輔助動力裝置系統進氣風門位置控制設計與研究

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輔助動力裝置系統進氣風門位置控制設計與研究

0引言

輔助動力裝置(Auxiliary Power Unit，簡稱APU)進氣風門控制系統用于地面和空中控制APU進氣風門的打開和關閉。APU進氣風門控制系統由控制器和作動機構組成。控制器根據APU的運行狀態，發出風門開啟或關閉的指令；作動機構按指令完成操作，并實時反饋風門狀態，從而完成對進氣風門打開或關閉的閉環控制。作動機構通常由電動作動器和連桿機構組成，連桿機構在電動作動器的驅動下，帶動APU進氣風門運動。電動作動器分為旋轉式和直線式，連桿機構形式也不是固定不變。

本文對某飛機型號的輔助動力裝置系統進氣風門位置控制設計方案進行了介紹，并對國際主流機型輔助動力裝置系統進氣風門作動機構進行了研究，對進氣風門作動機構設計進行了總結和歸納。針對現有的進氣風門作動機構的優缺點和型號項目要求，設計了一種輔助動力裝置系統進氣風門作動機構。該進氣風門位置控制系統已應用在某飛機型號上，經過型號驗證，對后續型號研制具有較強的指導性。

1輔助動力裝置系統進氣風門控制方案

1.1進氣風門控制設計要求

根據系統設計要求，進氣風門控制需滿足的具體設計要求如下：

(1)進氣風門采用沖壓進氣風門，進氣風門控制應保證，在地面和空中能正常打開和關閉APU沖壓進氣風門。

(2)風門的打開/關閉由作動機構執行，作動機構受APU FADEC控制，并和APU起動聯動，風門轉動速度有時間限制要求。

(3)根據進氣風門控制邏輯，風門的位置狀態有三種：地面和空中APU不工作時，風門為關閉狀態；APU起動時，風門的位置為報告位角度；地面和空中工作時，風門的位置是全開位角度。

1.2進氣風門控制設計方案

進氣風門控制設計方案如圖1所示。APU進氣風門控制器受APU FADEC控制，在APU起動或關閉時，APU FADEC根據進氣風門控制邏輯，發出風門位置指令給APU進氣風門控制器；風門控制器根據指令發出控制信號給風門作動器(電動作動器)，風門作動器帶動連桿機構，連桿機構帶動風門軸轉動，從而實現進氣風門的打開和關閉。

APU FADEC和進氣風門控制器之間是電氣接口，APU FADEC和進氣風門控制器是獨立供電，進氣風門作動器由風門控制器供電。風門控制器發出指令控制作動器動作，作動器采用旋轉式作動器，作動器的輸出軸和進氣風門機械連接。

該風門位置控制采用了單獨的風門控制器，降低了輔助動力裝置軟硬件設計復雜度，簡化了接口設計。進氣風門控制器的供電也是和APU FADEC分開的，單獨供電，提高了系統可靠性。在地面進行維護時，不需給APU FADEC上電，就可以打開APU進氣風門。

系統軟硬件設計完成后，需進行試驗室集成試驗，驗證風門控制邏輯，APU進氣風門控制器和APU FADEC之間的接口通信，進氣風門作動機構功能。

圖1　APU系統進氣風門控制設計框架

1.3輔助動力裝置進氣風門作動機構設計方案

1.3.1常用的APU進氣風門作動機構設計介紹

通常采用的APU進氣風門作動機構設計如下：

1)第一種設計

APU進氣風門是非沖壓進氣，APU進氣風門作動機構采用旋轉式作動器和連桿機構。作動器和連桿機構安裝在進氣室內，旋轉式作動器旋轉帶動兩連桿機構運動，連桿機構帶動APU進氣風門打開或關閉。如圖2、圖3所示。

圖2　第一種設計局部放大

圖3　第一種設計全局

風門作動機構安裝在進氣室內，進氣室空間狹小，風門作動機構安裝和拆卸很不方便，可達性和可維護性不好。旋轉式作動器輸出的運行力矩和保持力矩不大，作動機構行程小，所以風門開度不大。

風門作動機構安裝在進氣室內，由于進氣室空間狹小，風門作動機構安裝和拆卸很不方便，可達性和可維護性不好。旋轉式作動器輸出的運行力矩和保持力矩不大，作動機構行程小，所以風門開度不大，需在APU風門前加渦流發生器，增大APU進氣沖壓效果。作動機構輸出的運行力矩和保持力矩不可調節。

