一種民用飛機(jī)APU進(jìn)氣風(fēng)門作動器的選型方法

馬文孝　劉林

【摘 要】APU進(jìn)氣風(fēng)門作動器的選擇正確與否，直接關(guān)系到作動器能否在各種工況下打開、關(guān)閉APU進(jìn)氣風(fēng)門，甚至影響整個飛機(jī)的正常運(yùn)營。從APU進(jìn)氣風(fēng)門氣動力矩和破冰力矩的角度出發(fā)，分別給出兩種不同的作動器選型標(biāo)準(zhǔn)，對比分析這兩種標(biāo)準(zhǔn)，給出了APU進(jìn)氣風(fēng)門作動器的初步選型方法。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)門作動器 氣動力矩；破冰力矩；選型方法

【Abstract】Whether the APU inlet duct actuator is chosen correctly or not is directly related to whether the actuator can open or close inlet door under various operating conditions， and could even affect the normal operations of the aircraft. This research proposes two selection criteria for inlet duct actuator based on APU inlet door aerodynamic torque and ice breakout torque respectively， and then proposes a preliminary method of selection for inlet duct actuator according to the analysis result of the two selection criteria.

【Key words】Inlet duct actuator； Aerodynamic torque， Ice breakout torque； Method of selection

輔助動力裝置（Auxiliary Power Unit，簡稱APU）是飛機(jī)的輔助動力源，其核心單元是一臺小型離心式渦輪發(fā)動機(jī)。APU 的主要職責(zé)是在地面和空中起動主發(fā)、為環(huán)控系統(tǒng)供氣，并為各類機(jī)載設(shè)備提供電力[1-2]。對于民用運(yùn)輸類飛機(jī)，APU系統(tǒng)通常安裝在位于飛機(jī)尾椎的APU艙內(nèi)，其進(jìn)氣功能是通過進(jìn)氣風(fēng)門作動器（Inlet Duct Actuator，簡稱IDA）打開進(jìn)氣風(fēng)門來實(shí)現(xiàn)。因此，所選擇的IDA能否實(shí)現(xiàn)在不同工況下打開和關(guān)閉APU進(jìn)氣風(fēng)門是APU系統(tǒng)能否正常工作的前提條件。IDA能否正常打開、關(guān)閉APU風(fēng)門以及使風(fēng)門在某一位置保持一般受風(fēng)門氣動力矩要求和破冰力矩要求的影響，綜合這兩個要求可以初步給出IDA的選型依據(jù)。

1 APU進(jìn)氣風(fēng)門氣動力矩計算方法

本研究只考慮飛機(jī)飛行的情況，對于在停機(jī)坪上的情況，就APU進(jìn)氣風(fēng)門氣動力矩而言不會大于飛行的情況。

該民用飛機(jī)APU風(fēng)門作動器與風(fēng)門之間的連接機(jī)構(gòu)是如圖3所示的四連桿機(jī)構(gòu)，其中作動器作動桿的運(yùn)行角度范圍是0～120°，風(fēng)門的運(yùn)行角度范圍是0～40°。

在對該民用飛機(jī)進(jìn)行空起工程試飛試驗過程中，發(fā)現(xiàn)APU進(jìn)氣風(fēng)門在某一臨界角度狀態(tài)不能關(guān)閉，此時作動器作用在風(fēng)門上的運(yùn)行力矩應(yīng)與風(fēng)門受到的氣動力矩相同。從表4可以發(fā)現(xiàn)通過上述方法計算得到的風(fēng)門氣動力矩計算值大于風(fēng)門所受到的實(shí)際力矩值。

該試驗中所使用的風(fēng)門作動器的保持力矩為400lb.in，運(yùn)行力矩為825lb.in。

在另一次空起試飛試驗過程中，發(fā)現(xiàn)APU風(fēng)門未能在20°時保持住，即此時氣動力大于作動器（保持力矩為400lb.in）作用到風(fēng)門上保持力矩，見下表5?？梢钥闯鲇嬎憬Y(jié)果符合實(shí)際情況。

