民用飛機輔助動力裝置安裝布局研究

王 晗，李 博，唐 力

（上海飛機設(shè)計研究院，上海201210）

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民用飛機輔助動力裝置安裝布局研究

王 晗，李 博，唐 力

（上海飛機設(shè)計研究院，上海201210）

摘要：安裝系統(tǒng)作為整個APU主要承力結(jié)構(gòu)，其能否輕便可靠將直接影響到APU的性能，系統(tǒng)重量，經(jīng)濟性以及維修性等。對早期及現(xiàn)役民機APU安裝系統(tǒng)進行了分析，對比了各個形式的安裝特點以及相應(yīng)的設(shè)計考慮，闡述了APU安裝系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計要求，為后續(xù)機型研制提供參考。

關(guān)鍵詞：輔助動力裝置；APU；安裝系統(tǒng)；布局

輔助動力裝置（Auxiliary Power Unit簡稱APU）作為民用飛機諸多系統(tǒng)之一，其主要功能是在地面為環(huán)空提供引氣以及為電源系統(tǒng)供電，在空中作為應(yīng)急電源使用[1，2]。目前主流機型的APU均采用的是小型燃氣渦輪發(fā)動機，因此本文提到的APU安裝均指的是這類小型燃氣渦輪發(fā)動機的安裝。安裝系統(tǒng)作為整個APU主要承力結(jié)構(gòu)，其能否輕便可靠將直接影響到APU的性能，系統(tǒng)重量，經(jīng)濟性以及維修性等。本文針通過對對幾種典型的布置形式，對比了各個形式的安裝特點，分析了設(shè)計時的重點考慮內(nèi)容，為后續(xù)機型研制提供參考。

1　早期APU的安裝

早期的APU僅僅是一種機載的地面支援設(shè)備，當(dāng)飛機主發(fā)動機在地面停車時，提供電源和調(diào)節(jié)客艙溫度，因而早期的APU功率較小，體積和重量相對較輕，其在機身的安裝位置也相對靈活。所以在一些早期的飛機上如C5A、DC10和MD82等，可以見到APU安裝在發(fā)動機艙、起落架艙、后附件艙等區(qū)域[3]，而且托架形式的安裝比較多見，如圖1所示，這種安裝形式結(jié)構(gòu)緊湊，但它受限于機身的承載結(jié)構(gòu)和周圍空間。此外早期飛機通常不設(shè)APU艙，而是通過“繭”式或者盒式等防火罩將其與機身其他區(qū)域隔開以達到防火的目的，圖2為一種“繭”式防火罩。防火罩的形式雖然結(jié)構(gòu)緊湊，但是檢查和維修的可達性差，導(dǎo)線和管路等布置困難，且不利于APU的通風(fēng)冷卻，后續(xù)較新的機型已很少采用這種形式。

圖1　托架式APU安裝[3]

圖2　“繭”式APU防火罩

2　現(xiàn)役民機APU安裝系統(tǒng)

而隨著對APU功率需求的增加，APU的尺寸及重量也隨之增加，目前主流民機都將APU安裝在機身尾部的APU艙內(nèi)，這一方面更有利于飛機重心的配平，另一方面也為APU的檢查、維護和拆卸提供了更大的空間。而且APU多采用拉桿懸掛形式，如圖3所示，這種形式結(jié)構(gòu)簡單可靠，而且能夠合理的利用艙內(nèi)機身的承載結(jié)構(gòu)，占用空間小，也便于APU的檢查和維護。

圖3　拉桿懸掛形式APU安裝系統(tǒng)

2.1懸掛布置形式

目前民機中采用懸掛式安裝的APU，其布置形式可分為對稱式和懸臂式，對稱式布置如圖3所示，這種形式各個拉桿受力比較均勻，周圍空間預(yù)留均勻便于維護。采用懸臂式安裝的APU功率和體積等相對較小，如圖4所示，一些小型支線客機如ERJ-190和某研飛機采用的懸臂式安裝，這種安裝形式相對緊湊，可根據(jù)APU艙的空間減適當(dāng)少拉桿的長度，降低重量和成本，但由于其本身為懸臂形式，各拉桿受力不均勻，對于一些體積和重量較大的APU，各個拉桿加長后會承受懸臂引起額外載荷，因此對于一些大功率的APU很少采用懸臂布置形式。

圖4　懸臂式APU安裝系統(tǒng)

