(上海飛機設(shè)計研究院,上海 201210)
輔助動力裝置(APU)系統(tǒng)是大型飛機上安裝的獨立小型動力裝置系統(tǒng),APU的功能主要是在地面與空中起動主發(fā)動機,為客艙供氣并為各種機載設(shè)備提供輔助電源。目前民用飛機所使用的APU的功率范圍在250~2000 hp之間,APU轉(zhuǎn)速約在35 000~60 000 r/min 范圍內(nèi)[1]。
在民用飛機的APU系統(tǒng)設(shè)計與集成過程中,如何選擇性能匹配的APU是APU系統(tǒng)集成的重要內(nèi)容。由于APU的類型及構(gòu)造的差異,APU的性能特性也有所區(qū)別。本文對幾種典型的APU的性能特點進行分析,并對APU的性能選型方法進行了總結(jié)。
為飛機提供高壓引氣功率和電功率是APU的主要功能,APU的性能分析一般包括:APU構(gòu)造特點及熱力循環(huán)性能分析、APU引氣性能分析、APU功率提取性能分析、APU燃油經(jīng)濟性分析等。
目前,用于民用飛機的典型APU構(gòu)型有以下3種[2]:
(1)SSGTIB (I/B):Single shaft gas turbine integral bleed,從動力段壓氣機引氣的單軸燃氣渦輪APU(分別有恒轉(zhuǎn)速與變轉(zhuǎn)速)。
(2)SSGTLC(L/C):Single shaft gas turbine load compressor,帶負載壓氣機的單軸燃氣渦輪APU(分別有恒轉(zhuǎn)速與變轉(zhuǎn)速)。
(3)TSGT:Two shaft gas turbine,雙軸燃氣渦輪APU(變轉(zhuǎn)速)。
三種APU的構(gòu)型示意圖如下圖1。各種APU通常采用離心式壓氣機作為動力段壓氣機或負載壓氣機,采用回流式燃燒室,通常采用軸流式渦輪。
圖1 APU的構(gòu)型示意圖
APU熱力循環(huán)性能包括:APU工作循環(huán)性能、APU安裝性能[3]。
1.2.1 APU工作循環(huán)性能分析
APU工作循環(huán)性能指APU本體發(fā)動機的熱力循環(huán)性能,APU工作循環(huán)性能主要指標包括:壓氣機壓比、渦輪前溫度TIT、燃油消耗率、壓氣機與渦輪效率、燃燒室效率與壓力損失、附件功率損失等。通過性能計算,獲得典型的APU工作循環(huán)性能如圖2所示。圖中反映了APU的主要部件特性(壓氣機壓比、渦輪前溫度)與燃油消耗率、功率之間的關(guān)系。由圖可知:壓氣機壓比主要影響APU的燃油消耗率,在TIT一定的條件下,隨著壓氣機壓比的增大,燃油消耗率降低;渦輪前溫度TIT主要影響APU的功率,在壓比一定的條件下,隨著TIT的增大,APU的功率增大。
圖2 APU工作循環(huán)性能
1.2.2 APU安裝性能分析
APU在飛機上進行安裝集成后,影響其安裝性能的主要因素有:APU進排氣系統(tǒng)特性、APU負載特性、運行環(huán)境條件(高度、溫度、速度)等的。
(1)環(huán)境條件對APU性能的影響分析
通過對某典型的APU進行性能計算可知,對于恒物理轉(zhuǎn)速、恒定的渦輪前溫度限制值(TIT)的APU,其性能受溫度與高度的影響如圖3所示,隨著大氣溫度的降低,APU的最大輸出功率增大。這主要是由于:隨著大氣溫度的降低,壓氣機的折合轉(zhuǎn)速增加,增壓比增加,流量增加,因此APU功率增加,耗油率降低。另一方面,隨著飛行高度的增加,APU最大輸出功率降低,這主要是由于:隨著高度增加,環(huán)境壓力與溫度都降低,溫度降低的影響效應(yīng)同上,環(huán)境壓力的降低導(dǎo)致了APU進氣流量的降低,使得APU的功率下降。
圖3環(huán)境條件對APU性能的影響
(2)進排氣系統(tǒng)特性對APU性能的影響
民用飛機的APU一般安裝在飛機尾錐內(nèi),APU的進氣系統(tǒng)通常采用帶有沖壓進氣門的結(jié)構(gòu)或者無門的結(jié)構(gòu),對于帶有沖壓進氣門的APU的進氣系統(tǒng)能夠在飛行狀態(tài)下產(chǎn)生沖壓作用,提升APU性能。APU排氣系統(tǒng)一般影響APU的排氣損失,對性能影響較小。
