李春 史鑫垚

摘 要：空中起動能力和成功率是飛機輔助動力裝置的重要指標，是飛機安全性的重要保證，也是輔助動力裝置研制的難點。某型輔助動力裝置在試飛過程中遇到了空中起動不成功的問題，本文分析了空中起動不成功的原因，通過技術攻關，采取有效措施，解決了該型輔助動力裝置的空中起動難題。

關鍵詞：輔助動力;空中起動;風車轉速

中圖分類號：V228 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）08-0083-02

輔助動力裝置（APU）是飛機的關鍵機載設備，為飛機的主發(fā)動機起動和環(huán)控系統(tǒng)提供氣源，同時可以給飛機供電。輔助動力裝置的引氣和供電功能極大的提升了飛機性能，使其具有更高的安全性、舒適性和自主保障能力。考慮到燃油經濟性，在正常飛行中APU一般處于關停狀態(tài)，因此要求輔助動力裝置具有隨時起動的能力，起動包線覆蓋飛機全包線[1]。

本文通過對某型輔助動力裝置高空起動問題的分析和驗證，找到了影響APU空中起動的主要原因，提供了多種提高輔助動力裝置空中起動能力的措施，實現(xiàn)了該型輔助動力裝置全包線范圍內的空中起動。希望對發(fā)動機及APU的空中起動提供一定的參考。

1 試飛情況統(tǒng)計

在2014年10月至2017年9月的3年時間里，該APU共進行4km以上的空中起動70次，其中起動失敗22次（再起動失敗11次、冷浸起動失敗11次），分析后可整理歸納如下：（1）再起動失敗都發(fā)生在8km以上、飛行馬赫數(shù)都在0.65以上;（2）有7次再起動失敗是由于起動前的風車轉速超過20%（最高達到29.5%），ECB拒絕起動。分別是8km、0.79Ma出現(xiàn)4次，8km、0.71Ma出現(xiàn)1次，10km、0.79Ma出現(xiàn)1次，12km、0.79Ma出現(xiàn)1次;（3）有2次再起動失敗是因為未點著火。表現(xiàn)為12km，風車轉速17%，起動時電機帶轉正常，供油正常，但排氣溫度一直處于下降趨勢，說明未能點著火導致起動失敗;（4）有2次再起動失敗是因為點著火后被吹熄。變現(xiàn)為12km，風車轉速12.2%，起動時電機帶轉正常，供油正常，排氣溫度升高后又下降，說明點著火后又熄火導致起動失敗;（5）有10次成功起動的過程中曾發(fā)生短暫熄火。表現(xiàn)為10km，風車轉速14%，起動的過程中先點著火但是又熄掉，然后再次點著并起動成功。已經表現(xiàn)出來可能熄火導致起動失敗的跡象;（6）11次冷浸起動失敗全部表現(xiàn)為未點著火。

2風車特性研究

該APU安裝在飛機起落架艙，進氣口超前。在對試飛數(shù)據(jù)的分析時發(fā)現(xiàn)該APU的風車轉速普遍偏大（相對于安裝在飛機尾部收斂段的相似構型APU），為了進一步分析安裝位置及進氣方式對空中起動的影響，了解各飛行狀態(tài)下實際風車轉速大小，為后續(xù)分析提供依據(jù)，開展了實際飛行條件下APU風車特性研究。

2.1 開進氣門條件下的風車轉速

在APU不工作的條件下，進行了開著進氣門的風車轉速試驗，根據(jù)飛行結果擬合出來的風車轉速隨飛行馬赫數(shù)的關系曲線見圖1。從圖中可以看出，在相同的馬赫數(shù)條件下，飛行高度越高，風車轉速越小。但從實際裝機效果來看，風車轉速最大的條件是出現(xiàn)在8km、0.79Ma（最大平飛速度），風車轉速到達24.5%。

需說明的是，風車轉速的大小不僅與飛行高度、馬赫數(shù)相關，另一個重要的影響因素是滑油溫度，滑油溫度越低，粘性系數(shù)越大，轉動摩擦阻力會大大增強，會降低風車轉速甚至使風車轉速為零。在高空模擬條件下進行了APU恒高度、恒進口馬赫數(shù)的風車轉速試驗，得到該條件下滑油溫度對風車轉速的影響曲線，見圖2。

2.2 關閉進氣門條件下的風車轉速

在分析空中起動數(shù)據(jù)時還發(fā)現(xiàn)在進氣門關閉的條件下，APU仍有一定的風車轉速。因此，特意進行了一次進氣門關閉條件下的風車轉速測量飛行，結果表明在進氣門關閉的條件下，最大風車轉速達到16%，見圖3。

