民用飛機輔助動力裝置進氣系統(tǒng)設(shè)計概述

鄧智亮

摘 要：該文介紹了民用飛機輔助動力裝置（Auxiliary Power Unit）的進氣系統(tǒng)設(shè)計背景和進氣系統(tǒng)典型流路，闡述了進氣系統(tǒng)的組成和基本功能，提出了進氣系統(tǒng)基本設(shè)計流程，設(shè)計首先從APU進氣口、進氣道、進氣風(fēng)門和作動器系統(tǒng)開始，然后開展相關(guān)進氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件和連接設(shè)計，最后通過氣動計算分析確定進氣道流道，最終完成設(shè)計圖紙的發(fā)放，其中還重點概括了進氣系統(tǒng)設(shè)計中進氣口、進氣道、進氣風(fēng)門和作動器系統(tǒng)等設(shè)計的基本方法和關(guān)注事項，為將來的輔助動力裝置進氣系統(tǒng)研制提供參考。

關(guān)鍵詞：輔助動力裝置 進氣系統(tǒng) 進氣口 進氣管道

中圖分類號：V235.1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（b）-0072-02

輔助動力裝置（APS）在現(xiàn)代民用客機上的應(yīng)用非常普遍，其本身為一臺小型燃氣渦輪機，主要在飛機主發(fā)動機啟動前向飛機提供電源和氣源。地面時，電源可向飛機系統(tǒng)供電，提供正常勤務(wù)等用電，氣源可用于發(fā)動機的起動、空調(diào)系統(tǒng)等；空中時，APS可提供備用的電源和氣源，可以向飛機供電和供氣，包括保證環(huán)控系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)、對主發(fā)動機冷卻和發(fā)動機葉片附面層吹除等功能。APS也可以作為一種緊急情況下的動力裝置[1]。

APS作為吸氣式動力系統(tǒng)，其位于系統(tǒng)循環(huán)最前端的進氣系統(tǒng)部分主要將氣流從飛機外導(dǎo)入APS壓氣機中，為其提供正常運轉(zhuǎn)所需的空氣壓力和空氣流量。由于APS進氣系統(tǒng)的一部分通常處于飛機外表面，當(dāng)APS工作時開啟的進氣風(fēng)門將會改變飛機的氣動外形，可能會給飛機帶來額外的氣動阻力，降低飛機的經(jīng)濟性，因此進氣系統(tǒng)的設(shè)計還與飛機氣動布局緊密相關(guān)。

目前國外對APS進氣系統(tǒng)的研究較為深入，該文就典型民用飛機APS進氣系統(tǒng)設(shè)計方法展開研究，為將來的APS進氣系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

1 APS進氣典型流路分析

APS正常工作時，帶動與其同軸連接的負載壓氣機和附件齒輪箱（內(nèi)含交流發(fā)電機），為飛機提供氣源和電源，外界空氣首先經(jīng)飛機表面進氣口進入APS進氣道，然后再進入燃氣渦輪發(fā)動機和負載壓氣機共用的進氣通道，通常稱為主進氣口。經(jīng)主進氣口進入APS的氣體，一部分進入燃氣渦輪發(fā)動機，先后流經(jīng)燃氣渦輪發(fā)動機的進氣道、壓氣機，進入燃燒室點火燃燒，保證燃氣渦輪發(fā)動機的正常工作，以帶動負載壓氣機及交流發(fā)電機工作。經(jīng)主進氣口進入APS的另一部分氣體進入負載壓氣機，經(jīng)過壓縮后通過管道輸送給飛機，可作為主發(fā)動機起動、主發(fā)動機流道及飛機表面流動控制（如壓氣機葉片附面層吹除、機身附面層吹除等）和主發(fā)動機冷卻等的氣源。除飛機外表面進氣口外，APS還設(shè)有若干輔助進氣口進行引氣，主要目的對APS自身部件進行冷卻[2-3]。

