劉 大 章 弘 周宇穗 ∕ LIU Da ZHANG Hong ZHOU Yusui

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

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民用飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置艙排液裝置設(shè)計(jì)方法研究

劉 大 章 弘 周宇穗 ∕ LIU Da ZHANG Hong ZHOU Yusui

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

民用飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置(APU)艙排液裝置用于將APU艙內(nèi)可能泄漏的可燃液體排出機(jī)外，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)和飛機(jī)的安全具有重要意義。針對(duì)重力排液，總結(jié)了APU艙排液裝置的設(shè)計(jì)要求及相關(guān)機(jī)型的排液設(shè)計(jì)方案，在此基礎(chǔ)上研究了民用飛機(jī)APU艙排液裝置相關(guān)的設(shè)計(jì)要素和設(shè)計(jì)流程，獲得了民用飛機(jī)APU艙排液裝置的初步設(shè)計(jì)方法。

APU艙；排液裝置

0 引言

民用飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置(Auxiliary Power Unit，以下簡(jiǎn)稱為APU)是一種燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，安裝在APU艙中，用于為飛機(jī)提供電源和氣源，其工作原理如圖1所示。作為火區(qū)[1]，APU艙內(nèi)不允許有可燃液體積聚。為保證整個(gè)系統(tǒng)和飛機(jī)的安全，APU艙需設(shè)計(jì)有排液裝置，以將可燃液體及時(shí)排出機(jī)外，避免可能的著火危害。

圖1 APU工作原理

1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)相關(guān)條款、咨詢通告及國(guó)內(nèi)外成熟機(jī)型排液裝置設(shè)計(jì)方案[1-2]，APU艙排液裝置需滿足的設(shè)計(jì)要求主要由兩條：一是當(dāng)需要排放時(shí)，在預(yù)期液體會(huì)存在的各種情況下，必須是有效的；二是必須布置成使放出的液體不會(huì)增加著火危險(xiǎn)。具體的設(shè)計(jì)要求如下。

1)排液能力要求

排液裝置應(yīng)有足夠的能力將APU艙內(nèi)可能產(chǎn)生的最大液體泄漏量排出機(jī)外。最大泄漏量應(yīng)基于泄漏源、泄漏量分析的結(jié)果確定。

2)安裝位置要求

排液裝置應(yīng)布置在APU艙底部，且APU艙底部結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量聯(lián)通，保證地面狀態(tài)下液體可以匯聚到排液管中并排放干凈。

3)出口布置要求

<1)，且各件產(chǎn)品是否為不合格品相互獨(dú)立．

排液裝置出口應(yīng)盡量布置在飛機(jī)開口的下游區(qū)域。

4)管路設(shè)計(jì)要求

排液裝置出口及管路設(shè)計(jì)應(yīng)避免產(chǎn)生水或冰的積聚。

5)長(zhǎng)度限制要求

排液裝置不應(yīng)在起飛和著陸狀態(tài)時(shí)接觸跑道。排液裝置應(yīng)盡量伸出附面層以外。

6)防火安全要求

為避免產(chǎn)生著火危險(xiǎn)，排液裝置排出的液體不能進(jìn)入以下區(qū)域：

①客艙，貨艙；

②任何存在潛在點(diǎn)火源的區(qū)域；

③APU艙；

④APU進(jìn)氣口和尾噴口；

⑤發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口和尾噴口；

⑥附件艙或可燃液體泄漏時(shí)可能有名義點(diǎn)火源存在的區(qū)域，例如電子電氣艙，航燈或電池艙等；

⑦起落架艙。

7)其他要求

排液裝置應(yīng)滿足CCAR25.581、CCAR25.954及AC20-53A規(guī)定的閃電防護(hù)要求。

2 排液方案

圖2 波音737-600/700/800/900APU艙排液裝置

圖2～圖4分別給出了波音737系列飛機(jī)、空客A320/319系列飛機(jī)和空客A340飛機(jī)APU艙排液裝置的示意圖。從圖中可以看出，盡管形式各異，但以上幾個(gè)系列飛機(jī)的APU艙排液裝置均布置在APU艙最低點(diǎn)處，且均以管路的形式伸出機(jī)外，液體在重力作用下排出機(jī)外。其中，A320/319的APU本體排液和APU艙排液集成在一個(gè)排液裝置中，APU艙排液、APU本體前端和中間部位排液通過重力直接由排液裝置排出，APU本體后端排液先排放到儲(chǔ)液箱中，待液體收集滿后再排出。