3 起動失敗機理分析

該型輔助動力裝置在首飛前的高空模擬試驗中已經驗證具備在12km高度范圍內、靜止條件下起動的能力，飛行試驗與高空模擬的差異僅在于風車效應，因此針對風車效應對空中起動的影響機理展開研究。靜止條件下起動時，點火前壓氣機是由起動電機帶轉，吸入外界空氣并進行增壓的;風車條件下起動時，壓氣機是由迎面來流空氣吹動的，此時壓氣機相當于“渦輪”，不僅不能夠對來流增壓，反而起到降壓的效果。在壓氣機特性圖上，相同的折合轉速條件下，風車狀態(tài)的壓比不僅低于無風車狀態(tài)，同時還在很大轉速范圍內低于1，與此同時風車條件下的空氣流量則遠遠大于無風車條件，可想而知，風車條件下燃燒室內的氣流速度將遠大于無風車條件，很容易將火焰吹熄，這就是風車效應影響空中起動成功率的根源，也是APU限制空中起動前風車轉速的根本原因。

為弄清風車條件下和電機帶轉條件下的具體差異，進行了對比試驗。從試驗中得出以下基本結論：（1）在相同換算轉速下（17.7%），風車條件下的壓氣機后壓力是進口壓力的0.87倍，帶轉條件下的壓氣機后壓力是進口壓力的1.07倍;（2）在相同換算轉速下（17.7%），風車條件下的空氣流量是帶轉條件下的2.38倍;由此可推算出，該風車條件下的壓氣機出口氣流速度是電機帶轉條件下的1.9倍左右，如果此時點火將很容易被吹熄。

4 技術攻關措施

為了解決APU空中起動不成功的問題，與飛機研制單位共同制定了攻關思路，從以下三個方面同步進行。

4.1 降低風車效應

分析了進氣門關閉條件下風車轉速的來源。引起風車轉速高的原因主要是：APU排氣口在起落架艙中后部，從進氣口到排氣口的起落架艙為外凸弧面過渡，在飛行中表面氣流速度是加速的，因此排氣口處靜壓低，引射效果較明顯，導致進氣門關閉條件下風車轉速高。

經過計算分析，縮短飛機上伸出機體表面的排氣管長度可降低風車轉速，從試飛數(shù)據(jù)來看，縮短排氣管50mm后的風車轉速下降約4個百分點。

4.2 適應風車效應

由于安裝條件的限制，APU在空中將不可避免的存在較高的風車轉速。為了適應風車效應，APU開展了滑油系統(tǒng)供油、軸承發(fā)熱及軸向載荷分析;進行了2套主軸承50h風車模擬試驗（分別為6%和12%風車轉速）[2];并完成了整機50h高空臺風車試驗。通過以上方法驗證了APU具備承受長時間風車效應的能力。在此基礎上，采取了以下改進措施來提高APU在高風車轉速下的起動能力：（1）優(yōu)化空中起動操作程序。前期的空中起動程序規(guī)定飛行員在按壓主開關上電后待控制器自檢完成，且收到進氣門打開信號后才按壓起動按鈕，如果沒能第一時間按壓起動按鈕，此時APU已經在進氣門打開的條件下持續(xù)了一段時間，風車轉速持續(xù)上升。為避免人為延時，將空中起動操作程序改為按壓主開關后3s立即按壓起動按鈕（此時APU不進行起動，而是等到收到進氣門打開信號后立即自動起動）。（2）調整起動控制邏輯。將風車轉速限制值調整到25%，防止出現(xiàn)由于風車轉速大而拒絕起動的情況;調整空中起動等待時機，如將APU初始起動時大于7%轉速則等待59s調整為大于25%則等待59s，以保證迅速起動;調整空中起動供油時機，通過調整P2壓力、排氣溫度與滑油溫度設置狀態(tài)標志的判據(jù)，將供油時機由40%轉速和轉速大于7%持續(xù)20s提前至7%～10%轉速，有利于空中起動。

4.3 增強起動能力

高空起動時由于低溫低壓環(huán)境的影響，蓄電池的供電能力會較地面有所下降，不能滿足APU高空起動供電電源需求，因此在空中起動時，改為由變壓整流器供電。

另外該APU的空中起動失敗都是因為點不著火或點著火后被吹熄，如果增加點火能量則能夠提高點火的成功率。因此在滿足點火裝置本身功能、性能和裝機使用要求的前提下，將點火能量增加1.8倍，點火性能有了明顯提升。

5 空中起動考核驗證

貫徹了縮短排氣管伸出機體長度、優(yōu)化空中起動程序、調整起動控制邏輯、優(yōu)化供電電源、增大點火能量等措施的輔助動力裝置重新進行了空中起動驗證試驗。

2018年底，APU在12km高度，0.79Ma和0.74Ma條件下兩次冷浸起動成功，順利完成冷浸起動的考核;2019年初，完成所有再起動考核點條件下的連續(xù)三次起動成功，該型輔助動力裝置空中起動攻關勝利結束。

6 結論

輔助動力裝置的空中起動能力是其重要的性能和安全性指標，也是設計難點，通過某型APU空中起動技術研究，分析了空中起動困難的原因，制定了有效的措施，最終獲得了成功。也為今后發(fā)動機及APU的研制提供了參考。

參考文獻

[1] 章弘，常紅.輔助動力裝置系統(tǒng)空中起動設計和驗證[J].民用飛機設計與研究，2016（14）：120-121.

[2] 馬燕榮.某型燃氣渦輪起動機空中起動試驗[J].航空發(fā)動機，2009，35（4）：45-47.