2 APS進氣系統(tǒng)組成和部件基本功能

APU進氣系統(tǒng)一般由進氣風(fēng)門、APS進氣道、通風(fēng)冷卻管道、風(fēng)門作動器系統(tǒng)、柔性密封件、電搭接線和其它相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)安裝件等組成。進氣風(fēng)門主要是在APS運轉(zhuǎn)時，將外界空氣減速增壓，向燃氣渦輪機提供符合要求的空氣源；APS停止運轉(zhuǎn)時，進氣風(fēng)門關(guān)閉防止外界空氣進入燃氣渦輪機，從而造成其損壞。風(fēng)門作動器系統(tǒng)主要根據(jù)控制信號開啟和關(guān)閉進氣風(fēng)門，并在飛行工作過程中按預(yù)定角度固定進氣風(fēng)門。APS進氣道與主進氣口相連，主要負責(zé)將外界空氣傳輸給核心機。作為冷卻使用的空氣主要通過通風(fēng)冷卻管道從飛機外進入APS所在機艙空間內(nèi)，降低APS部件溫度。柔性密封件主要功能則是補償進氣道和核心機的集氣腔間由于振動產(chǎn)生的偏移以及保證兩者之間的氣密性。

3 設(shè)計概述

作為民用飛機復(fù)雜系統(tǒng)的一部分，APS進氣系統(tǒng)的設(shè)計首先需滿足民用飛機設(shè)計的特點：即滿足國內(nèi)外運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。然后在此基礎(chǔ)上運用系統(tǒng)工程的理論，統(tǒng)籌考慮系統(tǒng)先進性、系統(tǒng)成熟度、研發(fā)成本和研發(fā)進度等方面要求展開具體設(shè)計。

APU進氣系統(tǒng)設(shè)計首先需根據(jù)飛機具體要求確定進氣口尺寸和位置、進氣道形式、進氣風(fēng)門方案、作動器選取和其它例如電氣方面的設(shè)計；然后進行APU進氣結(jié)構(gòu)件的設(shè)計，諸如進氣風(fēng)門框或其它與飛機結(jié)構(gòu)件的連接件等；再之后開展進氣道流道設(shè)計；經(jīng)過性能計算分析驗證以后，再發(fā)放相關(guān)的設(shè)計圖紙?；驹O(shè)計流程歸納如圖1所示。

APS進氣系統(tǒng)中的重要部件設(shè)計概述如下：

3.1 進氣口設(shè)計

首先根據(jù)選用的APS核心機的功率和進氣要求，初步確定進氣開口尺寸，該尺寸通常與APS核心機集氣腔的開口尺寸接近，進而保證進氣量要求。由于進氣口的位置通常與飛機的機體結(jié)構(gòu)布置相關(guān)，因此其位置選擇需根據(jù)飛機總體布置要求確定，應(yīng)盡量遠離APS尾端排氣口，防止由于尾風(fēng)和側(cè)風(fēng)造成的尾氣吸入，同時也應(yīng)盡量避免布置在飛機下表面，避免地面狀態(tài)下跑道上的水及外物和飛行狀態(tài)下燃油系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)排放的液體被進氣系統(tǒng)吸入，從而導(dǎo)致APS故障。同時進氣系統(tǒng)所在位置的不同也會引起進氣口尺寸的相應(yīng)調(diào)整。

3.2 進氣道設(shè)計

隨著民用飛機技術(shù)的發(fā)展，APS進氣道曾有2種主要的進氣形式，管道式進氣和箱式進氣。目前通常采用管道式進氣，該進氣方式的結(jié)構(gòu)較為簡單，易于維護。進氣管道的布置一般受到進氣開口、APS集氣腔和周邊結(jié)構(gòu)布置共同影響，因此需要統(tǒng)籌兼顧各方面需求來最終確定。同時進氣管道的幾何形狀也受到飛機外形、進氣口位置、進氣風(fēng)門形狀和進氣壓力要求等因素影響，需經(jīng)過氣動分析計算初步確定，并經(jīng)地面試驗和飛行試驗最終驗證。通常可以通過在進氣道中增加導(dǎo)流片優(yōu)化進氣流道的方式提高進氣質(zhì)量。為了滿足飛機的噪聲要求和提升飛機舒適性，在進氣道中可增加消音隔板，該隔板能增加進氣道內(nèi)消音面積，有效提升消音效果。同時整個APS進氣道應(yīng)該按照適航規(guī)章要求滿足規(guī)定的防火要求。

