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APU進(jìn)氣系統(tǒng)安裝典型設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的研究

0引言

輔助動(dòng)力裝置(Auxiliary Power Unit，以下簡稱APU)是利用輸出氣源和軸功率來起動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)，并用來發(fā)電和為機(jī)載空調(diào)提供氣源的裝置。APU實(shí)際上是一種小型的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，它有自己的壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和各個(gè)系統(tǒng)，而且很多APU都是從燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)衍生發(fā)展而來的。隨著現(xiàn)代飛機(jī)變得越來越大，越來越復(fù)雜，電子、電氣設(shè)備越來越多，致使用氣量和用電量亦越來越大，從而使得現(xiàn)代飛機(jī)越發(fā)需要和依賴APU[1]。20 世紀(jì)60 年代， APU被引入飛機(jī)設(shè)計(jì)中。有了APU 所提供的動(dòng)力，飛機(jī)取消了對地面電源車、起動(dòng)車和空調(diào)車的依賴；飛機(jī)在起飛過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)功率可全部用于加速和爬升，從而改善了起飛性能；飛機(jī)著陸后關(guān)閉主發(fā)動(dòng)機(jī)，由APU 提供電源照明和調(diào)節(jié)客艙溫度，可節(jié)省燃油、降低機(jī)場噪聲[2]。

APU的安裝設(shè)計(jì)會(huì)影響到APU的功能、性能、安全性、可靠性及可維修性等，由美國汽車工程師協(xié)會(huì)(SAE)出版的SAE AIR 4204 《飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置安裝設(shè)計(jì)指南》[3]，對APU系統(tǒng)安裝提供了指導(dǎo)方法，但典型的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)仍會(huì)導(dǎo)致制造、裝配、運(yùn)營期間的問題，本文以某機(jī)型APU進(jìn)氣系統(tǒng)的技術(shù)性經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)為基礎(chǔ)，重點(diǎn)討論除提高抗疲勞能力之外的典型設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)及推薦性的設(shè)計(jì)方案。

1APU類型

根據(jù)美國聯(lián)邦航空局技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定TSO-C77[4]，APU劃分為兩種類型，即1類 APU和2類 APU，其都要滿足：

(1)一般要求，如額定和工作限制、材料、耐久性、載荷、可達(dá)性等；

(2)設(shè)計(jì)和構(gòu)造要求，如安全性、防火、進(jìn)氣、潤滑、排氣、冷卻、轉(zhuǎn)子包容等；

(3)型號(hào)驗(yàn)證要求，如標(biāo)定試驗(yàn)、耐久性試驗(yàn)、拆卸檢查、超速試驗(yàn)、超溫試驗(yàn)等。

此外，1類APU具有額外的附加要求，如防冰、防止外來物吸入、自動(dòng)停車限制、點(diǎn)火系統(tǒng)檢查維修間隔等。

2進(jìn)氣系統(tǒng)

2.1安裝設(shè)計(jì)要求

APU進(jìn)氣系統(tǒng)的主要功能是為APU壓氣機(jī)提供氣體和APU艙的通風(fēng)冷卻，滿足APU各種工作條件所需的空氣流量，并且對壓力恢復(fù)具有一定的限制。進(jìn)氣口的位置通常要保證避免吸入外來物、廢氣、流體等。進(jìn)氣管道壓力比排氣管道的壓力大，為防止APU風(fēng)車轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致APU磨損和滑油消耗，通常設(shè)置密封的進(jìn)氣門布置在飛機(jī)右側(cè)，遠(yuǎn)離登機(jī)門。此外，進(jìn)氣系統(tǒng)應(yīng)考慮降噪、排液、破冰等功能。

