關(guān)于老舊飛機APU的再利用

摘 要：目前，在民航業(yè)內(nèi)擁有飛機的企業(yè)中有許多的APU面臨著即將淘汰、性能衰退而無法滿足航空器安全適航的現(xiàn)象。而這些不能服務于飛機的APU只要是經(jīng)過適當?shù)母脑觳⒓右岳茫梢栽诿裼玫闹T多領(lǐng)域發(fā)揮其殘余價值，真正的做到“變廢為寶”。

關(guān)鍵詞：多功能；電源氣源；除雪；除冰；高溫高速

1 項目立項依據(jù)與研究內(nèi)容及成果

1.1 項目的立項依據(jù)

在大、中型飛機上和大型直升機上，為了減少對地面（機場）供電設(shè)備的依賴，都裝有獨立的小型動力裝置獨立輸出壓縮空氣或電力，稱為輔助動力裝置或APU。民航飛行校驗中心從兩架空中國王350飛機拆除的兩臺型號為GTCP36-150W輔助動力單元，因無其它飛機使用此型號APU，所以長期放置于庫房之中閑置不用，現(xiàn)擬應用這兩臺APU的動力特點組裝成可以提供電源和氣源的地面動力源設(shè)備，同時通過升級改造該設(shè)備使其還具有清除停機坪上的積雪和飛機機身的冰雪功能，這樣該設(shè)備就具有電源車，氣源車，飛機除冰車和地面除雪車多項功能，充分發(fā)揮這兩臺設(shè)備的功能特點滿足生產(chǎn)中遇到的實際需要。

近幾年以來，隨著全球氣候變暖，全球氣候變得異常多變，我國北方雨雪天氣頻繁，這對于航空運輸業(yè)影響巨大。對于大型機場來說，有專門的除雪隊伍使用大型除雪車來清除跑道和停機坪上的積雪。這些大型除雪車一方面體積龐大，另一方面價格昂貴，不適用于我們單位。還有些航空公司，使用發(fā)動機排氣吹除積雪，這類方法一方面不易操作，存在安全隱患；另一方面結(jié)合我中心機坪較小，飛機較多且都是小型飛機的實際情況，這類方法對飛機的損傷大。

民航飛行校驗中心從兩架空中國王350飛機拆除的兩臺型號為GTCP36-150W輔助動力單元，因無其它飛機使用此型號APU，所以長期放置于庫房之中閑置不用，為了解決這一難題，解放人力，提高工作效率，本項目旨在開發(fā)一臺多功能動力源。這里所用的動力源來自于幾年前從國王350飛機拆下的兩臺輔助動力裝置（APU），型號為GTCP36-150W。所謂輔助動力裝置，實際為一臺小型航空燃氣渦輪發(fā)動機，具有獨立的燃油、滑油、起動、冷卻等系統(tǒng)和相應的安全裝置。其功用包括：飛機在地面時可以為飛機提供空調(diào)和電源，可以減少對機場地面氣源車和地面電源車的依賴；為主發(fā)動機啟動提供啟動壓縮空氣或者啟動電源；在起飛過程中，為飛機客艙提供空調(diào)以及為電網(wǎng)提供電源以減少對主發(fā)動機的功率消耗，從而改善飛機的起飛性能。一臺應用于中型飛機上的典型輔助動力裝置，全套裝置重約130公斤，可提供3.5×105帕（約3.5大氣壓）、190°C的壓縮空氣。其中，供氣量在不供電時達到1.0公斤/秒；在輸出45千瓦電力時達到0.88公斤/秒。由于其型號限制，不能安裝在其他機型的飛機上，長期以來，這兩臺APU一直閑置于航材庫房里，無形中，這是對資源的一種極大浪費。本項目開發(fā)的多功能動力源裝置將最大限度的發(fā)掘其價值，為中心節(jié)約成本，同時服務于實際工作。

這臺多功能動力源裝置，集多項功能于一體，包括：為飛機提供地面電源；為飛機提供地面氣源；清除機坪上的積雪；為飛機除冰。這些功能可以解決目前中心面臨的設(shè)備不足的難題，下面逐一進行說明。

目前，我中心現(xiàn)有飛機14架，飛機在機坪進行工作時，時常需要給飛機通電，另外，國王300型飛機需要使用地面電源來啟動起動機。為滿足這些多飛機的通電要求，僅靠中心現(xiàn)有的一臺地面電源車是遠遠不夠的。有了這臺多功能動力源，可以作為備用地面電源車使用，這樣可以不用另外采購新的專用地面電源車，為中心節(jié)省一大筆資金。