2)第二種設計

APU進氣風門是非沖壓進氣，采用直線式作動器。作動器直接帶動進氣風門打開或關閉，沒有連桿機構，作動器安裝在進氣室內，如圖4所示。風門作動機構安裝在進氣室內，進氣室空間狹小，風門作動機構安裝和拆卸很不方便，可達性和可維護性不好。作動機構行程小，所以風門開度不大，需在APU風門前加導流葉片，增大APU進氣沖壓效果。作動機構輸出的運行力矩和保持力矩不可調節。

3)第三種設計

APU進氣風門是沖壓進氣，采用直線式作動器和連桿機構。直線式作動器帶動連桿運動，連桿通過風門軸，帶動風門打開和關閉。作動器和連桿機構安裝在進氣道外側，如圖5所示。直線式電動作動器安裝空間大，重量大，作動機構輸出的運行力矩和保持力矩不可調節。

4)第四種設計

APU進氣風門是沖壓進氣，采用直線式作動器和連桿機構。作動器直接帶動進氣風門打開或關閉。作動器安裝在APU艙內(火區)，如圖6所示。直線式電動作動器安裝空間大，重量大；作動器安裝在火區內，需進行防火設計；作動器推桿在進氣道氣流流道上，影響進氣氣流穩定性。作動機構輸出的運行力矩和保持力矩不可調節。

圖4　第二種設計

圖5　第三種設計

圖6　第四種設計

1.3.2輔助動力裝置系統進氣風門作動機構設計方案

為了能使輔助動力裝置系統進氣風門作動機構安裝/拆卸方便，可達性好，重量輕，對現有的輔助動力裝置系統進氣風門作動機構進行了改進，使作動機構具有以上優點并且具有力矩放大功能，通過調節該機構，能輸出不同大小的力矩。具體設計如下。

把輔助動力裝置進氣風門作動機構安裝在進氣室外側下方，具體來講就是把連桿機構安裝在進氣室外側，把電動作動機構安裝在進氣室外側下方。電動作動器選用旋轉式作動器，由于APU進氣風門是沖壓進氣風門，所以進氣風門作動機構輸出的運行力矩和保持力矩必須較大。根據作用在APU進氣風門上的氣動載荷，推算出需要的運行力矩和保持力矩，根據旋轉式作動器的輸出力矩，設計連桿機構，使連桿機構具有力矩放大功能。再通過調節連桿機構中連桿尺寸，使之能輸出不同大小的力矩。進氣風門作動機構(風門在全開位)示意圖如圖7所示，進氣風門作動機構(風門在全開位)旋轉后示意圖如圖8所示。

圖7　進氣風門作動機構(風門在全開位)

圖8　進氣風門作動機構(風門在全開位)旋轉后示意

與常見的輔助動力裝置進氣風門作動機構設計對比，該作動機構設計具備如下優點：

(1)進氣風門作動機構安裝在進氣室外側下方，便于安裝/拆卸，可達性好；

(2)選用旋轉式作動器，需要的安裝空間小，重量輕；

(3)具有力矩放大功能，且該機構可調節，能輸出不同大小的力矩。

圖9、圖10、圖11是不同視角的進氣風門作動機構示意圖。

圖9　進氣風門作動機構前視

圖10　進氣風門作動機構后視

圖11　 進氣風門作動機構俯視

2進氣風門作動機構工作和力矩放大計算分析

進氣風門作動機構由電動作動器和連桿機構組成。連桿機構如圖12所示，是一個典型的四連桿機構。旋轉式電動作動器驅動軸和“連桿1”通過花鍵連接，電動作動器驅動軸旋轉帶動“連桿1”運動，“連桿1”和“連桿2”采用關節旋轉連接方式，“連桿1”帶動“連桿2”運動；“連桿2”和“連桿3”采用關節旋轉連接方式，“連桿2”帶動“連桿3”運動；“連桿3”和進氣風門軸通過方頭連接，“連桿3”帶動風門軸運動，從而實現進氣風門的打開和關閉。

圖12　連桿機構示意

進氣風門的開啟角度范圍是：0°～40°。進氣風門在全開位(40°)時，在飛機飛行包線內承受的氣動載荷力矩最大，需選取飛行包線內的典型高度和臨界速度，對進氣風門在全開位承受的氣動載荷力矩進行計算。典型高度和臨界速度如表 1所示。

