民用飛機(jī)APU引氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究

彭丹祺

【摘 要】本文介紹了典型民用飛機(jī)APU引氣系統(tǒng)原理，研究了APU引氣參數(shù)匹配方法，為民用飛機(jī)APU引氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考。

【關(guān)鍵詞】APU引氣；參數(shù)匹配；壓力；溫度

0 概述

典型的民用飛機(jī)氣源系統(tǒng)通常為從發(fā)動(dòng)機(jī)、APU或地面高壓氣源引氣，為空調(diào)、機(jī)翼防冰、發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、燃油箱惰化及水箱增壓提供氣源，滿足下游用氣系統(tǒng)的壓力、溫度和流量需求[1]。

民用飛機(jī)APU引氣系統(tǒng)為氣源系統(tǒng)的組成部分，從APU獲得引氣，通過(guò)高壓導(dǎo)管供給用氣系統(tǒng)，用氣系統(tǒng)一般考慮空調(diào)系統(tǒng)、燃油惰化系統(tǒng)、水廢水系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)，APU引氣通常不為防冰系統(tǒng)提供引氣。

APU引氣無(wú)需經(jīng)過(guò)溫度和壓力調(diào)節(jié)直接供給用氣系統(tǒng)。APU引氣系統(tǒng)通常在地面狀態(tài)下作為發(fā)動(dòng)機(jī)引氣系統(tǒng)的備份為用氣系統(tǒng)提供引氣，空中一定高度內(nèi)為空調(diào)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)提供引氣。

APU引氣系統(tǒng)一般由APU引氣活門(mén)、APU單向活門(mén)、交輸引氣活門(mén)及高壓導(dǎo)管組成。APU引氣活門(mén)由控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，開(kāi)啟活門(mén)、使活門(mén)保持合適的開(kāi)度或關(guān)閉，確保APU穩(wěn)定工作，并滿足飛機(jī)的供氣要求。APU單向活門(mén)使氣體只能從APU流向用氣系統(tǒng)，并防止氣體倒流入APU造成損害。交輸引氣活門(mén)由控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，開(kāi)啟或關(guān)閉活門(mén)以實(shí)現(xiàn)左右兩側(cè)引氣的隔離或交輸，交輸引氣活門(mén)可實(shí)現(xiàn)APU引氣為兩側(cè)空調(diào)系統(tǒng)同時(shí)供氣，并可在一側(cè)引氣管路泄漏時(shí)隔離引氣。高壓導(dǎo)管是連接氣源和用氣系統(tǒng)的橋梁，用于引氣的傳輸。典型APU引氣系統(tǒng)的組成原理如圖1所示。

1 APU引氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

1.1 適航要求

APU引氣系統(tǒng)為空調(diào)系統(tǒng)提供引氣時(shí)，應(yīng)保證有足夠的引氣量來(lái)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(tǒng)發(fā)生可能的失效而對(duì)通風(fēng)產(chǎn)生有害影響條件下，通風(fēng)系統(tǒng)都必須要能提供足夠量的未被污染的空氣，使得機(jī)組成員能夠完成其職責(zé)而不致過(guò)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(fēng)系統(tǒng)至少應(yīng)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(tǒng)為空調(diào)系統(tǒng)提供引氣時(shí)，應(yīng)保證客艙和駕駛艙具有舒適的溫度和壓力環(huán)境；

b）APU引氣系統(tǒng)為發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)提供引氣時(shí)，應(yīng)確保在一定時(shí)間范圍內(nèi)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，通常為2分鐘以內(nèi)；

c）APU引氣溫度最高不超過(guò)260℃；

d）高壓導(dǎo)管絕熱層表面溫度不超過(guò)204℃。

2 APU引氣系統(tǒng)性能參數(shù)匹配方法

2.1 設(shè)計(jì)輸入

2.1.1 流量需求

流量需求應(yīng)考慮各用氣系統(tǒng)的需求以及高壓管路和部件的泄漏量。用氣系統(tǒng)不同設(shè)計(jì)狀態(tài)點(diǎn)時(shí)流量需求不同，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮用氣系統(tǒng)所有的設(shè)計(jì)狀態(tài)。

