APU進氣系統安裝典型設計細節的研究

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APU進氣系統安裝典型設計細節的研究

0引言

輔助動力裝置(Auxiliary Power Unit，以下簡稱APU)是利用輸出氣源和軸功率來起動主發動機，并用來發電和為機載空調提供氣源的裝置。APU實際上是一種小型的燃氣渦輪發動機，它有自己的壓氣機、燃燒室、渦輪和各個系統，而且很多APU都是從燃氣渦輪發動機衍生發展而來的。隨著現代飛機變得越來越大，越來越復雜，電子、電氣設備越來越多，致使用氣量和用電量亦越來越大，從而使得現代飛機越發需要和依賴APU[1]。20 世紀60 年代， APU被引入飛機設計中。有了APU 所提供的動力，飛機取消了對地面電源車、起動車和空調車的依賴；飛機在起飛過程中，發動機功率可全部用于加速和爬升，從而改善了起飛性能；飛機著陸后關閉主發動機，由APU 提供電源照明和調節客艙溫度，可節省燃油、降低機場噪聲[2]。

APU的安裝設計會影響到APU的功能、性能、安全性、可靠性及可維修性等，由美國汽車工程師協會(SAE)出版的SAE AIR 4204 《飛機輔助動力裝置安裝設計指南》[3]，對APU系統安裝提供了指導方法，但典型的設計細節仍會導致制造、裝配、運營期間的問題，本文以某機型APU進氣系統的技術性經驗教訓為基礎，重點討論除提高抗疲勞能力之外的典型設計細節及推薦性的設計方案。

1APU類型

根據美國聯邦航空局技術標準規定TSO-C77[4]，APU劃分為兩種類型，即1類 APU和2類 APU，其都要滿足：

(1)一般要求，如額定和工作限制、材料、耐久性、載荷、可達性等；

(2)設計和構造要求，如安全性、防火、進氣、潤滑、排氣、冷卻、轉子包容等；

(3)型號驗證要求，如標定試驗、耐久性試驗、拆卸檢查、超速試驗、超溫試驗等。

此外，1類APU具有額外的附加要求，如防冰、防止外來物吸入、自動停車限制、點火系統檢查維修間隔等。

2進氣系統

2.1安裝設計要求

APU進氣系統的主要功能是為APU壓氣機提供氣體和APU艙的通風冷卻，滿足APU各種工作條件所需的空氣流量，并且對壓力恢復具有一定的限制。進氣口的位置通常要保證避免吸入外來物、廢氣、流體等。進氣管道壓力比排氣管道的壓力大，為防止APU風車轉動導致APU磨損和滑油消耗，通常設置密封的進氣門布置在飛機右側，遠離登機門。此外，進氣系統應考慮降噪、排液、破冰等功能。

2.2典型設計細節

(1)進氣門安裝

進氣門作動器的兩端接頭，即與固定支座、搖臂連桿的連接采用孔-孔配合的形式，若設計不當，則會導致裝配過程中的不協調。通常作動器的兩端應該采用球面軸承，并在行程長度方向設置調整措施，從而有效解決裝配中的調整問題，典型的作動器安裝如圖1所示。

圖1　進氣門作動器安裝

對于檢測進氣門打開位置的傳感器，通常使用旋轉差動傳感器(Rotary Variable Differential Transformer，簡稱RVDT)，而不使用電位計，比較而言，RVDT的可靠性、準確性更高，進氣門的調試也更簡單。在設計過程中，RVDT包括兩種安裝形式——分離式和整體式，整體式是將RVDT集成到作動器內部，分離式是將RVDT作為一個獨立的航線可更換件(Line Replaceable Unit，簡稱LRU)，其優缺點比較見表1。

表1　整體式和分離式RVDT優缺點比較

進氣門結構應合理設計，門本體通常應采用整體機加形式，而不采用鈑金件，主要原因是鈑金進氣門本體會導致制造、安裝和調試困難。此外，由某機型研制經驗得知，某些情況下進氣門在靜態條件下的調試并不能滿足飛行中的動態情況，因此，應在首飛試驗中確定靜態和動態條件下的數據，并確認滿足APU的性能要求。典型的門本體和頂蓋結構如圖2所示，需要指出的是門本體和頂蓋之間應具有良好的電搭接，根據閃電防護要求確定緊固件數量。