2.2桿系布置形式

目前在役以及新研機型中，雖然懸掛式安裝系統(tǒng)中各個拉桿的位置、角度以及本體布置點等因APU的姿態(tài)以及周圍機身結(jié)構(gòu)的不同而有所偏差，單從安裝桿系布置形式上講，一般是采用三點安裝，即在APU本體上通過三個安裝節(jié)固定，而且安裝節(jié)與本體通過錐形螺栓連接，屬于一種快卸形式。整個桿系的布置可以歸納為以下幾類：“3-2-1型”、“3-2-2型”以及“3-2-2+1型”，如表1所示?？臻g中將一剛體固定到基礎(chǔ)上至少需要6根鏈桿，因此這幾種類型也分別對應(yīng)著靜定結(jié)構(gòu)、冗余結(jié)構(gòu)以及帶有休眠桿的冗余結(jié)構(gòu)，其中休眠桿是指正常情況下不受力，僅在其余結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞的情況下才承載的桿件。

表1　幾種典型的APU安裝系統(tǒng)

“3-2-1”型靜定安裝形式，不存在多余約束，因此任意一根拉桿失效都將導(dǎo)致APU無法正常固定，因此這種安裝形式對于安裝系統(tǒng)有著較高的要求，但也正因為拉桿數(shù)量少，在重量方面與其他形式相比優(yōu)勢明顯?！?-2-2”型冗余安裝系統(tǒng)，通常這種形式屬于“破損—安全”結(jié)構(gòu)，即任意一根拉桿失效后仍能保證APU固定在機身上，這種形式的安裝系統(tǒng)相對可靠，但在重量上有一定的增加?！?-2-2+1”型安裝系統(tǒng)是在“3-2-2”型冗余系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一根休眠桿，休眠桿除了為整個安裝系統(tǒng)提供額外的保證外，通常還是為了滿足防火、燃燒室火焰燒穿、轉(zhuǎn)子碎片飛出等意外情況的發(fā)生而設(shè)立。此種形式的安裝系統(tǒng)更加可靠，但是在重量方面犧牲較大。

2.3飛機端的連接

在懸掛式安裝系統(tǒng)中，拉桿與機身端的連接通常是根據(jù)APU艙的可承載結(jié)構(gòu)布置，可以布置在前防火墻、頂部防火墻、結(jié)構(gòu)框和梁等部位，在保證APU滿足姿態(tài)及進排氣等子系統(tǒng)的接口要求的同時，使各個拉桿受力均勻，長度及重量等最小。

2.4APU本體端的連接

通常APU本體上安裝點布置在齒輪箱上及進氣腔后方，可以布置位置如圖5中所示，這些位置需要跟據(jù)APU的姿態(tài)、APU艙承載結(jié)構(gòu)位置等進行調(diào)整。大部分機型都是采用的三點式安裝，在本體齒輪箱兩側(cè)布置兩個安裝節(jié)，進氣腔后方布置一個安裝，或者兩點在進氣腔后方，一點在齒輪箱上。通常APU齒輪箱為鋁合金制成，因此齒輪箱上的安裝節(jié)需要考慮著火情況的穩(wěn)定性。布置在進進氣腔后方的安裝需要考慮燃燒室燒穿等一些特殊情況。此外，安裝節(jié)的位置對拉桿的布置也會產(chǎn)生影響，細長桿件通常受拉好于受壓，在受壓時容易發(fā)生失穩(wěn)，因此安裝節(jié)位置的選擇時需要綜合考慮這些因素。

圖5　APU本體安裝布置點位

APU安裝系統(tǒng)要求能夠隔離APU與機身之間的振動傳遞，因此APU本體安裝節(jié)處通常裝有隔振器，大部分機型采用的是盒式隔振器，如圖6（a）所示，而在波音787飛機中，將隔振器與拉桿端頭相結(jié)合以達到隔振的目的，如圖6（b）所示，這種新的隔振形式能對于功率和重量相對較大APU的安裝，能夠節(jié)省重量。

