民用飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置排液設(shè)計(jì)綜述

王棟

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210）

0 引言

輔助動(dòng)力裝置（APU）是裝在飛機(jī)上的一套不依賴機(jī)外任何能源、自成體系的小型發(fā)動(dòng)機(jī)[1]。由于APU的核心類似于渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)[2]，因此需要空氣作為動(dòng)力產(chǎn)生的媒介，需要燃油將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，也需要滑油潤(rùn)滑旋轉(zhuǎn)部件，這使得APU在工作中不可避免地產(chǎn)生各類余液，排液的目的就是將這些余液安全地排出機(jī)外。本文梳理了APU的排液需求,對(duì)主流民用飛機(jī)APU排液設(shè)計(jì)對(duì)比分析,列出了這些排液設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn),為后續(xù)民用飛機(jī)排液設(shè)計(jì)提供參考和方向。

1 APU排液需求分析

根據(jù)APU工作原理，典型架構(gòu)APU進(jìn)氣腔內(nèi)的積水或防冰液、APU轉(zhuǎn)軸與軸承封嚴(yán)處滲漏的滑油，液壓式作動(dòng)器密封處的燃油、APU燃燒室、引射器的燃油以及排氣段的燃油、積水或防冰液需要及時(shí)排放。這些液體除了水都是可燃液體，需重點(diǎn)考慮著火風(fēng)險(xiǎn)。具體分析如下。

1.1 APU進(jìn)氣腔

適航規(guī)章中要求輔助動(dòng)力裝置進(jìn)氣道與集氣腔不能積聚有害量的積水或防冰液。若APU進(jìn)氣口布置在上方或者側(cè)向則需要考慮液體積聚的影響。如果不能將大量積聚在進(jìn)氣腔內(nèi)的液體排出將使APU無(wú)法啟動(dòng)。并且，APU主要在飛機(jī)靜止時(shí)工作，該工況下進(jìn)氣道與集氣腔內(nèi)靜壓均低于環(huán)境壓力，因此在布置排液通道時(shí)要考慮吸入其他可燃液體的可能性。布置在機(jī)身外部需要考慮吸入其他設(shè)備排放的可燃液體通過(guò)排液通道吸入APU，布置在機(jī)身內(nèi)部需要考慮艙內(nèi)是否會(huì)產(chǎn)生可燃液體或蒸汽通過(guò)排液通道吸入APU.

1.2 APU轉(zhuǎn)軸與軸承封嚴(yán)處

APU兩個(gè)軸承腔內(nèi)都有滑油持續(xù)流動(dòng)以冷卻和潤(rùn)滑旋轉(zhuǎn)部件并且滿足規(guī)定的滑油壓力要求。正常情況下通過(guò)APU兩端軸承腔內(nèi)的滑油會(huì)流回APU附件齒輪箱內(nèi)的滑油池從而形成一個(gè)循環(huán)，不過(guò)隨著APU使用時(shí)間的增加，軸與軸承封嚴(yán)性能會(huì)不斷下降，最終失效。軸承處封嚴(yán)失效后，滑油會(huì)滲漏至負(fù)載壓氣機(jī)造成APU引氣污染，所以需要在軸承處設(shè)有排液通道將泄漏的滑油排出。后軸承處泄漏的滑油會(huì)隨著APU排氣一同排出，可以在下游統(tǒng)一考慮設(shè)置排液通道。

1.3 液壓式作動(dòng)器

一般可能采用液壓式作動(dòng)器的設(shè)備有燃油控制單元（FCU）、進(jìn)口導(dǎo)向葉片作動(dòng)器（IGVA）、引氣閥（BAV）和喘振控制閥（SCV）等，根據(jù)APU型號(hào)的不同，這些設(shè)備也會(huì)采用電動(dòng)式作動(dòng)器。液壓式作動(dòng)器功率更大、更可靠，而電動(dòng)式作動(dòng)器重量輕、控制邏輯實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單。若采用液壓式作動(dòng)器，就必須考慮因密封失效導(dǎo)致的液體泄漏。

