民用飛機輔助動力裝置進氣系統設計概述

鄧智亮

摘 要：該文介紹了民用飛機輔助動力裝置（Auxiliary Power Unit）的進氣系統設計背景和進氣系統典型流路，闡述了進氣系統的組成和基本功能，提出了進氣系統基本設計流程，設計首先從APU進氣口、進氣道、進氣風門和作動器系統開始，然后開展相關進氣系統結構件和連接設計，最后通過氣動計算分析確定進氣道流道，最終完成設計圖紙的發放，其中還重點概括了進氣系統設計中進氣口、進氣道、進氣風門和作動器系統等設計的基本方法和關注事項，為將來的輔助動力裝置進氣系統研制提供參考。

關鍵詞：輔助動力裝置 進氣系統 進氣口 進氣管道

中圖分類號：V235.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（b）-0072-02

輔助動力裝置（APS）在現代民用客機上的應用非常普遍，其本身為一臺小型燃氣渦輪機，主要在飛機主發動機啟動前向飛機提供電源和氣源。地面時，電源可向飛機系統供電，提供正常勤務等用電，氣源可用于發動機的起動、空調系統等；空中時，APS可提供備用的電源和氣源，可以向飛機供電和供氣，包括保證環控系統的運轉、對主發動機冷卻和發動機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力裝置[1]。

APS作為吸氣式動力系統，其位于系統循環最前端的進氣系統部分主要將氣流從飛機外導入APS壓氣機中，為其提供正常運轉所需的空氣壓力和空氣流量。由于APS進氣系統的一部分通常處于飛機外表面，當APS工作時開啟的進氣風門將會改變飛機的氣動外形，可能會給飛機帶來額外的氣動阻力，降低飛機的經濟性，因此進氣系統的設計還與飛機氣動布局緊密相關。

目前國外對APS進氣系統的研究較為深入，該文就典型民用飛機APS進氣系統設計方法展開研究，為將來的APS進氣系統設計提供參考。

1 APS進氣典型流路分析

APS正常工作時，帶動與其同軸連接的負載壓氣機和附件齒輪箱（內含交流發電機），為飛機提供氣源和電源，外界空氣首先經飛機表面進氣口進入APS進氣道，然后再進入燃氣渦輪發動機和負載壓氣機共用的進氣通道，通常稱為主進氣口。經主進氣口進入APS的氣體，一部分進入燃氣渦輪發動機，先后流經燃氣渦輪發動機的進氣道、壓氣機，進入燃燒室點火燃燒，保證燃氣渦輪發動機的正常工作，以帶動負載壓氣機及交流發電機工作。經主進氣口進入APS的另一部分氣體進入負載壓氣機，經過壓縮后通過管道輸送給飛機，可作為主發動機起動、主發動機流道及飛機表面流動控制（如壓氣機葉片附面層吹除、機身附面層吹除等）和主發動機冷卻等的氣源。除飛機外表面進氣口外，APS還設有若干輔助進氣口進行引氣，主要目的對APS自身部件進行冷卻[2-3]。

2 APS進氣系統組成和部件基本功能

APU進氣系統一般由進氣風門、APS進氣道、通風冷卻管道、風門作動器系統、柔性密封件、電搭接線和其它相關標準安裝件等組成。進氣風門主要是在APS運轉時，將外界空氣減速增壓，向燃氣渦輪機提供符合要求的空氣源；APS停止運轉時，進氣風門關閉防止外界空氣進入燃氣渦輪機，從而造成其損壞。風門作動器系統主要根據控制信號開啟和關閉進氣風門，并在飛行工作過程中按預定角度固定進氣風門。APS進氣道與主進氣口相連，主要負責將外界空氣傳輸給核心機。作為冷卻使用的空氣主要通過通風冷卻管道從飛機外進入APS所在機艙空間內，降低APS部件溫度。柔性密封件主要功能則是補償進氣道和核心機的集氣腔間由于振動產生的偏移以及保證兩者之間的氣密性。

3 設計概述

作為民用飛機復雜系統的一部分，APS進氣系統的設計首先需滿足民用飛機設計的特點：即滿足國內外運輸類飛機適航標準的相關要求。然后在此基礎上運用系統工程的理論，統籌考慮系統先進性、系統成熟度、研發成本和研發進度等方面要求展開具體設計。

APU進氣系統設計首先需根據飛機具體要求確定進氣口尺寸和位置、進氣道形式、進氣風門方案、作動器選取和其它例如電氣方面的設計；然后進行APU進氣結構件的設計，諸如進氣風門框或其它與飛機結構件的連接件等；再之后開展進氣道流道設計；經過性能計算分析驗證以后，再發放相關的設計圖紙。基本設計流程歸納如圖1所示。