圖6　不同形式的隔振器

3　APU安裝系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計要求

3.1強度要求

安裝系統(tǒng)作為APU的主要承載結(jié)構(gòu)，需要有足夠的靜強度和疲勞強度以保證APU的正常工作。靜強度方面需要考慮：（1）在飛機包線內(nèi)，飛機所有飛行狀態(tài)、機動狀態(tài)和地面狀態(tài)的慣性載荷；（2）APU工作時引起的陀螺力矩、發(fā)動機扭矩等載荷；（3）轉(zhuǎn)子卡滯及包容性輪轂脫落或飛機迫降引起的載荷。上述載荷還需分為限制載荷和極限載荷情況，極限載荷包括限制載荷乘以1.5的安全系數(shù)得到的載荷，以及一些極限情況如飛機迫降等載荷。安裝系統(tǒng)要求在限制載荷不發(fā)生永久變形，在極限載荷情況下不失效。在設(shè)計時，通常是將飛機個狀態(tài)下的過載系數(shù)折算到APU重心處的過載系數(shù)進行分析計算，同時不考慮載荷疊加情況。此外，APU安裝系統(tǒng)還需要滿足飛機不同任務(wù)剖面的疲勞強度要求，對于“破損-安全”結(jié)構(gòu)，需考慮在單個桿件失效的情況下仍然要保證整個系統(tǒng)疲勞裕度大于零。

3.2隔振要求

APU安裝系統(tǒng)要求能夠隔離APU與機身之間的振動傳遞，一般要求對于發(fā)電機名義轉(zhuǎn)速和APU工作轉(zhuǎn)速頻率的下，系統(tǒng)的傳遞率不超過5%；對于共振頻率，傳遞率不超過500%；為避免主發(fā)風(fēng)車激勵，安裝系統(tǒng)的共振頻率應(yīng)大于風(fēng)車激勵頻率。

3.3重量、成本及可維護性要求

民用飛機對經(jīng)濟性要求較高，因此APU安裝系統(tǒng)在設(shè)計時，在考慮結(jié)構(gòu)形式、選材等方面時應(yīng)盡可能的降低重量和成本，盡量選擇一些快卸形式，便于APU的拆裝和維護。

4　結(jié)束語

近些年，隨著民用飛機對安全性要求的提高，APU安裝系統(tǒng)也開始考慮損傷容限設(shè)計原則，而有研究表明[4]“破損-安全”結(jié)構(gòu)本身就具有很好的損傷容限性能、可檢性及可維護性，所以許多在研機型的APU安裝系統(tǒng)均采用這種形式。此外近些年，中國民航局對于防火（CCAR25.863條款）、以及輔助動力裝置燃燒室燒穿及轉(zhuǎn)子損壞（附錄APU 25.903d條款）等要求越來越嚴(yán)格，APU安裝系統(tǒng)設(shè)計相對更加保守，某些在研機型在“3-2-2”型破損-安全結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，引入了休眠桿的方式來增加可靠性。

本文對早期及現(xiàn)役民機APU安裝系統(tǒng)進行了分析，對比了不同安裝布局形式的優(yōu)缺點及各自的設(shè)計考慮，闡述了APU安裝系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計要求，為后續(xù)民機APU安裝系統(tǒng)的研制提供借鑒。

參考文獻：

[1]《飛機設(shè)計手冊》總編委會．民機構(gòu)型初步設(shè)計與推進系統(tǒng)一體化設(shè)計[M]．北京：航空工業(yè)出版社，2007:263-273．

[2]《飛機設(shè)計手冊》總編委會．動力裝置系統(tǒng)設(shè)計[M]．北京：航空工業(yè)出版社，2006:341-374．

[3]李博，唐宏剛，殷海濤，等.APU安裝系統(tǒng)設(shè)計與分析[J].民用飛機設(shè)計與研究，2010，（3）:42-46.

[4]沈培良.破損安全結(jié)構(gòu)在損傷容限設(shè)計原則下的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12（31）：8339-8343.

中圖分類號:V239

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-545X（2016）04-0228-04

收稿日期：2016-01-03

作者簡介：王晗（1991-），男，河北懷安人，碩士，助理工程師，從事民用飛機輔助動力裝置安裝設(shè)計。

The Research of Layout for APU Mounting System in Civil Aircraft

WANG Han，LI Bo，TANG Li
（Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China）

Abstract:As the main support structure for the APU，the quality of mounting system will affect the performance，the weight，the economy and maintainability of APU system.This paper conduct the analysis of APU mounting system at early and modern civil aircraft.The difference and design consideration was analyzed，and the critical design requirement was described in this paper.This paper may provide a reference for design of APU mounting system for civil aircraft.

Key words:auxiliary power unit；APU；mounting system；layout