1.4 燃燒室及引射器

APU正常工作時(shí)燃燒室中不應(yīng)有余油滲漏，滲漏的情況出現(xiàn)在故障或非正常運(yùn)行時(shí)，例如點(diǎn)火器發(fā)生故障導(dǎo)致APU假起動(dòng)（aborted start）、APU應(yīng)急停車(chē)使燃燒室內(nèi)燃油未燒盡等。余油在燃燒室的積聚會(huì)影響APU的運(yùn)行，造成下次APU起動(dòng)困難或失敗。在引射器內(nèi)，由于燃燒生成的高溫高壓氣體與外界吸入的冷卻空氣互相混合，可能生成液態(tài)水。非正常工作時(shí)也可能有未完全燃燒的燃油進(jìn)入，因此也需要設(shè)計(jì)排液通道。

1.5 排氣系統(tǒng)

若雨水或者防冰液可能進(jìn)入排氣管并積聚，就會(huì)影響APU正常排氣，非正常工作時(shí)也可能有未完全燃燒的燃油進(jìn)入，所以需要設(shè)置排液通道。

1.6 APU艙

根據(jù)適航規(guī)章，APU艙為指定火區(qū)，必須有措施排出易燃液體和其他有害液體，因此APU艙需要設(shè)置排液通道。和1.1節(jié)類似，當(dāng)APU通風(fēng)冷卻系統(tǒng)采用引射冷卻，需要考慮APU艙內(nèi)靜壓低于環(huán)境壓力的工況，此時(shí)若液體排放困難，不滿足適航要求則需要額外措施將余液吹出APU艙，例如增加外部引射設(shè)計(jì)。

1.7 排液系統(tǒng)設(shè)計(jì)其他考慮要素

從需求出發(fā)，整理出需要設(shè)置排液通道的設(shè)備/區(qū)域，開(kāi)展排液管路布置設(shè)計(jì)。排液管路優(yōu)先選用金屬硬管保證高可靠性，而在局部區(qū)域采用軟管或柔性封嚴(yán)等位移補(bǔ)償設(shè)計(jì)以解決因APU工作時(shí)振動(dòng)、熱膨脹、制造公差等問(wèn)題。所有材料都至少需要耐火。為保證排出機(jī)外的余液不會(huì)沿附面層回到機(jī)身表面造成額外風(fēng)險(xiǎn)，一般需要設(shè)計(jì)排液整流罩并伸出附面層。排液整流罩的外形設(shè)計(jì)需要考慮減少氣動(dòng)阻力。

2 輔助動(dòng)力裝置排液典型設(shè)計(jì)介紹

APU排液設(shè)計(jì)不僅取決于APU本身，也和APU的安裝、周邊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密切相關(guān)。下面介紹一些典型民用飛機(jī)APU排液設(shè)計(jì)。

2.1 A320

A320飛機(jī)APU排液設(shè)計(jì)如圖1、2所示。APU排出的余油中作動(dòng)器滲漏的液體被收集到一個(gè)專用的排液箱（Drain Tank）內(nèi)，排液箱設(shè)有外部引射和通氣管路，當(dāng)空速到達(dá)200節(jié)以上時(shí)依靠外部引射作用將箱內(nèi)積液“抽吸”到機(jī)外，排液箱接口處設(shè)計(jì)有金屬波紋管（Metallic Bellows）作為位移補(bǔ)償。軸承處泄漏的滑油由于高溫不宜收集，而是通過(guò)排液管直接排出機(jī)外。排液管路連通至機(jī)身結(jié)構(gòu)，并在外部設(shè)計(jì)有一個(gè)安裝在APU艙門(mén)上的排液整流罩（Drain Mast），該整流罩也用于收集APU艙內(nèi)余液并排出機(jī)外。由于整流罩安裝在機(jī)身結(jié)構(gòu)上，因此與排液管連接處設(shè)計(jì)有一小段軟管作為位移補(bǔ)償。A320排液箱的設(shè)計(jì)較為獨(dú)特，其他主流機(jī)型上沒(méi)有看到類似設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是飛機(jī)在地面時(shí)余液會(huì)在排液箱內(nèi)積聚從而避免了這部分余液排出污染跑道，其缺點(diǎn)是增加了重量、影響了APU艙內(nèi)其他設(shè)備的可達(dá)性。由于進(jìn)氣道布置在下方，不需要再設(shè)計(jì)排液通道。