進氣風門作動機構的輸出力矩必須大于風門承受的氣動載荷力矩，這樣進氣風門才能在飛機飛行包線內正常打開和關閉。進氣風門作動機構的輸出力矩是由電動作動器的輸出力矩經過連桿機構放大而形成的。根據電動作動器的保持力矩、運行力矩、設計連桿機構的尺寸、初始角度和作動器的旋轉角度等，從而使進氣風門作動機構輸出的保持力矩和運行力矩大于進氣風門承受的氣動載荷力矩。經過權衡分析計算，設計的進氣風門作動機構幾何平面圖如圖13所示。

進氣風門的開啟角度為0°～40°時，經過該連桿機構，與之匹配的風門作動器的旋轉角度為0°～118°，如圖14所示。

圖13　進氣風門作動機構幾何平面

圖14　進氣風門角度和做動器角度變化關系

連桿力臂比率LR=H/h，如圖12中所示，連桿比率直接決定連桿機構的輸出力矩大小。連桿力臂比率隨風門角度的變化而變化，如圖15所示。當風門角度大于20°時，連桿力臂比率隨風門角度的增大而增大。選用的旋轉式作動器有定值的保持力矩，運行力矩和極限力矩。經過該連桿機構放大后的保持力矩、運行力矩和極限力矩隨風門角度變化如圖16所示。從圖16可以看出，風門在40°時，通過作動機構作用在進氣風門上的力矩大于風門承受的氣動載荷力矩，滿足設計要求。

圖15　連桿力臂比率隨風門角度變化關系

圖16　作動機構輸出力矩隨風門角度變化關系

3結論

輔助動力裝置系統進氣風門控制子系統直接影響輔助動力裝置系統功能和性能。本文對某飛機型號的輔助動力裝置系統進氣風門位置控制設計方案進行了介紹，重點研究了國際常用進氣風門作動機構設計方案，并設計了一種新型輔助動力裝置系統進氣風門作動機構，該作動機構安裝/拆卸方便，可達性好；具有力矩放大功能，且該機構可調節，能輸出不同大小的力矩。該進氣風門位置控制系統經過型號驗證，對后續型號研制具有較強的指導性。

參考文獻：

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[4]SAE AIR4204 Commercial Aircraft Auxiliary Power Unit Installations[S].

Design and Research on Inlet Door Position Control of Auxiliary Power Unit System

章弘常紅 /

Zhang HongChang Hong

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

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

摘要：

輔助動力裝置系統進氣風門位置控制子系統用于地面和空中控制輔助動力裝置進氣風門的打開和關閉，通常由控制器，作動機構(電動作動器和連桿機構)組成。輔助動力裝置系統進氣風門位置控制子系統的設計是輔助動力裝置控制系統設計的一部分，和輔助動力裝置進氣風門設計、進氣風門氣動載荷計算分析及輔助動力裝置進氣道設計同步進行，相互影響。對某型飛機的輔助動力裝置系統進氣風門位置控制設計方案進行了介紹，該風門位置控制采用單獨的風門控制器，降低了輔助動力裝置FADEC(Full Authority Digital Electrical Controller,全權限數字電子控制器，簡稱FADEC)軟硬件設計復雜度，簡化了接口設計；并且設計了一種新型輔助動力裝置系統進氣風門作動機構，該作動機構安裝/拆卸方便，可達性好；具有力矩放大功能，且該機構可調節，能輸出不同大小的力矩。該進氣風門位置控制子系統經過型號驗證，對后續型號研制具有較強的指導性。

關鍵詞：輔助動力裝置；進氣風門；進氣風門位置控制；作動機構

[Abstract]Inlet door position control subsystem of auxiliary power unit system is used for controlling inlet door opening and closing of auxiliary power unit on the ground and in the air. The control subsystem usually consists of the controller, the electrical actuator and the linkage mechanism. The inlet door position control subsystem of auxiliary power unit system is a part of the auxiliary power unit control system. The inlet door design, inlet door aerodynamic load analysis and inlet duct design are synchronal processing and interactional. This paper presents a inlet door position control design of auxiliary power unit system. This inlet door position control subsystem uses a separate controller for inlet door control, which make the APU FADEC hardware and software design complexity low and simplify the interface design. A new inlet door actuation mechanism is applied, whose installation and removal is easy and accessible. The inlet door actuation mechanism has the function of output torque amplification and the output torque is adjustable. This inlet door position control subsystem is applied on an aircraft model and demonstrated. The inlet door position control subsystem is a good reference to other aircraft model development.

[Key words]auxiliary power unit; inlet door; inlet door position control; door actuation mechanism

中圖分類號：V228.7

文獻標識碼：A