1.5 根據(jù)風(fēng)門氣動力矩選取風(fēng)門作動器

一般民用飛機(jī)APU風(fēng)門的控制邏輯是在某一特定角度風(fēng)門可以保持住，在風(fēng)門運(yùn)行的全過程中風(fēng)門可以正常打開和關(guān)閉。因此根據(jù)風(fēng)門氣動力矩選取風(fēng)門作動器的指標(biāo)應(yīng)該為：在該特定角度，作動器作用于風(fēng)門上的保持力矩大于等于氣動力矩，作動器作用于風(fēng)門上的運(yùn)行力矩大于等于氣動力矩。對于本實(shí)例中的該型民用飛機(jī)，經(jīng)研究表明只需滿足作動器作用于風(fēng)門上的運(yùn)行力矩大于等于氣動力矩即可，通常會留有一定余量。

下圖4給出了該民用飛機(jī)在飛行高度15Kft，飛行馬赫數(shù)0.68的冷天（海平面溫度為-40℃）的飛行條件下，APU進(jìn)氣風(fēng)門從0°勻速開啟到40°的過程中，不同作動器作用到風(fēng)門上的運(yùn)行力矩計算值曲線圖，這些不同作動器的自身運(yùn)行力矩值不同。圖4同時給出了15°-40°范圍內(nèi)，APU進(jìn)氣風(fēng)門所受到的最大氣動力矩計算值曲線。

根據(jù)圖4可以得出，該型飛機(jī)的APU風(fēng)門作動器的運(yùn)行力矩應(yīng)選1300lb.in。

2 APU進(jìn)氣風(fēng)門破冰力矩計算方法及根據(jù)破冰力矩選取作動器

APU風(fēng)門作動器的選型過程必須要考慮作動器運(yùn)行時施加在風(fēng)門上的作動力矩能夠有能力破除凍結(jié)在風(fēng)門四周邊緣的冰。

風(fēng)門破冰力矩的計算模型如圖5所示。假設(shè)APU進(jìn)氣風(fēng)門為平直矩形，其中，a為風(fēng)門寬度，b為風(fēng)門沿航向的長度，c為風(fēng)門轉(zhuǎn)軸到近邊的距離。

以第1節(jié)的民用飛機(jī)構(gòu)型為實(shí)例進(jìn)行風(fēng)門破冰力矩的計算方法說明。則a=328mm=12.92in，b=365mm=14.381in，c=47mm=1.85in。

假設(shè)：冰的厚度為T=0.25in，冰的剪切力為σ=50lb/in2。

3 總結(jié)

民用飛機(jī)APU風(fēng)門作動器的基本性能要求是飛行包線內(nèi)任何工況下都既能克服作用在風(fēng)門上的氣動力矩，又能破除0角度時風(fēng)門四周的結(jié)冰。從分析給定民用飛機(jī)構(gòu)型APU風(fēng)門的氣動力矩和在0角度時的破冰力矩的角度出發(fā)，分別給出了APU風(fēng)門氣動力矩和破冰力矩的計算方法，并分別以這兩種計算方法給出了相應(yīng)的風(fēng)門作動器選型的力矩要求，綜合比較這兩種力矩要求的嚴(yán)苛程度，初步給出了APU風(fēng)門作動器的基本性能選型要求：如果根據(jù)破冰力矩得出的作動器力矩要求值大于據(jù)氣動力矩得出的作動器力矩要求值，則應(yīng)根據(jù)破冰力矩指標(biāo)來選取作動器；否則，相反。

【參考文獻(xiàn)】

[1]《航空發(fā)動機(jī)設(shè)計手冊》編委會.輔助動力裝置及動力機(jī)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2007.

[2]金中平.輔助動力裝置及其標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展綜述[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，1998（4）：19-22.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]