鄧智亮

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

關(guān)鍵詞：輔助動(dòng)力裝置 進(jìn)氣系統(tǒng) 進(jìn)氣口 進(jìn)氣管道

中圖分類號(hào)：V235.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）07（b）-0072-02

輔助動(dòng)力裝置（APS）在現(xiàn)代民用客機(jī)上的應(yīng)用非常普遍，其本身為一臺(tái)小型燃?xì)鉁u輪機(jī)，主要在飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前向飛機(jī)提供電源和氣源。地面時(shí)，電源可向飛機(jī)系統(tǒng)供電，提供正常勤務(wù)等用電，氣源可用于發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、空調(diào)系統(tǒng)等；空中時(shí)，APS可提供備用的電源和氣源，可以向飛機(jī)供電和供氣，包括保證環(huán)控系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)、對(duì)主發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻和發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)力裝置[1]。

APS作為吸氣式動(dòng)力系統(tǒng)，其位于系統(tǒng)循環(huán)最前端的進(jìn)氣系統(tǒng)部分主要將氣流從飛機(jī)外導(dǎo)入APS壓氣機(jī)中，為其提供正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需的空氣壓力和空氣流量。由于APS進(jìn)氣系統(tǒng)的一部分通常處于飛機(jī)外表面，當(dāng)APS工作時(shí)開啟的進(jìn)氣風(fēng)門將會(huì)改變飛機(jī)的氣動(dòng)外形，可能會(huì)給飛機(jī)帶來額外的氣動(dòng)阻力，降低飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，因此進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還與飛機(jī)氣動(dòng)布局緊密相關(guān)。

目前國(guó)外對(duì)APS進(jìn)氣系統(tǒng)的研究較為深入，該文就典型民用飛機(jī)APS進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法展開研究，為將來的APS進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 APS進(jìn)氣典型流路分析

APS正常工作時(shí)，帶動(dòng)與其同軸連接的負(fù)載壓氣機(jī)和附件齒輪箱（內(nèi)含交流發(fā)電機(jī)），為飛機(jī)提供氣源和電源，外界空氣首先經(jīng)飛機(jī)表面進(jìn)氣口進(jìn)入APS進(jìn)氣道，然后再進(jìn)入燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)和負(fù)載壓氣機(jī)共用的進(jìn)氣通道，通常稱為主進(jìn)氣口。經(jīng)主進(jìn)氣口進(jìn)入APS的氣體，一部分進(jìn)入燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，先后流經(jīng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道、壓氣機(jī)，進(jìn)入燃燒室點(diǎn)火燃燒，保證燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作，以帶動(dòng)負(fù)載壓氣機(jī)及交流發(fā)電機(jī)工作。經(jīng)主進(jìn)氣口進(jìn)入APS的另一部分氣體進(jìn)入負(fù)載壓氣機(jī)，經(jīng)過壓縮后通過管道輸送給飛機(jī)，可作為主發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、主發(fā)動(dòng)機(jī)流道及飛機(jī)表面流動(dòng)控制（如壓氣機(jī)葉片附面層吹除、機(jī)身附面層吹除等）和主發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻等的氣源。除飛機(jī)外表面進(jìn)氣口外，APS還設(shè)有若干輔助進(jìn)氣口進(jìn)行引氣，主要目的對(duì)APS自身部件進(jìn)行冷卻[2-3]。

2 APS進(jìn)氣系統(tǒng)組成和部件基本功能

APU進(jìn)氣系統(tǒng)一般由進(jìn)氣風(fēng)門、APS進(jìn)氣道、通風(fēng)冷卻管道、風(fēng)門作動(dòng)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(jìn)氣風(fēng)門主要是在APS運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將外界空氣減速增壓，向燃?xì)鉁u輪機(jī)提供符合要求的空氣源；APS停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，進(jìn)氣風(fēng)門關(guān)閉防止外界空氣進(jìn)入燃?xì)鉁u輪機(jī)，從而造成其損壞。風(fēng)門作動(dòng)器系統(tǒng)主要根據(jù)控制信號(hào)開啟和關(guān)閉進(jìn)氣風(fēng)門，并在飛行工作過程中按預(yù)定角度固定進(jìn)氣風(fēng)門。APS進(jìn)氣道與主進(jìn)氣口相連，主要負(fù)責(zé)將外界空氣傳輸給核心機(jī)。作為冷卻使用的空氣主要通過通風(fēng)冷卻管道從飛機(jī)外進(jìn)入APS所在機(jī)艙空間內(nèi)，降低APS部件溫度。柔性密封件主要功能則是補(bǔ)償進(jìn)氣道和核心機(jī)的集氣腔間由于振動(dòng)產(chǎn)生的偏移以及保證兩者之間的氣密性。

3 設(shè)計(jì)概述

作為民用飛機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)的一部分，APS進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先需滿足民用飛機(jī)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)：即滿足國(guó)內(nèi)外運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。然后在此基礎(chǔ)上運(yùn)用系統(tǒng)工程的理論，統(tǒng)籌考慮系統(tǒng)先進(jìn)性、系統(tǒng)成熟度、研發(fā)成本和研發(fā)進(jìn)度等方面要求展開具體設(shè)計(jì)。