圖1 A320飛機(jī)APU排液安裝布置示意

圖2 A320飛機(jī)APU排液架構(gòu)示意

2.2 B737

B737飛機(jī)APU排液設(shè)計(jì)如圖3、4所示。該設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，將所有余液（包括APU艙余液）通過(guò)一個(gè)排液收集杯（Collector Cup），然后通過(guò)APU艙門(mén)上設(shè)計(jì)的排液整流罩排出機(jī)外。后軸承封嚴(yán)滲漏的余液通過(guò)引射器上的排液通道排出。IGV、SCV和FCU滲漏的液體會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)觀察口（Witness Port），以便地勤判斷封嚴(yán)是否老化。排液收集杯下方設(shè)計(jì)有柔性橡膠作為位移補(bǔ)償，排液通道不再設(shè)計(jì)軟管段。集氣腔余液不直接排出機(jī)外，而是先排放至APU艙內(nèi)，這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是減少一段排放管路以及避免在地面工作時(shí)吸入排液收集杯內(nèi)的可燃液體，缺點(diǎn)是若APU艙內(nèi)靜壓大于APU集氣腔靜壓，則有APU艙內(nèi)可燃蒸汽吸入APU導(dǎo)致引氣污染的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 B737飛機(jī)APU排液安裝布置示意

圖4 B737飛機(jī)APU排液架構(gòu)示意

2.3 A330

A330飛機(jī)APU排液設(shè)計(jì)如圖5、6所示。可燃液體排液管穿過(guò)后防火墻，將可燃液體從APU排氣段排出機(jī)外。在穿墻前設(shè)計(jì)有一小段軟管作為位移補(bǔ)償。穿墻的優(yōu)點(diǎn)是不需要在艙門(mén)上做APU排液接口，艙門(mén)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，排液整流罩尺寸可以變小減少起動(dòng)阻力，缺點(diǎn)是防火墻上要設(shè)計(jì)排液接口，并且要考慮可燃液體如何排出附面層，可能需要再加裝一個(gè)排液整流罩。APU艙內(nèi)的液體通過(guò)安裝在APU艙門(mén)上的排液整流罩排出機(jī)外。同A320一樣，APU進(jìn)氣口布置在下方所以不需要設(shè)計(jì)集氣腔排液通道。

圖5 A330飛機(jī)APU排液安裝布置示意

圖6 A330飛機(jī)APU排液架構(gòu)示意

2.4 B747

B747飛機(jī)APU排液設(shè)計(jì)如圖7、8所示?？扇家后w排液管穿過(guò)前防火墻，與APU供油管的排液設(shè)計(jì)相整合，將可燃液體從后附件艙排出機(jī)外。在穿墻前設(shè)計(jì)有一段軟管作為位移補(bǔ)償。APU集氣腔內(nèi)的余液先排放至APU艙再排出機(jī)外。

圖7 B747飛機(jī)APU排液安裝布置示意

圖8 B747飛機(jī)APU排液架構(gòu)示意

2.5 B787

B787飛機(jī)APU排液設(shè)計(jì)如圖9、10所示。APU燃燒室和軸承封嚴(yán)處可燃液體被收集和排出機(jī)外。其柔性橡膠為“花瓣式”，橡膠受壓后，外圍的“花瓣”翹起作為密封和位移補(bǔ)償，如圖11所示。由于作動(dòng)器為電驅(qū)，不需要液壓油參與工作，所以作動(dòng)器沒(méi)有排液設(shè)計(jì)。集氣腔底部有一排液短管將液體排至APU艙。