2.2典型設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

(1)進(jìn)氣門安裝

進(jìn)氣門作動(dòng)器的兩端接頭，即與固定支座、搖臂連桿的連接采用孔-孔配合的形式，若設(shè)計(jì)不當(dāng)，則會(huì)導(dǎo)致裝配過程中的不協(xié)調(diào)。通常作動(dòng)器的兩端應(yīng)該采用球面軸承，并在行程長度方向設(shè)置調(diào)整措施，從而有效解決裝配中的調(diào)整問題，典型的作動(dòng)器安裝如圖1所示。

圖1　進(jìn)氣門作動(dòng)器安裝

對于檢測進(jìn)氣門打開位置的傳感器，通常使用旋轉(zhuǎn)差動(dòng)傳感器(Rotary Variable Differential Transformer，簡稱RVDT)，而不使用電位計(jì)，比較而言，RVDT的可靠性、準(zhǔn)確性更高，進(jìn)氣門的調(diào)試也更簡單。在設(shè)計(jì)過程中，RVDT包括兩種安裝形式——分離式和整體式，整體式是將RVDT集成到作動(dòng)器內(nèi)部，分離式是將RVDT作為一個(gè)獨(dú)立的航線可更換件(Line Replaceable Unit，簡稱LRU)，其優(yōu)缺點(diǎn)比較見表1。

表1　整體式和分離式RVDT優(yōu)缺點(diǎn)比較

進(jìn)氣門結(jié)構(gòu)應(yīng)合理設(shè)計(jì)，門本體通常應(yīng)采用整體機(jī)加形式，而不采用鈑金件，主要原因是鈑金進(jìn)氣門本體會(huì)導(dǎo)致制造、安裝和調(diào)試?yán)щy。此外，由某機(jī)型研制經(jīng)驗(yàn)得知，某些情況下進(jìn)氣門在靜態(tài)條件下的調(diào)試并不能滿足飛行中的動(dòng)態(tài)情況，因此，應(yīng)在首飛試驗(yàn)中確定靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下的數(shù)據(jù)，并確認(rèn)滿足APU的性能要求。典型的門本體和頂蓋結(jié)構(gòu)如圖2所示，需要指出的是門本體和頂蓋之間應(yīng)具有良好的電搭接，根據(jù)閃電防護(hù)要求確定緊固件數(shù)量。

圖2　APU進(jìn)氣門結(jié)構(gòu)

(2)進(jìn)氣道安裝

進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)和安裝應(yīng)滿足CCAR/FAR 25.1103條款，進(jìn)氣道的選材應(yīng)是防火的，且不會(huì)在高溫下產(chǎn)生有毒氣體。為滿足APU性能，其氣動(dòng)外形應(yīng)避免急劇轉(zhuǎn)彎，并能承受各狀態(tài)下內(nèi)外部的壓力和溫度，如APU喘振、噪聲能量、回火、溫度變化等。為防止APU振動(dòng)傳遞，進(jìn)氣道與APU集氣室之間采用柔性連接。

為使APU進(jìn)氣道安裝和拆卸方便，通常要設(shè)置工藝分離面，如圖3所示，因此界面連接處會(huì)產(chǎn)生間隙、階差等，影響進(jìn)氣流，進(jìn)而影響APU性能。在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)合理設(shè)定間隙、階差以及輪廓度公差，氣動(dòng)表面質(zhì)量的經(jīng)驗(yàn)值見表2，僅供參考，必要時(shí)需進(jìn)行CFD分析或試驗(yàn)，以確認(rèn)合理值并滿足APU的性能要求。

圖3　APU進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)

