典型輔助動力裝置技術特點分析

摘 要：本文通過對比Model 131系列與APS2000系列兩型典型輔助動力裝置總體和部件技術特點，梳理出兩型典型輔助動力裝置總體和部件技術特點的相似性和不同。分析結果表明：Model 131系列與APS2000總體結構布局和轉子結構形式都有不同;Model 131系列與APS2000系列采取不同的結構形式實現了引氣需求;兩型APU主要部件的設計和制造都有相似。

關鍵詞：典型輔助動力裝置;技術特點;分析

中圖分類號：V233 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）07-0069-03

輔助動力裝置（以下簡稱APU）是飛機動力系統的重要組成部分，其主要功能是起動主發動機、為客艙供氣，還能為各種機載設備提供動力（液壓能、電能）。

Honeywell公司的Model131系列（如圖1）是一款經典APU，Model131-9A、Model131-9B、Model131-9C（HGT750），它們分別主要安裝在A320/321、Boeing737-600～900及我國的C919大飛機上，且Model131-9的前身Model131-3裝配于隱形轟炸機B-2上;Sundstrand公司的APS2000系列（如圖2）是又一款典型APU，APS2000、APS2100、APS2300，它們分別應用于Boeing737-300/400/500、Boeing717以及巴西航空工業公司的ERJ170/190客機[1]。這兩型系列APU都用在單通道客機上，數量規模最大。

本文對以上兩款目前市場上使用最為廣泛的APU的技術特點進行了分析，以期為我國自主研制APU提供技術參考。

1 兩種典型APU總體特點對比

1.1總體結構布局

Model 131系列其總體結構布局如圖1，為單轉子結構，整機由動力段、負載壓氣機和帶附件的齒輪箱兩個單元體構成。APS2000系列其總體結構布局如圖2，也是單轉子結構，同樣采用了單元體設計，分別為齒輪箱單元體、壓氣機渦輪單元體、燃燒室單元體3個單元體構成。

兩型系列APU都能同時輸出壓縮空氣與軸功率，是典型的引氣型APU;均采用了單轉子結構，采用雙支點支承方式，轉子零件通過圓弧端齒連接，這種總體布局形式使得APU結構更為簡單、緊湊。此外，采用兩支點設計，相較早期的多支點設計，提高了可靠度，降低了維護成本。

同時，兩型系列APU均采用了單元體結構，使得APU拆卸和更換更為方便，這也提高了外場維護性。

1.2轉子結構方面

Model131系列APU在轉子結構上，采用雙支點支承，支承方式為1-0-1，1號支點位于負載段離心葉輪前，為雙列止推球軸承;2號支點位于軸流渦輪后，為滾棒軸承。該轉子支點跨度大，但結構穩定性高;同時，在前后支承上采用了減振油膜，這使得該轉子及整機振動得到了很好的控制。該轉子由壓氣機轉子、兩級軸流渦輪轉子和多段短軸組成;采用的是圓弧端齒加中心拉桿的方式將轉動件固定連接。圓弧端齒的應用保證了該轉子在熱狀態下可靠定心，且重復定心精度高。

APS2000系列APU在轉子結構（如圖3）上則采用了2-0-0懸臂轉子結構，轉子較短，該結構減少了軸承腔，簡化了支承結構。但是，由于渦輪部件重，轉子重心靠后，使得轉子自身下沉，這使得在轉子動平衡時需采取一定措施。該轉子也采用了圓弧端齒加中心拉桿的連接方式。

1.3引氣結構形式

Model 131系列APU采用了負載壓氣機引氣，具有進氣可調導葉機構和防喘機構，APU起動過程、不引氣時，負載壓氣機進氣為關閉狀態，此時負載壓氣機僅有少量的氣進入，負載壓氣機處于“空載”狀態。該結構形式的采用將APU引氣和輸出軸功率單獨的分開，這使得APU核心機參數的選擇不受用戶引氣需求的限制，因此可以采用較高的壓比和渦輪前溫度。

與Model131系列不同的是，APS2000系列APU引氣則指直接從核心機引氣，壓縮空氣直接從壓氣機后輸出，這種結構形式非常緊湊，更加適用軍用直升機以及戰斗機等對APU安裝尺寸和重量要求較高的場合;這種結構形式受用戶引氣需求的限制，壓氣機壓比通常在4～5，這使得燃油經濟性不如前者。

2兩種典型APU部件技術特點對比

2.1壓氣機技術特點

Model131系列和APS2000系列壓氣機均采用了離心壓氣機，其主要特點結構簡單，工作可靠，穩定工作范圍較寬、單級增壓比高。其中Model 131系列動力段壓氣機壓比達到了8，負載段壓氣機壓比為4.4。APS2000的壓氣機壓比為4.2。

