沖壓空氣渦輪系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分析及應(yīng)用*

杜 鑫，柯 兵，王 健，周明智

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司 金城南京機(jī)電液壓工程研究中心，江蘇 南京 211106)

0 引 言

沖壓空氣渦輪系統(tǒng)(Ram Air Turbine，RAT)是一種應(yīng)急動(dòng)力系統(tǒng)，它可以在飛機(jī)失去主動(dòng)力和輔助動(dòng)力的緊急情況下展開，利用飛機(jī)滑行速度，吸收相對(duì)氣流的沖壓能量，通過(guò)渦輪和調(diào)速機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢ǚ秶D(zhuǎn)速的機(jī)械能，向飛機(jī)關(guān)鍵用戶提供應(yīng)急液壓能源和(或)應(yīng)急電能，以保持飛機(jī)的可操縱性。

RAT總體結(jié)構(gòu)是RAT研制初期的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要素，直接影響到飛機(jī)應(yīng)急能源系統(tǒng)的總體架構(gòu)、RAT的總設(shè)計(jì)方案及RAT和飛機(jī)電源/液壓系統(tǒng)的匹配性。目前國(guó)內(nèi)正在開展多型RAT的研制工作，但仍缺少對(duì)RAT總體結(jié)構(gòu)的總結(jié)與分析，因而RAT總體方案的設(shè)計(jì)工作進(jìn)展緩慢。

筆者通過(guò)總結(jié)國(guó)內(nèi)外RAT總體結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)分析各總體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，適用環(huán)境以及各類型RAT在目前主要機(jī)型上的應(yīng)用，這些分析總結(jié)對(duì)飛機(jī)應(yīng)急能源架構(gòu)設(shè)計(jì)、RAT類型選擇、RAT的總體方案設(shè)計(jì)等具有一定的指導(dǎo)意義。

1 RAT產(chǎn)品及技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)外RAT研制概況

為提高飛機(jī)安全性，一戰(zhàn)期間，某些軍用飛機(jī)就裝有沖壓空氣渦輪，這是RAT的雛形。1955年，美國(guó)XF-84H試驗(yàn)機(jī)在背鰭安裝了沖壓空氣渦輪，這是世界首臺(tái)可收放的沖壓空氣渦輪系統(tǒng)。隨著RAT技術(shù)的發(fā)展，到20世紀(jì)六、七十年代，逐漸形成了兩個(gè)葉片、具有可收放功能的現(xiàn)代RAT 結(jié)構(gòu)。目前已經(jīng)形成了豐富的產(chǎn)品序列，功率等級(jí)涵蓋2～70 kW。

國(guó)內(nèi)RAT專業(yè)起步于20世紀(jì)七十年代，經(jīng)幾十年的發(fā)展，已成功為多型飛機(jī)配套了RAT。

RAT作為飛機(jī)應(yīng)急能源設(shè)備，按輸出應(yīng)急能源類型，可將其分為液壓模式RAT、電力模式RAT和電液混合模式RAT等三種類型。

1.2 RAT技術(shù)研究現(xiàn)狀

受知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)因素影響，國(guó)外關(guān)于RAT的技術(shù)文件主要以專利為主，鮮有論文等相關(guān)文獻(xiàn)資料。目前國(guó)內(nèi)對(duì)RAT的研制也積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，并在RAT類型選擇、RAT使用策略、RAT動(dòng)態(tài)特性仿真計(jì)算、RAT試驗(yàn)驗(yàn)證方法等方面均有一定的研究。

李愛先對(duì)RAT的功能進(jìn)行了概述，并從能源轉(zhuǎn)換效率、安裝區(qū)域、重量等角度對(duì)RAT類型選取進(jìn)行了分析[1]。王永鑫等對(duì)RAT系統(tǒng)各部件進(jìn)行了原理性概述，并對(duì)民用渦槳飛機(jī)的RAT選型進(jìn)行了論述[2]。夏天翔等建立了液壓模式RAT的AMESim模型，對(duì)渦輪調(diào)速性能、展開時(shí)間等進(jìn)行了分析[3]。杜鑫等建立了RAT的虛擬樣機(jī)模型，對(duì)渦輪調(diào)速、展開過(guò)程等進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析[4]。劉賀對(duì)沖壓空氣渦輪艙的布置方法進(jìn)行了研究[5]。張冬雨等提出了一種RAT氣動(dòng)性能的快速計(jì)算方法[6]。王巖等對(duì)RAT液壓泵溫流原理和溫流孔設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究[7]。劉超強(qiáng)等提出了一種在機(jī)上測(cè)試RAT實(shí)際帶載能力的試驗(yàn)方法[8]。周世剛等對(duì)RAT的驗(yàn)證方法進(jìn)行了研究[9]。周明智等設(shè)計(jì)了混合模式RAT的性能試驗(yàn)臺(tái)，用于地面環(huán)境下驗(yàn)證混合模式RAT的功能性能[10]。