1.2 研究意義

飛機上應用的輔助動力單元移植到地面使用，除可以提供電源和氣源供應以外，還可以用來清除地面積雪和飛機機身冰雪的能力，充分發(fā)揮閑置不用設(shè)備的實用價值。飛機上應用的輔助動力單元移植到地面使用，除可以提供電源和氣源供應以外，還可以用來清除地面積雪和飛機機身冰雪的能力，充分發(fā)揮閑置不用設(shè)備的實用價值。

1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析

目前，國內(nèi)外的大型航空企業(yè)，為了滿足飛機大功率用電設(shè)備和氣源需求，已有將飛機的輔助動力單元移植到地面作為電源和氣源供應設(shè)備，為飛機設(shè)備用電和發(fā)動機啟動供應電能和氣源，但具有地面除雪和飛機機身除冰功能設(shè)備還沒有，如果利用APU的高速高溫氣能源，使其具有地面除雪和飛機除冰的功能，這將是APU應用的新嘗試。

2 項目的研究目標、具體研究內(nèi)容，以及擬解決的關(guān)鍵問題。

2.1 研究目標

將飛機用APU實現(xiàn)地面多功能應用，可以為地面設(shè)備提供28V，220V電源，45PSI壓力氣源以及100℃ 以上的除冰氣源和清除地面積雪。

2.2 研究內(nèi)容

本項目研究內(nèi)容如下：a. 多功能動力源的自行走功能。b. 為蓄電池充電的功能部分。c. 除冰雪功能的實現(xiàn)方法。d. APU的地面遠端監(jiān)控和控制。

2.3 擬解決的關(guān)鍵問題

如何利用APU尾噴高溫高速排氣實現(xiàn)對地面積雪的清掃（文氏管原理）。

文丘里管 Venturi tube 測量流體壓差而確定流量的裝置。由意大利物理學家G.B.文丘里發(fā)明而得名。其構(gòu)造如圖，由等直徑入口段、收縮段、等直徑喉道和擴散段等組成，串聯(lián)于管路中。設(shè)入口段和喉道處流體平均流速、靜壓和管道截面面積分別為v1、p1、S1和v2、p2、S2，密度ρ不變，根據(jù)連續(xù)性方程S1v1=S2v2=Q和伯努利方程p1+ρv12=p2+ρv22（假定管軸線水平），可導出流量 。

除壓差（p1-p2）外均為已知數(shù)，故測量此壓差即可求得流量。對于液體，于入口段和喉道處分別安裝測壓管即可測出此壓差；對于氣體，應敷設(shè)測壓孔，通過導管將壓力傳輸至壓力計。為避免出現(xiàn)流動分離，收縮段型線應光滑，擴散段的擴散角不能過大，如不超過7°～8°。文丘里管具有裝置簡單、測量可靠、壓強損失小等優(yōu)點，已廣為應用。

3 擬采取的研究方案及可行性分析

本項目開發(fā)的多功能地面動力源裝置，動力來源于APU，關(guān)鍵技術(shù)在于如何實現(xiàn)對APU輸出動力的利用。緊密結(jié)合生產(chǎn)實際，所用設(shè)備和材料多來自于中心現(xiàn)有資源。這次項目所使用的APU，其工作原理和應用價值了然于胸，長期以來一直在思考如何充分利用。這套系統(tǒng)主要圍繞兩臺閑置的APU展開，主要工作是如何開發(fā)其功能。APU本身自帶發(fā)電機，高壓引氣也是其主要功能。我們通過合理設(shè)計方案，將機載的輔助動力裝置應用于地面上，這些方案是切實可行的。

在此基礎(chǔ)上，我們進一步發(fā)掘其潛能，結(jié)合生產(chǎn)實際遇到的問題，開發(fā)了自動除雪和飛機除冰功能。這兩項功能巧妙利用APU燃燒后排放的高溫高速燃氣，鑒于APU功率的限制，在實現(xiàn)除雪功能時，我們沒有參照別人采用過的直噴吹除的方法，而是另辟蹊徑，巧妙運用文氏管原理，設(shè)計一套除雪、除冰引氣管路。經(jīng)過文氏管的加速作用，引氣速度大幅提升，由此產(chǎn)生的壓差將滿足除雪的功率需求。這里的文氏管原理在飛機的供油系統(tǒng)里廣泛應用，經(jīng)過了大量的工程驗證，因此，把它應用在這里也是可行的。

方案里的遙控控制原理在現(xiàn)實中已經(jīng)相當成熟，不存在技術(shù)上的問題。電動車的設(shè)計更是有大量的方案可供參考。

3.1 項目研究方案

主要以實驗測試驗證為主。

為了驗證設(shè)計方案的可行性，需要試制簡易裝置對關(guān)鍵技術(shù)進行驗證。（1）試制除雪管道，主要是文氏管收縮段、喉道、擴散段的尺寸。另外，試制除冰引氣口。（2）試制遙控器，測試發(fā)射裝置和接收裝置是否可靠。（3）試制APU高壓引氣管接口，測試其與飛機的接口是否搭配。（4） 制作成品裝置。根據(jù)設(shè)計方案和計算參數(shù)，以及試制的簡易裝置，確定最終的制作方案，并制作成品裝置，測試并驗收。

