關(guān)于老舊飛機(jī)APU的再利用

摘 要：目前，在民航業(yè)內(nèi)擁有飛機(jī)的企業(yè)中有許多的APU面臨著即將淘汰、性能衰退而無(wú)法滿足航空器安全適航的現(xiàn)象。而這些不能服務(wù)于飛機(jī)的APU只要是經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)母脑觳⒓右岳?，可以在民用的諸多領(lǐng)域發(fā)揮其殘余價(jià)值，真正的做到“變廢為寶”。

關(guān)鍵詞：多功能；電源氣源；除雪；除冰；高溫高速

1 項(xiàng)目立項(xiàng)依據(jù)與研究?jī)?nèi)容及成果

1.1 項(xiàng)目的立項(xiàng)依據(jù)

在大、中型飛機(jī)上和大型直升機(jī)上，為了減少對(duì)地面（機(jī)場(chǎng)）供電設(shè)備的依賴(lài)，都裝有獨(dú)立的小型動(dòng)力裝置獨(dú)立輸出壓縮空氣或電力，稱(chēng)為輔助動(dòng)力裝置或APU。民航飛行校驗(yàn)中心從兩架空中國(guó)王350飛機(jī)拆除的兩臺(tái)型號(hào)為GTCP36-150W輔助動(dòng)力單元，因無(wú)其它飛機(jī)使用此型號(hào)APU，所以長(zhǎng)期放置于庫(kù)房之中閑置不用，現(xiàn)擬應(yīng)用這兩臺(tái)APU的動(dòng)力特點(diǎn)組裝成可以提供電源和氣源的地面動(dòng)力源設(shè)備，同時(shí)通過(guò)升級(jí)改造該設(shè)備使其還具有清除停機(jī)坪上的積雪和飛機(jī)機(jī)身的冰雪功能，這樣該設(shè)備就具有電源車(chē)，氣源車(chē)，飛機(jī)除冰車(chē)和地面除雪車(chē)多項(xiàng)功能，充分發(fā)揮這兩臺(tái)設(shè)備的功能特點(diǎn)滿足生產(chǎn)中遇到的實(shí)際需要。

近幾年以來(lái)，隨著全球氣候變暖，全球氣候變得異常多變，我國(guó)北方雨雪天氣頻繁，這對(duì)于航空運(yùn)輸業(yè)影響巨大。對(duì)于大型機(jī)場(chǎng)來(lái)說(shuō)，有專(zhuān)門(mén)的除雪隊(duì)伍使用大型除雪車(chē)來(lái)清除跑道和停機(jī)坪上的積雪。這些大型除雪車(chē)一方面體積龐大，另一方面價(jià)格昂貴，不適用于我們單位。還有些航空公司，使用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣吹除積雪，這類(lèi)方法一方面不易操作，存在安全隱患；另一方面結(jié)合我中心機(jī)坪較小，飛機(jī)較多且都是小型飛機(jī)的實(shí)際情況，這類(lèi)方法對(duì)飛機(jī)的損傷大。

民航飛行校驗(yàn)中心從兩架空中國(guó)王350飛機(jī)拆除的兩臺(tái)型號(hào)為GTCP36-150W輔助動(dòng)力單元，因無(wú)其它飛機(jī)使用此型號(hào)APU，所以長(zhǎng)期放置于庫(kù)房之中閑置不用，為了解決這一難題，解放人力，提高工作效率，本項(xiàng)目旨在開(kāi)發(fā)一臺(tái)多功能動(dòng)力源。這里所用的動(dòng)力源來(lái)自于幾年前從國(guó)王350飛機(jī)拆下的兩臺(tái)輔助動(dòng)力裝置（APU），型號(hào)為GTCP36-150W。所謂輔助動(dòng)力裝置，實(shí)際為一臺(tái)小型航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，具有獨(dú)立的燃油、滑油、起動(dòng)、冷卻等系統(tǒng)和相應(yīng)的安全裝置。其功用包括：飛機(jī)在地面時(shí)可以為飛機(jī)提供空調(diào)和電源，可以減少對(duì)機(jī)場(chǎng)地面氣源車(chē)和地面電源車(chē)的依賴(lài)；為主發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)提供啟動(dòng)壓縮空氣或者啟動(dòng)電源；在起飛過(guò)程中，為飛機(jī)客艙提供空調(diào)以及為電網(wǎng)提供電源以減少對(duì)主發(fā)動(dòng)機(jī)的功率消耗，從而改善飛機(jī)的起飛性能。一臺(tái)應(yīng)用于中型飛機(jī)上的典型輔助動(dòng)力裝置，全套裝置重約130公斤，可提供3.5×105帕（約3.5大氣壓）、190°C的壓縮空氣。其中，供氣量在不供電時(shí)達(dá)到1.0公斤/秒；在輸出45千瓦電力時(shí)達(dá)到0.88公斤/秒。由于其型號(hào)限制，不能安裝在其他機(jī)型的飛機(jī)上，長(zhǎng)期以來(lái)，這兩臺(tái)APU一直閑置于航材庫(kù)房里，無(wú)形中，這是對(duì)資源的一種極大浪費(fèi)。本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的多功能動(dòng)力源裝置將最大限度的發(fā)掘其價(jià)值，為中心節(jié)約成本，同時(shí)服務(wù)于實(shí)際工作。