圖2　APU進氣門結構

(2)進氣道安裝

進氣道的設計和安裝應滿足CCAR/FAR 25.1103條款，進氣道的選材應是防火的，且不會在高溫下產生有毒氣體。為滿足APU性能，其氣動外形應避免急劇轉彎，并能承受各狀態下內外部的壓力和溫度，如APU喘振、噪聲能量、回火、溫度變化等。為防止APU振動傳遞，進氣道與APU集氣室之間采用柔性連接。

為使APU進氣道安裝和拆卸方便，通常要設置工藝分離面，如圖3所示，因此界面連接處會產生間隙、階差等，影響進氣流，進而影響APU性能。在設計過程中，應合理設定間隙、階差以及輪廓度公差，氣動表面質量的經驗值見表2，僅供參考，必要時需進行CFD分析或試驗，以確認合理值并滿足APU的性能要求。

圖3　APU進氣道結構

1.02mm±1.0mm1.5mmmax輪廓度公差±1.0mm

為滿足民用飛機噪聲設計要求，在后服務門和APU進氣口周邊的最大噪聲水平都有一定的限制，通常APU進氣道會采用蜂窩夾層結構進行降噪處理，解決蜂窩結構的吸濕問題是重要的設計考慮要素。雖然使用經驗表明，APU進氣道的水分可以在較高溫度和管道內高速氣流綜合作用下降低不良影響，但仍需采取必要的防護設計措施。典型的解決方案是進氣道的形狀應保證不存在低點以防止液體聚集，設置排液措施，防止吸濕同時也避免了可燃液體聚集到危險狀態。此外，進氣道產品應進行相關的環境鑒定試驗，即符合美國航空無線電技術委員會制定的RTCA-DO160[5]的相關要求，包括第6章(濕熱)和第10章(防水性)，從而確定其在壽命周期內不會發生性能降級或失效。

此外，APU進氣系統的安裝，在設計中應考慮人的因素，可參見MIL-STD-1472[6]，進行必要的可達性、可維修性分析，以保證部件安裝、拆卸、維修簡單，從而減少操作人員的勞動強度并降低維修成本。

3結論

本文對APU進氣系統典型安裝設計細節進行了闡述，其設計應包含很多其他設計要求，例如材料選擇、接口載荷、振動、E3問題、回火、互換性/可替換性、快速更換(QEC)等要求。總之，在系統安裝設計過程中應綜合考慮各設計要素，一些要求往往相互制約甚至矛盾，在方案選擇和確定時進行合理的權衡研究。此外，應注重產品外場使用過程中的數據積累和問題反饋，以不斷提高和改進設計細節。

參考文獻：

[1] 金中平. 輔助動力裝置及其標準發展綜述[J]. 航空標準化與質量, 1998(4)：19-22.

[2] 孫立. APU技術進展和維修現狀[J]. 航空維修與工程, 2009(2):22-24.

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

[4] TSO-C77b.Gas Turbine Auxiliary Power Units[S].

[5] RTCA-DO160. Environmental Conditions & Test Procedures for Airborne Electronic/Electrical Equipment and Instruments[S].

[6] MIL-STD-1472. Human Engineering[S].

Study on Typical Design Detail for APU Inlet System Installation

孟凡力1劉巖東1劉媛媛1宋崎2/

Meng Fanli1Liu Yandong1Liu Yuanyuan1Song Qi2

(1.中航沈飛民用飛機有限責任公司，沈陽110000；2.沈陽航空航天大學，沈陽110136)

(1.AVIC SAC Commercial Aircraft Company Limited, Shenyang 110000,China；2.Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136，China)

摘要：

輔助動力裝置(Auxiliary Power Unit，以下簡稱APU)是民用飛機的重要系統，其安裝設計對于APU的功能、性能、安全性、可靠性、可維修性等具有很大的影響。重點研究APU的進氣系統安裝設計，對設計細節導致的典型問題進行分析，并給出推薦性解決方案，對于民機APU的安裝設計具有一定的指導作用和實用價值。

關鍵詞：APU；進氣系統；設計細節

[Abstract]Auxiliary Power Unit (APU) is an important system in commercial aircraft, and the installation design is critical to APU function, performance, safety, reliability, maintainability. This paper studies on the installation design of APU inlet system. The typical issues resulted from design detail are analyzed, and recommendable design solutions are given. The paper has certain guidance meaning and practical value for commercial aircraft APU installation design.

[Key words]APU; inlet system; design detail

中圖分類號：V228.7

文獻標識碼：A