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

APS進(jìn)氣系統(tǒng)中的重要部件設(shè)計(jì)概述如下：

3.1 進(jìn)氣口設(shè)計(jì)

首先根據(jù)選用的APS核心機(jī)的功率和進(jìn)氣要求，初步確定進(jìn)氣開口尺寸，該尺寸通常與APS核心機(jī)集氣腔的開口尺寸接近，進(jìn)而保證進(jìn)氣量要求。由于進(jìn)氣口的位置通常與飛機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)布置相關(guān)，因此其位置選擇需根據(jù)飛機(jī)總體布置要求確定，應(yīng)盡量遠(yuǎn)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(shí)也應(yīng)盡量避免布置在飛機(jī)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(jìn)氣系統(tǒng)吸入，從而導(dǎo)致APS故障。同時(shí)進(jìn)氣系統(tǒng)所在位置的不同也會(huì)引起進(jìn)氣口尺寸的相應(yīng)調(diào)整。

3.2 進(jìn)氣道設(shè)計(jì)

隨著民用飛機(jī)技術(shù)的發(fā)展，APS進(jìn)氣道曾有2種主要的進(jìn)氣形式，管道式進(jìn)氣和箱式進(jìn)氣。目前通常采用管道式進(jìn)氣，該進(jìn)氣方式的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，易于維護(hù)。進(jìn)氣管道的布置一般受到進(jìn)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(shí)進(jìn)氣管道的幾何形狀也受到飛機(jī)外形、進(jìn)氣口位置、進(jìn)氣風(fēng)門形狀和進(jìn)氣壓力要求等因素影響，需經(jīng)過氣動(dòng)分析計(jì)算初步確定，并經(jīng)地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)最終驗(yàn)證。通?？梢酝ㄟ^在進(jìn)氣道中增加導(dǎo)流片優(yōu)化進(jìn)氣流道的方式提高進(jìn)氣質(zhì)量。為了滿足飛機(jī)的噪聲要求和提升飛機(jī)舒適性，在進(jìn)氣道中可增加消音隔板，該隔板能增加進(jìn)氣道內(nèi)消音面積，有效提升消音效果。同時(shí)整個(gè)APS進(jìn)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(jìn)氣風(fēng)門設(shè)計(jì)

目前大多數(shù)APS進(jìn)氣系統(tǒng)采用定、變幾何的flush和scoop型進(jìn)氣道。其中flush型進(jìn)氣道進(jìn)口截面形狀可采用分叉式或平面式， Scoop型進(jìn)氣道可采用圓形、半圓形及矩形進(jìn)口截面形狀。采用變幾何的APS進(jìn)氣風(fēng)門能夠有效減小由于APS進(jìn)氣系統(tǒng)引起的氣動(dòng)阻力，同時(shí)在APU不工作時(shí)也可關(guān)閉進(jìn)口，防止外物進(jìn)入。但變幾何機(jī)構(gòu)同時(shí)也會(huì)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(jì)較為簡(jiǎn)單，但會(huì)產(chǎn)生額外的氣動(dòng)阻力，并且較難阻止外物進(jìn)入APS中。

進(jìn)氣風(fēng)門的設(shè)計(jì)還與進(jìn)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(jìn)氣風(fēng)門和分離式進(jìn)氣風(fēng)門。當(dāng)進(jìn)氣道和通風(fēng)冷卻管道位置接近時(shí)，可考慮采用整合式進(jìn)氣風(fēng)門，即采用一個(gè)足夠大的進(jìn)氣風(fēng)門覆蓋進(jìn)氣道和通風(fēng)冷卻管道，從而降低進(jìn)氣風(fēng)門的復(fù)雜性；當(dāng)進(jìn)氣道和通風(fēng)冷卻管道相隔較遠(yuǎn)時(shí)，則采用分離式進(jìn)氣風(fēng)門，即分別為進(jìn)氣道和通風(fēng)冷卻管道設(shè)計(jì)不同的進(jìn)氣風(fēng)門。進(jìn)氣風(fēng)門外表面應(yīng)盡量與飛機(jī)表面齊平，降低氣動(dòng)阻力。

3.4 作動(dòng)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作動(dòng)器安裝位置主要受到進(jìn)氣系統(tǒng)安裝位置和周邊飛機(jī)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(dòng)器功率應(yīng)充分考慮進(jìn)氣風(fēng)門在飛機(jī)設(shè)計(jì)的運(yùn)行包線下所需承受的最大氣動(dòng)力，同時(shí)對(duì)比進(jìn)氣風(fēng)門破冰時(shí)所產(chǎn)生的額外力，選取兩者中較大的力作為作動(dòng)器功率設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)。

3.5 其它設(shè)計(jì)

在APS進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，同樣還需要關(guān)注國(guó)內(nèi)外運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)和民機(jī)行業(yè)其它通用規(guī)范中的電氣、強(qiáng)度、可靠性、安全性和維修性等要求，并且通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，并最終在試驗(yàn)中驗(yàn)證。

4 結(jié)語

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

參考文獻(xiàn)

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