民用飛機APU引氣系統設計方法研究

彭丹祺

【摘 要】本文介紹了典型民用飛機APU引氣系統原理，研究了APU引氣參數匹配方法，為民用飛機APU引氣系統設計提供了參考。

【關鍵詞】APU引氣；參數匹配；壓力；溫度

0 概述

典型的民用飛機氣源系統通常為從發動機、APU或地面高壓氣源引氣，為空調、機翼防冰、發動機起動、燃油箱惰化及水箱增壓提供氣源，滿足下游用氣系統的壓力、溫度和流量需求[1]。

民用飛機APU引氣系統為氣源系統的組成部分，從APU獲得引氣，通過高壓導管供給用氣系統，用氣系統一般考慮空調系統、燃油惰化系統、水廢水系統和發動機起動系統，APU引氣通常不為防冰系統提供引氣。

APU引氣無需經過溫度和壓力調節直接供給用氣系統。APU引氣系統通常在地面狀態下作為發動機引氣系統的備份為用氣系統提供引氣，空中一定高度內為空調系統和發動機起動系統提供引氣。

APU引氣系統一般由APU引氣活門、APU單向活門、交輸引氣活門及高壓導管組成。APU引氣活門由控制系統進行控制，開啟活門、使活門保持合適的開度或關閉，確保APU穩定工作，并滿足飛機的供氣要求。APU單向活門使氣體只能從APU流向用氣系統，并防止氣體倒流入APU造成損害。交輸引氣活門由控制系統進行控制，開啟或關閉活門以實現左右兩側引氣的隔離或交輸，交輸引氣活門可實現APU引氣為兩側空調系統同時供氣，并可在一側引氣管路泄漏時隔離引氣。高壓導管是連接氣源和用氣系統的橋梁，用于引氣的傳輸。典型APU引氣系統的組成原理如圖1所示。

1 APU引氣系統設計要求

1.1 適航要求

APU引氣系統為空調系統提供引氣時，應保證有足夠的引氣量來確保新鮮空氣量滿足適航條款CCAR25.831a的要求：在正常操作情況和任何系統發生可能的失效而對通風產生有害影響條件下，通風系統都必須要能提供足夠量的未被污染的空氣，使得機組成員能夠完成其職責而不致過度不適或疲勞，并且向旅客提供合理的舒適性。通常情況下通風系統至少應能向每一乘員提供每分鐘250 克（0.55 磅）的新鮮空氣[3]。

1.2 性能要求

a）APU引氣系統為空調系統提供引氣時，應保證客艙和駕駛艙具有舒適的溫度和壓力環境；

b）APU引氣系統為發動機起動系統提供引氣時，應確保在一定時間范圍內起動發動機，通常為2分鐘以內；

c）APU引氣溫度最高不超過260℃；

d）高壓導管絕熱層表面溫度不超過204℃。

2 APU引氣系統性能參數匹配方法

2.1 設計輸入

2.1.1 流量需求

流量需求應考慮各用氣系統的需求以及高壓管路和部件的泄漏量。用氣系統不同設計狀態點時流量需求不同，設計時應考慮用氣系統所有的設計狀態。

a）空調系統流量應考慮2個空調包或1個空調包供氣時的不同流量需求，流量需求通常和高度及外界環境溫度有關；

b）燃油惰化和水廢水系統的流量需求較小，一般取最大流量作為輸入；

c）泄漏量△WAPU（kg/min）包括高壓導管及部件[2]，一般取總流量的3%。

2.1.2 壓力需求

壓力需求應考慮各用氣系統的需求，用氣系統不同設計狀態點時壓力需求不同，設計時應考慮用氣系統所有的設計狀態。空調系統應考慮2個空調包或1個空調包供氣時的不同壓力需求。

某型飛機空調系統和發動機起動系統在不同設計狀態下流量和壓力需求如表1和表2所示。

2.1.3 部件和導管特性

部件和導管特性包括流阻△PAPU（bar）和溫降△TAPU（℃），用于系統性能計算分析。流阻△PAPU一般通過FLOWMASTER等仿真軟件或通過經驗公式計算得到，并擬合成適用于一定流量范圍內的計算公式，通常的形式為：σ△PAPU=KQα，其中σ=ρ/ρ0，ρ0=P0/rT0，Q為引氣流量，K和α為擬合得出的參數，根據該公式和APU引氣參數，可計算得到部件和導管的流阻，進而得到用氣系統入口處的引氣壓力。溫降△TAPU一般取10-15℃。

2.1.4 APU引氣參數

APU選型確定后，APU引氣能力也隨之確定。圖2和圖3為海平面熱天時（sea level， ISA+25）的某型飛機APU引氣特性，即不同高度不同大氣溫度下APU的輸出壓力PB（bar）和溫度TB（℃）隨輸出流量WB（kg/min）的變化。

2.2 引氣參數匹配過程

APU引氣系統壓力和溫度通常無需調節直接供給下游用氣系統，引氣參數的匹配過程就可直接依據APU引氣數據和高壓導管及部件的流阻、溫降和泄漏量，得到用氣系統進口參數，再與用氣系統的引氣需求作對比。

以APU引氣系統為空調系統供氣為例：

空調系統入口質量流量WBACS=WB-△WAPU；

空調系統入口空氣總壓PBACS=PB-△PAPU；

空調系統入口空氣總溫TBACS=TB-△TAPU。

在一定高度一定大氣溫度下，APU引氣特性為APU輸出壓力和溫度隨輸出流量的變化曲線，因此計算分析得到的空調系統進口參數也同樣為引氣壓力和溫度隨質量流量的變化曲線。根據空調系統的引氣需求，在曲線上尋找匹配點。圖4為APU引氣壓力與空調系統需求的匹配。圖5為APU引氣溫度與空調系統需求的匹配。如果APU引氣參數不能滿足空調系統的引氣需求，則需調整APU引氣功率，增加APU輸出能力，并按上述過程重新計算分析空調系統進口參數，尋找匹配點；如果調整APU引氣功率仍不能滿足空調系統引氣需求，則需考慮降低空調系統的引氣需要，評估在現有APU引氣能力下的空調系統的性能是否可以接受。

在其他高度和溫度環境條件下，可以參照此方法，計算分析得到APU引氣與空調系統的匹配點。APU引氣供發動機起動時，同樣可參照此方法，計算分析得到性能匹配點。

3 結論

本文進行了民用飛機APU引氣系統性能參數匹配方法的研究，可用于民用飛機APU系統的選型和APU引氣系統的設計。

【參考文獻】

[1]壽榮中，何慧姍. 飛行器環境控制[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[2]High Temperature Pneumatic Duct System for Aircraft[Z]. SAE ARP699，1997.

[3]運輸類飛機適航標準.中國民用航空規章第25部[S].2011.

[責任編輯：曹明明]