3.3 進氣風(fēng)門設(shè)計

目前大多數(shù)APS進氣系統(tǒng)采用定、變幾何的flush和scoop型進氣道。其中flush型進氣道進口截面形狀可采用分叉式或平面式， Scoop型進氣道可采用圓形、半圓形及矩形進口截面形狀。采用變幾何的APS進氣風(fēng)門能夠有效減小由于APS進氣系統(tǒng)引起的氣動阻力，同時在APU不工作時也可關(guān)閉進口，防止外物進入。但變幾何機構(gòu)同時也會提升APS結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，增加系統(tǒng)重量。定幾何的設(shè)計較為簡單，但會產(chǎn)生額外的氣動阻力，并且較難阻止外物進入APS中。

進氣風(fēng)門的設(shè)計還與進氣道和通風(fēng)冷卻管道位置密切相關(guān)，通常分為整合式進氣風(fēng)門和分離式進氣風(fēng)門。當(dāng)進氣道和通風(fēng)冷卻管道位置接近時，可考慮采用整合式進氣風(fēng)門，即采用一個足夠大的進氣風(fēng)門覆蓋進氣道和通風(fēng)冷卻管道，從而降低進氣風(fēng)門的復(fù)雜性；當(dāng)進氣道和通風(fēng)冷卻管道相隔較遠時，則采用分離式進氣風(fēng)門，即分別為進氣道和通風(fēng)冷卻管道設(shè)計不同的進氣風(fēng)門。進氣風(fēng)門外表面應(yīng)盡量與飛機表面齊平，降低氣動阻力。

3.4 作動器系統(tǒng)設(shè)計

作動器安裝位置主要受到進氣系統(tǒng)安裝位置和周邊飛機結(jié)構(gòu)共同約束，一般有前置安裝、后置安裝和側(cè)邊安裝。作動器功率應(yīng)充分考慮進氣風(fēng)門在飛機設(shè)計的運行包線下所需承受的最大氣動力，同時對比進氣風(fēng)門破冰時所產(chǎn)生的額外力，選取兩者中較大的力作為作動器功率設(shè)計的基準(zhǔn)。

3.5 其它設(shè)計

在APS進氣系統(tǒng)設(shè)計過程中，同樣還需要關(guān)注國內(nèi)外運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)和民機行業(yè)其它通用規(guī)范中的電氣、強度、可靠性、安全性和維修性等要求，并且通過設(shè)計實現(xiàn)，并最終在試驗中驗證。

4 結(jié)語

該文針對民用飛機APS進氣系統(tǒng)特點，介紹了典型進氣系統(tǒng)流路和基本組成及功能，提出了進氣系統(tǒng)基本設(shè)計流程，首先進行APU進氣口、進氣道、進氣風(fēng)門和作動器系統(tǒng)等設(shè)計，然后開展相關(guān)進氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件和連接設(shè)計，最后再確定進氣道流道，最終完成設(shè)計圖紙的發(fā)放。此外還重點歸納了進氣系統(tǒng)設(shè)計中諸如進氣口、進氣道和進氣風(fēng)門的基本設(shè)計方法，為將來輔助動力裝置進氣系統(tǒng)的研制提供參考。

參考文獻

[1]陳矛章.風(fēng)扇/壓氣機技術(shù)發(fā)展和對今后工作的建議[J].航空動力學(xué)報，2002，17（1）：1-15.

[2]D.J. Campbell. Revolutionary propulsion and Power for 21st century aviation[J].AIAA，2003.

[3]A.B. Jesus， G.L. Oliveira， C.S. Brodt. Methodology for the Design of APU Air Inlets for Regional Commercial Aircraft [J]. AIAA，2003.