這臺(tái)多功能動(dòng)力源裝置，集多項(xiàng)功能于一體，包括：為飛機(jī)提供地面電源；為飛機(jī)提供地面氣源；清除機(jī)坪上的積雪；為飛機(jī)除冰。這些功能可以解決目前中心面臨的設(shè)備不足的難題，下面逐一進(jìn)行說(shuō)明。

目前，我中心現(xiàn)有飛機(jī)14架，飛機(jī)在機(jī)坪進(jìn)行工作時(shí)，時(shí)常需要給飛機(jī)通電，另外，國(guó)王300型飛機(jī)需要使用地面電源來(lái)啟動(dòng)起動(dòng)機(jī)。為滿足這些多飛機(jī)的通電要求，僅靠中心現(xiàn)有的一臺(tái)地面電源車(chē)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。有了這臺(tái)多功能動(dòng)力源，可以作為備用地面電源車(chē)使用，這樣可以不用另外采購(gòu)新的專(zhuān)用地面電源車(chē)，為中心節(jié)省一大筆資金。

1.2 研究意義

飛機(jī)上應(yīng)用的輔助動(dòng)力單元移植到地面使用，除可以提供電源和氣源供應(yīng)以外，還可以用來(lái)清除地面積雪和飛機(jī)機(jī)身冰雪的能力，充分發(fā)揮閑置不用設(shè)備的實(shí)用價(jià)值。飛機(jī)上應(yīng)用的輔助動(dòng)力單元移植到地面使用，除可以提供電源和氣源供應(yīng)以外，還可以用來(lái)清除地面積雪和飛機(jī)機(jī)身冰雪的能力，充分發(fā)揮閑置不用設(shè)備的實(shí)用價(jià)值。

1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析

目前，國(guó)內(nèi)外的大型航空企業(yè)，為了滿足飛機(jī)大功率用電設(shè)備和氣源需求，已有將飛機(jī)的輔助動(dòng)力單元移植到地面作為電源和氣源供應(yīng)設(shè)備，為飛機(jī)設(shè)備用電和發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)供應(yīng)電能和氣源，但具有地面除雪和飛機(jī)機(jī)身除冰功能設(shè)備還沒(méi)有，如果利用APU的高速高溫氣能源，使其具有地面除雪和飛機(jī)除冰的功能，這將是APU應(yīng)用的新嘗試。

2 項(xiàng)目的研究目標(biāo)、具體研究?jī)?nèi)容，以及擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

2.1 研究目標(biāo)

將飛機(jī)用APU實(shí)現(xiàn)地面多功能應(yīng)用，可以為地面設(shè)備提供28V，220V電源，45PSI壓力氣源以及100℃ 以上的除冰氣源和清除地面積雪。

2.2 研究?jī)?nèi)容

本項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容如下：a. 多功能動(dòng)力源的自行走功能。b. 為蓄電池充電的功能部分。c. 除冰雪功能的實(shí)現(xiàn)方法。d. APU的地面遠(yuǎn)端監(jiān)控和控制。