3.2 技術(shù)路線

本項目開發(fā)的多功能地面動力源裝置，動力來源于APU，關(guān)鍵技術(shù)在于如何實現(xiàn)對APU輸出動力的利用。

（1）APU本身裝有一臺啟動發(fā)電機，既可作為起動機啟動APU，又可在APU完成啟動后轉(zhuǎn)換成發(fā)電模式。我們可以把發(fā)電機發(fā)的電儲存在大容量的鉛酸蓄電池中，在動力源輸出面板上安裝220V和24V電源線，滿足不同用電設(shè)備的需要。（2）APU高壓引氣可作為氣源車使用。設(shè)計一根引氣管，一端連接在APU壓氣機引起孔，另一端做成標準接頭，該接頭可以與飛機的空氣起動機接頭相連接。在引氣管內(nèi)安裝引氣開關(guān)控制活門，實現(xiàn)對APU引氣的控制。（3）地面除雪車可以設(shè)計一臺可以遙控控制的電動車，將多功能地面動力源安裝在電動車上。APU的工作參數(shù)，如：N1、N2、ITT可以通過無線傳輸?shù)竭b控器的顯示窗口上，操作人員可隨時觀察APU的工作狀態(tài)是否正常。遙控器上的方向和速度控制旋鈕可以控制除雪車的行進速度和行車方向，自動完成除雪。在動力源上加裝滅火瓶，當APU發(fā)生火災時，通過遙控器上的滅火旋鈕實現(xiàn)自動滅火。將APU排氣引入到一條文氏管內(nèi)，文氏管的唇形開口用于抽吸地面積雪。（4）APU排氣引入到一條管道用于飛機的除冰。在管路上加裝溫度調(diào)節(jié)活門，通過改變外界冷空氣的進氣量實現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)。

3.3 可行性分析

本項目所開發(fā)的多功能地面動力源，緊密結(jié)合生產(chǎn)實際，所用設(shè)備和材料多來自于中心現(xiàn)有資源。這次項目所使用的APU，其工作原理和應用價值了然于胸，長期以來一直在思考如何充分利用。這套系統(tǒng)主要圍繞兩臺閑置的APU展開，主要工作是如何開發(fā)其功能。APU本身自帶發(fā)電機，高壓引氣也是其主要功能。我們通過合理設(shè)計方案，將機載的輔助動力裝置應用于地面上，這些方案是切實可行的。

在此基礎(chǔ)上，我們進一步發(fā)掘其潛能，結(jié)合生產(chǎn)實際遇到的問題，開發(fā)了自動除雪和飛機除冰功能。這兩項功能巧妙利用APU燃燒后排放的高溫高速燃氣，鑒于APU功率的限制，在實現(xiàn)除雪功能時，我們沒有參照別人采用過的直噴吹除的方法，而是另辟蹊徑，巧妙運用文氏管原理，設(shè)計一套除雪、除冰引氣管路。經(jīng)過文氏管的加速作用，引氣速度大幅提升，由此產(chǎn)生的壓差將滿足除雪的功率需求。這里的文氏管原理在飛機的供油系統(tǒng)里廣泛應用，經(jīng)過了大量的工程驗證，因此，把它應用在這里也是可行的。方案里的遙控控制原理在現(xiàn)實中已經(jīng)相當成熟，不存在技術(shù)上的問題。電動車的設(shè)計更是有大量的方案可供參考。

另外，本人多年在航空維修中積累的豐富經(jīng)驗和一支精湛的專業(yè)團隊具備開發(fā)此項目的一切基礎(chǔ)。項目中所采用的方案是經(jīng)過反復論證的，也得到了領(lǐng)導的大力支持，將會給中心帶來顯著的經(jīng)濟價值。

參考文獻

[1]CITATION 750 MAINTENANCE MANUAL（Cessna aircraft company）.

[2]GTPC350-150 MAINENTANCE MANUAL （Honeywell）.

[3]顧洲. APU控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)-制造業(yè)自動化 2007，29（10）.

[4]姚華.王國祥航空發(fā)動機全權(quán)限數(shù)控系統(tǒng)研究和試飛試驗，航空動力學報.

[5]電動汽車控制系統(tǒng)研究-安徽農(nóng)業(yè)大學報2007，34（4）.

[6]李逢春.電動汽車.北京：北京理工大學出版社，1997.

[7]孫忠獻.電機技術(shù)與應用，福建：科學技術(shù)出版社，2004.