圖4顯示了某APU輸出功率隨飛行高度與飛行馬赫數(shù)的變化關(guān)系。可以看出,在相同飛行高度條件下,APU功率隨飛行馬赫數(shù)的增加而增大??梢?,帶有沖壓進氣門的APU的進氣系統(tǒng)能夠在飛行狀態(tài)下較大的提升APU性能。
圖4 APU輸出功率隨飛行高度與飛行馬赫數(shù)的變化關(guān)系
(3)APU負載特性分析
APU負載特性包含:全負載特性與部分負載特性。
(1)全負載特性
APU負載特性的表示形式因APU的類型而異。
對于從壓氣機直接引氣的APU,其負載特性是指在APU進口空氣條件不變的條件下,輸出的引氣壓力、引氣溫度隨引氣流量的變化關(guān)系。某APU計算結(jié)果如圖5所示,可以看出,APU的引氣壓力與引氣溫度隨著引氣流量的增加而降低。另外,APU的最大引氣輸出量隨著輸出軸功率的增加而降低。
圖5 從壓氣機直接引氣APU的負載特性
對于帶負載壓氣機的單軸恒轉(zhuǎn)速APU而言,負載壓氣機通常采用進口流量控制,如進口導(dǎo)向葉片(IGV)對引氣量進行調(diào)節(jié)。在每個IGV角度下負載壓氣機都具有獨立的性能特點,如圖6所示的某型的APU計算結(jié)果:隨IGV開度的減小,APU的引氣壓力與引氣流量降低,引氣功率降低;在某一固定的IGV開度下,隨著引氣流量的降低引氣壓力增大,即壓氣機的工作點在壓氣機的等轉(zhuǎn)速線上移動。
圖6帶負載壓氣機APU的負載特性
(2)部分負載特性
對于從壓氣機直接引氣的APU,通過調(diào)節(jié)負載控制閥(LCV)調(diào)節(jié)APU引氣量,在部分負載工作狀態(tài)時,其LCV角度關(guān)小,壓氣機的負載降低,APU的燃油消耗率降低,當(dāng)LCV角度關(guān)至0度時,引氣負載為零,APU只提供電功率。
對于帶負載壓氣機的APU而言,負載壓氣機通常采用進口導(dǎo)向葉片(IGV)對引氣量進行調(diào)節(jié),但是由于受壓氣機特性的限制,IGV的角度不能關(guān)閉至0度,即在空載狀態(tài)下,負載壓氣機仍具有一定的引氣量,對這部分氣體的做功屬于無用功。因此,在部分負載狀態(tài)下,特別是空載狀態(tài)下,該類APU的經(jīng)濟性較差。圖7反映了典型的不同類型的APU的部分負載特性,可以看出,帶有負載壓氣機的APU的低引氣負載特性較差,低負載時EGT較高、燃油消耗率較高。
圖7 APU的部分負載特性
基于上述APU的基本性能特性規(guī)律,APU的性能選型主要考慮以下幾個方面:APU引氣性能選型、APU功率提取性能選型、APU類型選型、APU經(jīng)濟性選型。APU選型過程中需保證APU的各項性能指標與相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)相匹配。
APU引氣性能選型包括:主發(fā)起動性能匹配(MES)、環(huán)控引氣性能匹配(ECS)。
(1)主發(fā)起動性能匹配
對于采用氣起動主發(fā)動機的引氣系統(tǒng),從APU引出的高壓氣體經(jīng)過引氣管路和各閥門,到達空氣渦輪起動機(ATS)。主發(fā)起動性能匹配實質(zhì)上是對APU、引氣管路及閥門、ATS三者之間的匹配。ATS的功率與其進口壓力與流量有關(guān),根據(jù)ATS的性能特點,在APU與ATS的匹配過程中需考慮兩者之間的匹配要求,即APU提供的有效折合流量與ATS的折合流量相等,且APU提供的引氣壓力應(yīng)滿足ATS最小進口壓力要求[4]。根據(jù)以上匹配原則,可進行APU主要引氣參數(shù)的選擇。另外,在APU與ATS匹配中,引氣管路的設(shè)計模型影響兩者之間的匹配。采用不同的引氣管路模型,將導(dǎo)致不同的ATS匹配流量與匹配壓力。具體的匹配方式需與環(huán)控系統(tǒng)對管路模型進行權(quán)衡后確定。
(2)環(huán)控引氣性能匹配