APS2000的離心葉輪葉尖馬赫數為超音速，強激波的存在使得激波附面層干擾增強，從而葉尖泄露流動增加。葉尖泄露的增加使得葉輪通道堵塞，減小了離心葉輪流通能力，從而使得葉輪工作流量裕度下降。為了滿足所需的工作裕度要求，采用機匣處理的方式（如圖4）來改善葉尖流場，達到擴展裕度的目的。但是該結構對放氣孔的位置和數量應滿足盡量減少對轉子葉片前的速度場和壓力場影響要求，否則會引起葉片劇烈振動甚至折斷。

Model131系列壓氣機分負載段離心壓氣機和動力段離心壓氣機，動力段離心壓氣機采用大小葉片形式，鈦合金鍛造整體輪盤加工。負載段壓氣機采用鈦合金鍛造加工。

由于存在不同工況，對流量的需求不同，負載壓氣機采用了導葉調節機構進行流量調節，這也保證了壓氣機在非設計狀態下具有良好的工作的裕度。

2.2燃燒室技術特點

Model 131系列和APS200系列燃燒室均為環形回流結構，并都采用了環渦頭部結構（如圖5），環渦頭部結構的特點是在火焰筒頭部內壁焊接薄片，薄片與頭部內壁之間具有一定高度的間隙。從頭部進入的氣流通過這些薄片后形成一個大尺度的環渦，并與切向噴油匹配，從而實現燃燒室的穩定燃燒。這解決了APU 燃油流量小、噴嘴數目太多的問題，也保證了全包線范圍內的點火高度;同時，采用采用燃油噴嘴上的隔熱罩兼具固定火焰筒的功能。

Model131系列APU采用了雙油路噴嘴，這在主發上已有廣泛的應用，但APU應用并不多。原因是小流量雙油路噴嘴結構復雜，設計和加工非常困難，在小發供油量不大的情況下，采用結構相對簡單的單油路燃油噴嘴來滿足發動機的供油要求經濟性更優。APS2000系列APU采用的是單油路燃油噴嘴。但隨著當代小型航空發動機渦輪前溫度越來越高，并從以前較多的應用在飛行高度不高的直升機上，到當前作為APU廣泛的應用在對高空起動有苛刻要求的軍用飛機上，這就對其供油范圍、霧化質量有了更高的要求，雙油路燃油噴嘴有供油范圍寬、各個工作狀態霧化質量好和貧油熄火極限寬的優點，因此，采用雙油路燃油噴嘴也就成為APU用來提高高空點火能力的一個途徑。

2.3渦輪技術特點

Model 131系列APU采用的是兩級軸流渦輪（如圖6），1級渦輪導向葉片采用MAR-M247EX合金鑄造成型，第1級渦輪轉子葉片采用MAR-M247DS。第2級導向器31片葉片采用In713LC材料，兩級盤體為粉末冶金Astroloy。

而APS2000系列APU采用的是向心渦輪，采用的材料是IN792，結構簡單，單級做功能力強，采用精密鑄造。

3 結論

通過對比兩種典型系列APU技術特點，我們發現：

（1）兩型系列APU在總體布局上，均采用了單轉子結構，采用雙支點支承方式，轉子零件通過圓弧端齒連接，這種總體布局形式使得APU結構更為簡單、緊湊。兩型系列APU均采用了單元體結構，使得APU拆卸和更換更為方便，這也提高了外場維護性。

（2）兩型系列APU的1-0-1轉子結構和2-0-0懸臂轉子結構為我們設計APU轉子布局提供了思路。但從實際使用來看，隨著功率的增大，2-0-0懸臂轉子結構自身帶來的動平衡和振動問題，越來越成為該型APU發展的限制，1-0-1轉子結構或其他轉子結構將會是更優的選擇。

（3）兩型系列APU在引氣（起動主發、環控引氣）方式上，通過不同結構形式實現了飛機所需的功能，兩種引氣形式各有優缺點。

（4）兩型系列APU都采用了離心壓氣機;環渦頭部結構的環形回流燃燒室越來越成為APU的主流選擇;向心渦輪和軸流渦輪是輔助動力裝置的兩種可選擇形式，可根據功率和尺寸等實際情況進行選擇。

參考文獻

[1] 黃國平，梁德旺，何志強.大型飛機輔助動力裝置與微型渦輪發動機技術特點對比[J].航空動力學報，2008，23（2）：383-388.

收稿日期：2020-03-09

作者簡介：廖建軍（1988—），男，江西吉安人，碩士研究生，工程師，研究方向：航空宇航推進理論與工程。