圖3 空客A320/319 APU艙排液裝置

圖4 空客A340 APU艙排液裝置

3 設(shè)計(jì)要素

對(duì)于依靠重力進(jìn)行排液的APU艙排液裝置，表現(xiàn)形式一般為伸出機(jī)外的管路。對(duì)于管路，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮的要素有排液管的安裝位置、出口位置、最小孔徑及管路形式。

3.1 安裝位置

根據(jù)安裝位置設(shè)計(jì)要求，排液裝置應(yīng)布置在APU艙底部，且APU艙底部結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量聯(lián)通，保證地面狀態(tài)下液體可以匯聚到排液管中并排放干凈。結(jié)合圖2～圖4相關(guān)機(jī)型的APU艙排液管設(shè)計(jì)方案，排液管的安裝位置一般應(yīng)選在APU艙門底部的最低點(diǎn)處。

3.2 出口位置

根據(jù)出口布置、管路設(shè)計(jì)和長(zhǎng)度限制要求，排液裝置出口應(yīng)盡量布置在飛機(jī)開口的下游區(qū)域，且排液裝置出口及管路設(shè)計(jì)應(yīng)避免產(chǎn)生水或冰的積聚。另外，排液裝置不應(yīng)在起飛和著陸狀態(tài)時(shí)接觸跑道，排液裝置應(yīng)盡量伸出附面層以外，APU艙排液管路的出口位置應(yīng)盡量布置在飛機(jī)表面開口的下游，并遠(yuǎn)離可能產(chǎn)生水或冰積聚的地方。此外，還需要進(jìn)行整機(jī)級(jí)數(shù)值模擬，以獲得APU艙排液管可能布置區(qū)域的附面層厚度(如圖5所示)，并基于飛機(jī)的幾何形狀，計(jì)算出機(jī)體擦地的角度限制(如圖6所示)。最后，綜合考慮附面層厚度和擦地角的高度限制，以及出口布置、管路設(shè)計(jì)要求確定APU艙排液管的出口位置。

圖5 附面層厚度計(jì)算示意圖

圖6 擦地角限制

3.3 最小孔徑

根據(jù)排液能力要求，APU艙排液裝置應(yīng)有足夠的能力將APU艙內(nèi)可能產(chǎn)生的最大液體泄漏量排出機(jī)外。為獲得APU艙內(nèi)最大泄漏量，還需要進(jìn)行APU艙內(nèi)泄漏源、泄漏量分析。在進(jìn)行泄漏源分析時(shí)，應(yīng)考慮APU艙內(nèi)所有可能的泄漏源及原因，包括由于管路破裂或接頭密封不良導(dǎo)致的燃油泄漏、滑油泄漏、以及可能布置在APU艙內(nèi)的液壓油泄漏；在進(jìn)行泄漏量分析時(shí)，一般只考慮單個(gè)密封件或高壓管路裂開而導(dǎo)致的液體泄漏量的最大可能泄漏量，不考慮由于整個(gè)主燃油供油管脫開而帶來的超大流量的液體泄漏，這是因?yàn)橹魅加凸┯凸茴A(yù)期的失效模式通常限于逐步損壞，因此在燃油管完全脫開前可以檢查到泄漏并采取安全措施。

在APU艙內(nèi)最大泄漏量確定后，已知APU艙底部面積，基于APU艙底部開孔孔徑計(jì)算模型，即可對(duì)APU艙排液管的最小孔徑進(jìn)行計(jì)算，如圖7所示，詳細(xì)的計(jì)算過程參見《APU艙排液孔大小確定的初步方法》[3]。

圖7 APU艙底部開孔孔徑計(jì)算模型

3.4 管路形式

根據(jù)管路設(shè)計(jì)要求，排液裝置出口及管路設(shè)計(jì)應(yīng)避免產(chǎn)生水或冰的積聚。排液管路形狀應(yīng)盡可能平滑光順，以避免產(chǎn)生水或冰的集聚。已知APU艙排液管的安裝位置、出口位置及最小孔徑，最簡(jiǎn)易的管路形式可設(shè)計(jì)為連接安裝位置和出口位置的圓柱管，其直徑根據(jù)最小孔徑要求確定，如圖8所示。為防止排液管內(nèi)液體排出機(jī)身后快速擴(kuò)散，排液管出口可相對(duì)來流后掠一定角度，有時(shí)需要對(duì)排液管區(qū)域進(jìn)行整流，在排液管周圍增加整流罩，如圖9所示。