APU的環(huán)控引氣需求的主要指標有:引氣流量、引氣壓力、引氣溫度。引氣流量需滿足新鮮空氣量等的要求;引氣壓比與引氣溫度由APU的壓氣機特性決定,應(yīng)考慮引氣溫度不能高于可燃液體的自燃溫度。
APU功率提取主要考慮的問題是為APU驅(qū)動發(fā)電機的耗功。APU的供電功能主要考慮的指標有:供電功率與供電頻率。恒轉(zhuǎn)速APU能夠很好地保證為電源系統(tǒng)提供恒頻電源。因此,恒轉(zhuǎn)速APU在目前的民用飛機中應(yīng)用較廣泛。功率提取量由電源的需求決定。
對于前文所述的3中典型APU構(gòu)型,在目前民用飛機中,直接引氣的單軸APU與帶有負載壓氣機的單軸APU應(yīng)用較廣,雙軸APU由于其結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜等原因而應(yīng)用較少。直接引氣的單軸APU與帶有負載壓氣機的單軸APU的性能特點如下:
(1)直接引氣的APU的特性分析
直接引氣的APU通過控制負載控制閥(LCV)調(diào)節(jié)引氣。為獲得較高的引氣壓力,引氣提取接口通常布置在壓氣機流路的下游且在燃燒室之前的位置,因此,對于確定的渦輪前溫度條件,APU的軸功率隨著引氣量的增加而降低。對此,對于引氣優(yōu)先的APU,需限制軸功率的使用以避免APU超限,相反,對于軸功率優(yōu)先的APU,需限制引氣的使用以避免APU超限。從壓氣機直接引氣影響了壓氣機與渦輪的匹配,導(dǎo)致了壓氣機與渦輪的效率降低,耗油率上升。另外,由于該類APU的結(jié)構(gòu)形式簡單、部件數(shù)目少,因此其起動特性較好且APU可靠性較高。
(2)帶有負載壓氣機的APU的特性分析
帶有負載壓氣機的APU通過調(diào)節(jié)負載壓氣機的進口導(dǎo)向葉片(IGV)進行引氣調(diào)節(jié)。相比而言,對于帶有負載壓氣機的APU,其動力段的壓氣機與渦輪能夠得到較好的匹配,其耗油率較低。其負載壓氣機的引氣特性也能夠通過調(diào)節(jié)IGV而與飛機用氣系統(tǒng)進行優(yōu)化匹配。由于該類APU帶有負載壓氣機,其結(jié)構(gòu)形式相對復(fù)雜、部件數(shù)目較多,因此APU可靠性較相對降低。
根據(jù)APU的不同設(shè)計理念,APU的功率特性與經(jīng)濟性(燃油消耗特性)有較大的差異。目前,在經(jīng)濟性方面,APU的設(shè)計理念主要有兩種:保證最小燃油消耗率的APU、保證最大功率密度的APU。
保證最小燃油消耗率的APU在設(shè)計過程中,重點考慮提高APU的效率,而其重量與尺寸通常較大;保證最大功率密度的APU在設(shè)計過程中,重點考慮提高APU的“功率與重量的比值”,其重量尺寸較小,而其燃油消耗率較高。在APU系統(tǒng)集成與選型過程中應(yīng)權(quán)衡考慮功率需求與重量的影響。
本文分析了民用飛機APU性能特性與性能選型考慮,強調(diào)了APU性能選型應(yīng)考慮APU自身特性及相關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的匹配影響,總結(jié)了典型APU的性能特點和APU的性能選型考慮要點,為民用飛機輔助動力裝置系統(tǒng)設(shè)計與集成提供參考。
[1]《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.
[2]Rodgers.C.The performance of single-shaft gas turbine load compressor auxiliary power units[J].AIAA-83-1159,1983.
[3]尚 義.航空燃氣渦輪發(fā)動機[M].北京:航空工業(yè)出版社,2008.
[4]王新月,卿熊杰,劉曉偉.某型飛機發(fā)動機起動供氣系統(tǒng)匹配及性能模擬[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2006,24(3):295-298.