1.02mm±1.0mm1.5mmmax輪廓度公差±1.0mm

為滿足民用飛機(jī)噪聲設(shè)計(jì)要求，在后服務(wù)門和APU進(jìn)氣口周邊的最大噪聲水平都有一定的限制，通常APU進(jìn)氣道會(huì)采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行降噪處理，解決蜂窩結(jié)構(gòu)的吸濕問題是重要的設(shè)計(jì)考慮要素。雖然使用經(jīng)驗(yàn)表明，APU進(jìn)氣道的水分可以在較高溫度和管道內(nèi)高速氣流綜合作用下降低不良影響，但仍需采取必要的防護(hù)設(shè)計(jì)措施。典型的解決方案是進(jìn)氣道的形狀應(yīng)保證不存在低點(diǎn)以防止液體聚集，設(shè)置排液措施，防止吸濕同時(shí)也避免了可燃液體聚集到危險(xiǎn)狀態(tài)。此外，進(jìn)氣道產(chǎn)品應(yīng)進(jìn)行相關(guān)的環(huán)境鑒定試驗(yàn)，即符合美國航空無線電技術(shù)委員會(huì)制定的RTCA-DO160[5]的相關(guān)要求，包括第6章(濕熱)和第10章(防水性)，從而確定其在壽命周期內(nèi)不會(huì)發(fā)生性能降級(jí)或失效。

此外，APU進(jìn)氣系統(tǒng)的安裝，在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮人的因素，可參見MIL-STD-1472[6]，進(jìn)行必要的可達(dá)性、可維修性分析，以保證部件安裝、拆卸、維修簡單，從而減少操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度并降低維修成本。

3結(jié)論

本文對APU進(jìn)氣系統(tǒng)典型安裝設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)進(jìn)行了闡述，其設(shè)計(jì)應(yīng)包含很多其他設(shè)計(jì)要求，例如材料選擇、接口載荷、振動(dòng)、E3問題、回火、互換性/可替換性、快速更換(QEC)等要求?？傊谙到y(tǒng)安裝設(shè)計(jì)過程中應(yīng)綜合考慮各設(shè)計(jì)要素，一些要求往往相互制約甚至矛盾，在方案選擇和確定時(shí)進(jìn)行合理的權(quán)衡研究。此外，應(yīng)注重產(chǎn)品外場使用過程中的數(shù)據(jù)積累和問題反饋，以不斷提高和改進(jìn)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 金中平. 輔助動(dòng)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.

[2] 孫立. APU技術(shù)進(jìn)展和維修現(xiàn)狀[J]. 航空維修與工程, 2009(2):22-24.

[3] SAE AIR4204, Commercial Aircraft Auxiliary Power Unit Installations[S].

[4] TSO-C77b.Gas Turbine Auxiliary Power Units[S].

[5] RTCA-DO160. Environmental Conditions & Test Procedures for Airborne Electronic/Electrical Equipment and Instruments[S].

[6] MIL-STD-1472. Human Engineering[S].

Study on Typical Design Detail for APU Inlet System Installation

孟凡力1劉巖東1劉媛媛1宋崎2/

Meng Fanli1Liu Yandong1Liu Yuanyuan1Song Qi2

(1.中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽110000；2.沈陽航空航天大學(xué)，沈陽110136)

(1.AVIC SAC Commercial Aircraft Company Limited, Shenyang 110000,China；2.Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136，China)

摘要：

輔助動(dòng)力裝置(Auxiliary Power Unit，以下簡稱APU)是民用飛機(jī)的重要系統(tǒng)，其安裝設(shè)計(jì)對于APU的功能、性能、安全性、可靠性、可維修性等具有很大的影響。重點(diǎn)研究APU的進(jìn)氣系統(tǒng)安裝設(shè)計(jì)，對設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)導(dǎo)致的典型問題進(jìn)行分析，并給出推薦性解決方案，對于民機(jī)APU的安裝設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用和實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：APU；進(jìn)氣系統(tǒng)；設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

[Abstract]Auxiliary Power Unit (APU) is an important system in commercial aircraft, and the installation design is critical to APU function, performance, safety, reliability, maintainability. This paper studies on the installation design of APU inlet system. The typical issues resulted from design detail are analyzed, and recommendable design solutions are given. The paper has certain guidance meaning and practical value for commercial aircraft APU installation design.

[Key words]APU; inlet system; design detail

中圖分類號(hào)：V228.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A