2.3 擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題

如何利用APU尾噴高溫高速排氣實(shí)現(xiàn)對(duì)地面積雪的清掃（文氏管原理）。

文丘里管 Venturi tube 測(cè)量流體壓差而確定流量的裝置。由意大利物理學(xué)家G.B.文丘里發(fā)明而得名。其構(gòu)造如圖，由等直徑入口段、收縮段、等直徑喉道和擴(kuò)散段等組成，串聯(lián)于管路中。設(shè)入口段和喉道處流體平均流速、靜壓和管道截面面積分別為v1、p1、S1和v2、p2、S2，密度ρ不變，根據(jù)連續(xù)性方程S1v1=S2v2=Q和伯努利方程p1+ρv12=p2+ρv22（假定管軸線水平），可導(dǎo)出流量 。

除壓差（p1-p2）外均為已知數(shù)，故測(cè)量此壓差即可求得流量。對(duì)于液體，于入口段和喉道處分別安裝測(cè)壓管即可測(cè)出此壓差；對(duì)于氣體，應(yīng)敷設(shè)測(cè)壓孔，通過(guò)導(dǎo)管將壓力傳輸至壓力計(jì)。為避免出現(xiàn)流動(dòng)分離，收縮段型線應(yīng)光滑，擴(kuò)散段的擴(kuò)散角不能過(guò)大，如不超過(guò)7°～8°。文丘里管具有裝置簡(jiǎn)單、測(cè)量可靠、壓強(qiáng)損失小等優(yōu)點(diǎn)，已廣為應(yīng)用。

3 擬采取的研究方案及可行性分析

本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的多功能地面動(dòng)力源裝置，動(dòng)力來(lái)源于APU，關(guān)鍵技術(shù)在于如何實(shí)現(xiàn)對(duì)APU輸出動(dòng)力的利用。緊密結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，所用設(shè)備和材料多來(lái)自于中心現(xiàn)有資源。這次項(xiàng)目所使用的APU，其工作原理和應(yīng)用價(jià)值了然于胸，長(zhǎng)期以來(lái)一直在思考如何充分利用。這套系統(tǒng)主要圍繞兩臺(tái)閑置的APU展開(kāi)，主要工作是如何開(kāi)發(fā)其功能。APU本身自帶發(fā)電機(jī)，高壓引氣也是其主要功能。我們通過(guò)合理設(shè)計(jì)方案，將機(jī)載的輔助動(dòng)力裝置應(yīng)用于地面上，這些方案是切實(shí)可行的。

在此基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步發(fā)掘其潛能，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際遇到的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了自動(dòng)除雪和飛機(jī)除冰功能。這兩項(xiàng)功能巧妙利用APU燃燒后排放的高溫高速燃?xì)?，鑒于APU功率的限制，在實(shí)現(xiàn)除雪功能時(shí)，我們沒(méi)有參照別人采用過(guò)的直噴吹除的方法，而是另辟蹊徑，巧妙運(yùn)用文氏管原理，設(shè)計(jì)一套除雪、除冰引氣管路。經(jīng)過(guò)文氏管的加速作用，引氣速度大幅提升，由此產(chǎn)生的壓差將滿足除雪的功率需求。這里的文氏管原理在飛機(jī)的供油系統(tǒng)里廣泛應(yīng)用，經(jīng)過(guò)了大量的工程驗(yàn)證，因此，把它應(yīng)用在這里也是可行的。

方案里的遙控控制原理在現(xiàn)實(shí)中已經(jīng)相當(dāng)成熟，不存在技術(shù)上的問(wèn)題。電動(dòng)車(chē)的設(shè)計(jì)更是有大量的方案可供參考。

3.1 項(xiàng)目研究方案

主要以實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證為主。

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，需要試制簡(jiǎn)易裝置對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。（1）試制除雪管道，主要是文氏管收縮段、喉道、擴(kuò)散段的尺寸。另外，試制除冰引氣口。（2）試制遙控器，測(cè)試發(fā)射裝置和接收裝置是否可靠。（3）試制APU高壓引氣管接口，測(cè)試其與飛機(jī)的接口是否搭配。（4） 制作成品裝置。根據(jù)設(shè)計(jì)方案和計(jì)算參數(shù)，以及試制的簡(jiǎn)易裝置，確定最終的制作方案，并制作成品裝置，測(cè)試并驗(yàn)收。

3.2 技術(shù)路線

本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的多功能地面動(dòng)力源裝置，動(dòng)力來(lái)源于APU，關(guān)鍵技術(shù)在于如何實(shí)現(xiàn)對(duì)APU輸出動(dòng)力的利用。