圖9 B787飛機(jī)APU排液安裝布置示意

圖10 B787飛機(jī)APU安裝布置示意

圖11 B787飛機(jī)APU排液“花瓣式”柔性橡膠

2.6 A350

A350飛機(jī)APU排液設(shè)計(jì)如圖12、13所示。APU排出的所有可燃液體被收集到一個(gè)通道，而集氣腔內(nèi)的液體收集到另一個(gè)通道，這兩個(gè)通道分別布置在兩扇對(duì)開(kāi)艙門(mén)上將余液排出機(jī)外。這種設(shè)計(jì)的有點(diǎn)在于避免了可燃液體流回集氣腔排液通道的風(fēng)險(xiǎn)，缺點(diǎn)在于需要兩個(gè)接口，兩個(gè)柔性橡膠來(lái)位移補(bǔ)償。APU艙內(nèi)余液通過(guò)艙門(mén)最低處的兩個(gè)排液通道排出，在機(jī)外設(shè)計(jì)有兩個(gè)整流罩。引射器和排氣段的可燃液體收集到一起穿過(guò)后防火墻在APU排氣段排出機(jī)外。

圖12 A350飛機(jī)APU排液安裝布置示意

圖13 A350飛機(jī)APU排液架構(gòu)示意

3 輔助動(dòng)力裝置排液設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 氣動(dòng)分析技術(shù)

為保證排出的可燃液體不會(huì)造成額外危害，比較通用的做法是控制液體排入比較規(guī)則的無(wú)湍流的大氣中，而不是附面層內(nèi)。一般通過(guò)設(shè)計(jì)APU排液整流罩實(shí)現(xiàn)，并考慮是否和其他整流罩比如APU艙排液整流罩集成設(shè)計(jì)。排液整流罩設(shè)計(jì)需要進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化以達(dá)到減阻、提高經(jīng)濟(jì)性的目的。

3.2 位移補(bǔ)償技術(shù)

由于APU排液通道連接APU與飛機(jī)結(jié)構(gòu)，需要考慮兩者的位移補(bǔ)償，具體考慮項(xiàng)如下：

①APU與結(jié)構(gòu)的制造與裝配公差；

②APU自身振動(dòng)偏移量；

③APU熱膨脹偏移量；

④APU安裝拉桿冗余設(shè)計(jì)時(shí)，某一根拉桿失效造成的偏移量；

⑤機(jī)動(dòng)載荷造成的偏移量。

3.3 適航符合性驗(yàn)證技術(shù)

由于APU排液可能存在可燃液體，為了保證適航，需通過(guò)分析、試驗(yàn)或者兩者結(jié)合的方式驗(yàn)證在不同飛行階段、不同姿態(tài)下排出的液體是否會(huì)造成額外危險(xiǎn)。

4 結(jié)論

APU排液設(shè)計(jì)以系統(tǒng)架構(gòu)為基礎(chǔ)，同時(shí)考慮適航規(guī)章梳理需求，再依據(jù)氣動(dòng)布局合理安排、設(shè)計(jì)機(jī)外排放與排液整流罩，依據(jù)APU艙形狀與尺寸布置排液通道，開(kāi)展排液通道與APU以及與APU艙的接口設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行驗(yàn)證。主流民機(jī)APU排液設(shè)計(jì)各有特點(diǎn)，總體趨勢(shì)是向著簡(jiǎn)單、可靠的方向考慮，例如早期機(jī)型多采用軟管，新機(jī)型則多采用柔性橡膠。

[1]李東杰.輔助動(dòng)力裝置的應(yīng)用現(xiàn)狀與和發(fā)展趨勢(shì)[J].航空科學(xué)技術(shù)，2012（6）：7-10.

[2]趙運(yùn)生,胡 駿,吳鐵鷹,等.大型民用飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置性能仿真[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2011（26）:1590.