a）空調(diào)系統(tǒng)流量應(yīng)考慮2個(gè)空調(diào)包或1個(gè)空調(diào)包供氣時(shí)的不同流量需求，流量需求通常和高度及外界環(huán)境溫度有關(guān)；

b）燃油惰化和水廢水系統(tǒng)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(dǎo)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(yīng)考慮各用氣系統(tǒng)的需求，用氣系統(tǒng)不同設(shè)計(jì)狀態(tài)點(diǎn)時(shí)壓力需求不同，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮用氣系統(tǒng)所有的設(shè)計(jì)狀態(tài)?？照{(diào)系統(tǒng)應(yīng)考慮2個(gè)空調(diào)包或1個(gè)空調(diào)包供氣時(shí)的不同壓力需求。

某型飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)在不同設(shè)計(jì)狀態(tài)下流量和壓力需求如表1和表2所示。

2.1.3 部件和導(dǎo)管特性

部件和導(dǎo)管特性包括流阻△PAPU（bar）和溫降△TAPU（℃），用于系統(tǒng)性能計(jì)算分析。流阻△PAPU一般通過(guò)FLOWMASTER等仿真軟件或通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到，并擬合成適用于一定流量范圍內(nèi)的計(jì)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(shù)，根據(jù)該公式和APU引氣參數(shù)，可計(jì)算得到部件和導(dǎo)管的流阻，進(jìn)而得到用氣系統(tǒng)入口處的引氣壓力。溫降△TAPU一般取10-15℃。

2.1.4 APU引氣參數(shù)

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(shí)（sea level， ISA+25）的某型飛機(jī)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(shù)匹配過(guò)程

APU引氣系統(tǒng)壓力和溫度通常無(wú)需調(diào)節(jié)直接供給下游用氣系統(tǒng)，引氣參數(shù)的匹配過(guò)程就可直接依據(jù)APU引氣數(shù)據(jù)和高壓導(dǎo)管及部件的流阻、溫降和泄漏量，得到用氣系統(tǒng)進(jìn)口參數(shù)，再與用氣系統(tǒng)的引氣需求作對(duì)比。

以APU引氣系統(tǒng)為空調(diào)系統(tǒng)供氣為例：

空調(diào)系統(tǒng)入口質(zhì)量流量WBACS=WB-△WAPU；

空調(diào)系統(tǒng)入口空氣總壓PBACS=PB-△PAPU；

空調(diào)系統(tǒng)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(jì)算分析得到的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)口參數(shù)也同樣為引氣壓力和溫度隨質(zhì)量流量的變化曲線。根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)的引氣需求，在曲線上尋找匹配點(diǎn)。圖4為APU引氣壓力與空調(diào)系統(tǒng)需求的匹配。圖5為APU引氣溫度與空調(diào)系統(tǒng)需求的匹配。如果APU引氣參數(shù)不能滿足空調(diào)系統(tǒng)的引氣需求，則需調(diào)整APU引氣功率，增加APU輸出能力，并按上述過(guò)程重新計(jì)算分析空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)口參數(shù)，尋找匹配點(diǎn)；如果調(diào)整APU引氣功率仍不能滿足空調(diào)系統(tǒng)引氣需求，則需考慮降低空調(diào)系統(tǒng)的引氣需要，評(píng)估在現(xiàn)有APU引氣能力下的空調(diào)系統(tǒng)的性能是否可以接受。

在其他高度和溫度環(huán)境條件下，可以參照此方法，計(jì)算分析得到APU引氣與空調(diào)系統(tǒng)的匹配點(diǎn)。APU引氣供發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，同樣可參照此方法，計(jì)算分析得到性能匹配點(diǎn)。

3 結(jié)論

本文進(jìn)行了民用飛機(jī)APU引氣系統(tǒng)性能參數(shù)匹配方法的研究，可用于民用飛機(jī)APU系統(tǒng)的選型和APU引氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

【參考文獻(xiàn)】

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

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

[3]運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn).中國(guó)民用航空規(guī)章第25部[S].2011.

[責(zé)任編輯：曹明明]