发生器转速，如果空气起动机转速有转速，说明直升机起动阀漏气。左右发燃气发生器、空气起动机转速保持在0 位，证明起动阀未漏气。

(d)APU 引气管检查是否有松动漏气情况；

(e)APU 附件主燃油电磁阀与燃调故障可通过更换其他架机备件进行验证，若更换后故障现象不变，则基本可排除APU 附件主燃油电磁阀与燃调故障；

(f)如果直升机引气系统漏气，可以查看故障前后空载温度变化，如果直升机引气系统破损，空载温度会比正常温度高很多。通过故障前启动APU 时空载温度与启动失败故障发生时空载温度相比较，如果出故障时空载温度较正常温度高，可能是由于引气管路破损，导致进气受影响，为了保持平衡，进而燃油需要提供更多使APU 正常起动，所以空载温度会比正常温度高很多。如果温度没有变化，则证明直升机引气系统未漏气。

通过上述分析可以看出如果出现APU 启动失败故障，首先需排查启动过程中是否出现漏气情况，如果未出现漏气情况在排查各个关键部件故障情况。

2.1.2 其他原因

（1）电瓶电压不足造成加速慢

当电瓶电压低于正常启动电压时，会造成起动机输入电压不足，同时导致输出扭矩太小，很难带动APU 转动，从而使得加速慢。对于该问题可以通过测重起动机输入电压来判断排除。

（2）APU 起动机或齿轮箱故障造成加速慢

原理上与上条类似，由于起动机或齿轮箱故障，导致输出扭矩太小，无法正常带转APU，所以导致APU加速慢。滑油压力上升慢，无法达到喷油点火要求，持续时间超过要求后导致启动失败。滑油压力低还有一种可能为滑油系统故障导致，原理相同，超过正常启动时间无法点火启动导致APU 自动失败。

（3）供油不足

对于冬季有可能会由于供油油量不足导致无法APU 正常点火启动，对于这种情况可以将供油管打开，用杯子接油，查看其油量及流速，如果流速缓慢则有可能由于结冰导致供油管堵塞，如果流速正常，则可以排除此原因。

（4）尾喷管喷嘴雾化浓度不足

正常启动APU 时，燃油经过高压喷嘴喷出，当达到一定浓度时经点火系统点燃，如果始终无法正常点火，且点火系统无故障，则有可能是尾喷管喷油嘴雾化浓度不足。由于经常使用在尾喷管处有可能会存在积碳，导致喷油嘴堵塞，可以通过清理喷油嘴来处理故障。

（5）点火系统故障造成启动失败

按下APU 启动按钮后，EGT 一直不上升，但是可以听到起动机已经带转APU 转动，且尾喷管处已经有油雾喷出，基本可以定位是由于点火系统故障导致APU 启动失败。可以通过检查点火装置是否有异常来判断。

2.2 自动停车

APU 常见故障通常出现在启动阶段，即正常启动后由于故障导致自动停车情况比较少见，通常是由于滑油系统问题导致，一种是滑油温度高出规定值导致，另一种为滑油压力过低导致，还有一种是由于APU 触发超速保护，为了安全被动停车。

（1）滑油温度高

一般滑油温度高可能是由于冷却管路堵塞或者冷却风扇故障导致。由于冷却系统故障，导致无法给APU 发电机和滑油系统散热，热量持续累积，进而导致滑油温度过高而自动停车。

（2）滑油压力低

报滑油压力低有两种可能，一种是由于APU 滑油系统漏油，缺失一定量滑油后导致报警，还有一种是由于滑油压力传感器故障误报滑油压力低导致自动停车。对于这两种情况可以在维护时查看是否有漏油情况并检查滑油压力传感器进行故障排除。

（3）APU 超速停车

如果发生APU 超速停车故障，可以通过查看超速灯是否亮，如果超速灯亮且并未有明显异常，则证明可能超速电路有问题，可以通过检查相关部件分析可能原因进而排除故障。

3 结论

本文对直升机APU 常见故障进行故障分析，为后续人员做故障排查提供一些思路。然而APU 启动不成功的原因多种多样，需要结合实际情况来分析，进行故障定位并进行机理分析。对于类似事件来说，排查故障之前应该首先询问飞行员实际的故障现象，了解故障发生时的各个细节，之后逐步排查原因排除故障。

APU 本身有着重量轻、使用寿命长、启动时间短等优点，同时可以提供压缩空气和轴功率为飞机发动机启动提供支持。APU 作为保障飞机安全和舒适度的重要设备，已经渐渐成为直升飞机设计中必不可少的一个装置，同时APU 是保证发动机空中停车后再启动的主要设备，它直接影响飞行安全。所以对于APU 典型故障的收集并分析是非常重要的。