（1）APU本身裝有一臺(tái)啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，既可作為起動(dòng)機(jī)啟動(dòng)APU，又可在APU完成啟動(dòng)后轉(zhuǎn)換成發(fā)電模式。我們可以把發(fā)電機(jī)發(fā)的電儲(chǔ)存在大容量的鉛酸蓄電池中，在動(dòng)力源輸出面板上安裝220V和24V電源線，滿足不同用電設(shè)備的需要。（2）APU高壓引氣可作為氣源車(chē)使用。設(shè)計(jì)一根引氣管，一端連接在APU壓氣機(jī)引起孔，另一端做成標(biāo)準(zhǔn)接頭，該接頭可以與飛機(jī)的空氣起動(dòng)機(jī)接頭相連接。在引氣管內(nèi)安裝引氣開(kāi)關(guān)控制活門(mén)，實(shí)現(xiàn)對(duì)APU引氣的控制。（3）地面除雪車(chē)可以設(shè)計(jì)一臺(tái)可以遙控控制的電動(dòng)車(chē)，將多功能地面動(dòng)力源安裝在電動(dòng)車(chē)上。APU的工作參數(shù)，如：N1、N2、ITT可以通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)竭b控器的顯示窗口上，操作人員可隨時(shí)觀察APU的工作狀態(tài)是否正常。遙控器上的方向和速度控制旋鈕可以控制除雪車(chē)的行進(jìn)速度和行車(chē)方向，自動(dòng)完成除雪。在動(dòng)力源上加裝滅火瓶，當(dāng)APU發(fā)生火災(zāi)時(shí)，通過(guò)遙控器上的滅火旋鈕實(shí)現(xiàn)自動(dòng)滅火。將APU排氣引入到一條文氏管內(nèi)，文氏管的唇形開(kāi)口用于抽吸地面積雪。（4）APU排氣引入到一條管道用于飛機(jī)的除冰。在管路上加裝溫度調(diào)節(jié)活門(mén)，通過(guò)改變外界冷空氣的進(jìn)氣量實(shí)現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)。

3.3 可行性分析

本項(xiàng)目所開(kāi)發(fā)的多功能地面動(dòng)力源，緊密結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，所用設(shè)備和材料多來(lái)自于中心現(xiàn)有資源。這次項(xiàng)目所使用的APU，其工作原理和應(yīng)用價(jià)值了然于胸，長(zhǎng)期以來(lái)一直在思考如何充分利用。這套系統(tǒng)主要圍繞兩臺(tái)閑置的APU展開(kāi)，主要工作是如何開(kāi)發(fā)其功能。APU本身自帶發(fā)電機(jī)，高壓引氣也是其主要功能。我們通過(guò)合理設(shè)計(jì)方案，將機(jī)載的輔助動(dòng)力裝置應(yīng)用于地面上，這些方案是切實(shí)可行的。

在此基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步發(fā)掘其潛能，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際遇到的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了自動(dòng)除雪和飛機(jī)除冰功能。這兩項(xiàng)功能巧妙利用APU燃燒后排放的高溫高速燃?xì)猓b于APU功率的限制，在實(shí)現(xiàn)除雪功能時(shí)，我們沒(méi)有參照別人采用過(guò)的直噴吹除的方法，而是另辟蹊徑，巧妙運(yùn)用文氏管原理，設(shè)計(jì)一套除雪、除冰引氣管路。經(jīng)過(guò)文氏管的加速作用，引氣速度大幅提升，由此產(chǎn)生的壓差將滿足除雪的功率需求。這里的文氏管原理在飛機(jī)的供油系統(tǒng)里廣泛應(yīng)用，經(jīng)過(guò)了大量的工程驗(yàn)證，因此，把它應(yīng)用在這里也是可行的。方案里的遙控控制原理在現(xiàn)實(shí)中已經(jīng)相當(dāng)成熟，不存在技術(shù)上的問(wèn)題。電動(dòng)車(chē)的設(shè)計(jì)更是有大量的方案可供參考。

另外，本人多年在航空維修中積累的豐富經(jīng)驗(yàn)和一支精湛的專(zhuān)業(yè)團(tuán)隊(duì)具備開(kāi)發(fā)此項(xiàng)目的一切基礎(chǔ)。項(xiàng)目中所采用的方案是經(jīng)過(guò)反復(fù)論證的，也得到了領(lǐng)導(dǎo)的大力支持，將會(huì)給中心帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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