APS進氣系統中的重要部件設計概述如下：

3.1 進氣口設計

首先根據選用的APS核心機的功率和進氣要求，初步確定進氣開口尺寸，該尺寸通常與APS核心機集氣腔的開口尺寸接近，進而保證進氣量要求。由于進氣口的位置通常與飛機的機體結構布置相關，因此其位置選擇需根據飛機總體布置要求確定，應盡量遠離APS尾端排氣口，防止由于尾風和側風造成的尾氣吸入，同時也應盡量避免布置在飛機下表面，避免地面狀態下跑道上的水及外物和飛行狀態下燃油系統及液壓系統排放的液體被進氣系統吸入，從而導致APS故障。同時進氣系統所在位置的不同也會引起進氣口尺寸的相應調整。

3.2 進氣道設計

隨著民用飛機技術的發展，APS進氣道曾有2種主要的進氣形式，管道式進氣和箱式進氣。目前通常采用管道式進氣，該進氣方式的結構較為簡單，易于維護。進氣管道的布置一般受到進氣開口、APS集氣腔和周邊結構布置共同影響，因此需要統籌兼顧各方面需求來最終確定。同時進氣管道的幾何形狀也受到飛機外形、進氣口位置、進氣風門形狀和進氣壓力要求等因素影響，需經過氣動分析計算初步確定，并經地面試驗和飛行試驗最終驗證。通常可以通過在進氣道中增加導流片優化進氣流道的方式提高進氣質量。為了滿足飛機的噪聲要求和提升飛機舒適性，在進氣道中可增加消音隔板，該隔板能增加進氣道內消音面積，有效提升消音效果。同時整個APS進氣道應該按照適航規章要求滿足規定的防火要求。

3.3 進氣風門設計

目前大多數APS進氣系統采用定、變幾何的flush和scoop型進氣道。其中flush型進氣道進口截面形狀可采用分叉式或平面式， Scoop型進氣道可采用圓形、半圓形及矩形進口截面形狀。采用變幾何的APS進氣風門能夠有效減小由于APS進氣系統引起的氣動阻力，同時在APU不工作時也可關閉進口，防止外物進入。但變幾何機構同時也會提升APS結構的復雜程度，增加系統重量。定幾何的設計較為簡單，但會產生額外的氣動阻力，并且較難阻止外物進入APS中。

進氣風門的設計還與進氣道和通風冷卻管道位置密切相關，通常分為整合式進氣風門和分離式進氣風門。當進氣道和通風冷卻管道位置接近時，可考慮采用整合式進氣風門，即采用一個足夠大的進氣風門覆蓋進氣道和通風冷卻管道，從而降低進氣風門的復雜性；當進氣道和通風冷卻管道相隔較遠時，則采用分離式進氣風門，即分別為進氣道和通風冷卻管道設計不同的進氣風門。進氣風門外表面應盡量與飛機表面齊平，降低氣動阻力。

3.4 作動器系統設計

作動器安裝位置主要受到進氣系統安裝位置和周邊飛機結構共同約束，一般有前置安裝、后置安裝和側邊安裝。作動器功率應充分考慮進氣風門在飛機設計的運行包線下所需承受的最大氣動力，同時對比進氣風門破冰時所產生的額外力，選取兩者中較大的力作為作動器功率設計的基準。

3.5 其它設計

在APS進氣系統設計過程中，同樣還需要關注國內外運輸類飛機適航標準和民機行業其它通用規范中的電氣、強度、可靠性、安全性和維修性等要求，并且通過設計實現，并最終在試驗中驗證。

4 結語

該文針對民用飛機APS進氣系統特點，介紹了典型進氣系統流路和基本組成及功能，提出了進氣系統基本設計流程，首先進行APU進氣口、進氣道、進氣風門和作動器系統等設計，然后開展相關進氣系統結構件和連接設計，最后再確定進氣道流道，最終完成設計圖紙的發放。此外還重點歸納了進氣系統設計中諸如進氣口、進氣道和進氣風門的基本設計方法，為將來輔助動力裝置進氣系統的研制提供參考。

參考文獻

[1]陳矛章.風扇/壓氣機技術發展和對今后工作的建議[J].航空動力學報，2002，17（1）：1-15.

[2]D.J. Campbell. Revolutionary propulsion and Power for 21st century aviation[J].AIAA，2003.

[3]A.B. Jesus， G.L. Oliveira， C.S. Brodt. Methodology for the Design of APU Air Inlets for Regional Commercial Aircraft [J]. AIAA，2003.