圖8 圓柱管形式排液管

圖9 帶整流翼型排液管

3.5 模擬和驗(yàn)證

根據(jù)防火安全設(shè)計(jì)要求，APU艙排液裝置排出的液體不能進(jìn)入到客艙、貨艙、發(fā)動(dòng)機(jī)艙，APU艙等可能產(chǎn)生著火危害的區(qū)域，這就需要在初步設(shè)計(jì)方案完成后，進(jìn)行整機(jī)級(jí)數(shù)值仿真，獲得各個(gè)典型飛行狀態(tài)下APU艙排液路徑，并根據(jù)防火安全設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)迭代。

3.6 其他要素

此外，根據(jù)其他設(shè)計(jì)要求，APU艙排液裝置應(yīng)滿足CCAR25.581、CCAR25.954及AC20-53A規(guī)定的閃電防護(hù)要求，這就需要APU艙排液裝置在安裝時(shí)需要進(jìn)行必要的電搭接。

4 設(shè)計(jì)流程

綜上，排液裝置設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下流程：

1)根據(jù)安裝位置設(shè)計(jì)要求確定排液管的安裝位置；

2)根據(jù)排液管的安裝位置確定排液管所在位置的附面層厚度；

3)根據(jù)長(zhǎng)度限制和安裝位置設(shè)計(jì)要求確定排液管不擦地的高度限制。根據(jù)防火安全設(shè)計(jì)要求，開展整機(jī)級(jí)數(shù)值模擬，獲得排液管安裝區(qū)域的附面層厚度；

4)根據(jù)出口布置和管路布置設(shè)計(jì)要求，排液管所在位置的附面層厚度、排液管不擦地的高度限制確定排液管的出口位置；

5)根據(jù)排液能力設(shè)計(jì)要求進(jìn)行可燃液體泄漏源、泄漏量分析確定APU艙內(nèi)可燃液體的最大泄漏量；

6)根據(jù)APU艙內(nèi)可燃液體的最大泄漏量、APU艙底部面積計(jì)算排液管孔徑；

7)根據(jù)管路設(shè)計(jì)要求確定排液管路形狀；

8)根據(jù)防火安全設(shè)計(jì)要求進(jìn)行整機(jī)級(jí)APU排液路徑數(shù)值模擬，驗(yàn)證APU艙排液管設(shè)計(jì)是否滿足要求。

對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)流程如圖10所示。

圖10 APU排液裝置設(shè)計(jì)流程

5 結(jié)論

針對(duì)重力排液，本文總結(jié)了APU艙排液裝置的設(shè)計(jì)要求及相關(guān)機(jī)型的排液設(shè)計(jì)方案。在此基礎(chǔ)上，研究了民用飛機(jī)APU艙排液裝置相關(guān)的設(shè)計(jì)要素和設(shè)計(jì)流程，獲得了民用飛機(jī)APU艙排液裝置的初步設(shè)計(jì)方法，包括安裝和出口位置的選取、管路形式的設(shè)計(jì)、最小孔徑的計(jì)算、以及模擬和驗(yàn)證發(fā)考慮等，供民機(jī)設(shè)計(jì)人員參考。

[1] 中國(guó)民用航空局. CCAR25-R4 中國(guó)民用航空規(guī)章第25部：運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京：中國(guó)民用航空局，2009.

[2] FAA. Advisory Circular AC No. 20-53A Protection of Airplane Fuel Systems Against Fuel Vapor Ignition Due to Lighting[S]. US: FAA, 1985.

[3] 劉林，王棟. APU艙排液孔大小確定的初步方法[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2011，4:21-23.

The Study on APU Compartment Drainage System Design Method for Civil Aircraft

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210,China)

Auxiliary power unit (APU) drainage system for civil aircraft is used to drain the possible leakage flammable liquid out of the aircraft, and is very impotent for the system and the aircraft safety. This paper summarizes the design requirements and related design layout of other civil aircraft’s drainage system . The design elements and process are studied, and a preliminary design method for APU compartment drainage system is obtained.

auxiliary power unit (APU) compartment; drainage system

10.19416/j.cnki.1674-9804.2016.03.005

V228

A