2 液壓模式RAT結(jié)構(gòu)分析

2.1 架構(gòu)分析

RAT應(yīng)包含渦輪部件，用于提取相對(duì)氣流的沖壓能，并將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。液壓模式RAT應(yīng)包含液壓泵，將渦輪提供的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能。因RAT具有兩種狀態(tài)，平時(shí)回收在RAT艙內(nèi)，飛機(jī)應(yīng)急狀態(tài)下，RAT展開至氣流中，故RAT應(yīng)具驅(qū)動(dòng)其展開、回收的收放機(jī)構(gòu)。同時(shí)，RAT應(yīng)具備支撐旋轉(zhuǎn)部件，用于RAT在機(jī)上的安裝和旋轉(zhuǎn)。故液壓模式RAT基本架構(gòu)如圖1所示。

圖1 液壓模式RAT基本架構(gòu)

在基本架構(gòu)基礎(chǔ)上，根據(jù)機(jī)上安裝要求、支撐與旋轉(zhuǎn)部件結(jié)構(gòu)、液壓泵在RAT主體上的安裝位置等因素，可將液壓模式RAT拓展為不同的總體結(jié)構(gòu)。

2.2 液壓模式?jīng)_壓空氣渦輪典型結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)液壓泵在RAT主體上的布置方式，液壓模式RAT典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。液壓模式RAT總體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析如表1所列。

圖2 典型液壓模式RAT結(jié)構(gòu)原理圖

表1 液壓模式RAT總體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

續(xù)表1 液壓模式RAT總體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

3 電力模式RAT結(jié)構(gòu)分析

3.1 架構(gòu)分析

與液壓模式RAT結(jié)構(gòu)分析相同，電力模式RAT同樣需要渦輪部件、支撐旋轉(zhuǎn)與傳動(dòng)部件、收放機(jī)構(gòu)。同時(shí)，RAT應(yīng)具有發(fā)電機(jī)及相應(yīng)的發(fā)電機(jī)控制單元，其架構(gòu)如圖3所示。

圖3 電力模式RAT基本架構(gòu)

在基本架構(gòu)基礎(chǔ)上，根據(jù)機(jī)上安裝要求、發(fā)電機(jī)在RAT本體上的安裝位置等因素，可將電力模式RAT架構(gòu)拓展為不同的總體結(jié)構(gòu)。

3.2 電力模式RAT典型結(jié)構(gòu)及分析

根據(jù)發(fā)電機(jī)在RAT主體上的布置方式，電力模式RAT典型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 典型電力模式RAT結(jié)構(gòu)原理圖

因發(fā)電機(jī)主軸可設(shè)計(jì)為通軸結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)在RAT主體上的布置方式更為靈活。除上述兩種結(jié)構(gòu)形式外，電力模式RAT可參考液壓模式RAT的其他總體結(jié)構(gòu)形式。

影響電力模式RAT結(jié)構(gòu)的主要因素為發(fā)電機(jī)重量和發(fā)電機(jī)外形尺寸。典型電力模式RAT結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析如表2所列。

表2 電力模式RAT總體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

4 混合模式RAT結(jié)構(gòu)分析

4.1 架構(gòu)分析

與液壓或電力模式RAT一樣，混合模式RAT需要渦輪部件、支撐旋轉(zhuǎn)及傳動(dòng)部件、收放機(jī)構(gòu)等，根據(jù)能源轉(zhuǎn)換需求，應(yīng)含液壓泵、發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)控制器等部件。

根據(jù)發(fā)電機(jī)與液壓泵在RAT主體上的布置方式，混合模式RAT可設(shè)計(jì)為如圖5所示發(fā)電機(jī)和液壓泵串聯(lián)及發(fā)電機(jī)和液壓泵并聯(lián)的兩種總體架構(gòu)。

圖5 混合模式RAT基本架構(gòu)

混合模式RAT需考慮飛機(jī)單獨(dú)用電需求，液壓泵長(zhǎng)期工作在零流量的工況，該工況下，RAT液壓泵應(yīng)設(shè)置殼體回油，用于液壓泵的散熱。

4.2 混合模式RAT典型結(jié)構(gòu)及分析

典型的混合模式RAT總體結(jié)構(gòu)如圖6所示?；旌夏Ｊ絉AT總體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析如表3所列。

圖6 混合模式RAT典型結(jié)構(gòu)原理圖(無(wú)收放機(jī)構(gòu))

表3 型RAT總體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

續(xù)表3 型RAT總體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

5 RAT總體結(jié)構(gòu)影響因素分析

5.1 飛機(jī)應(yīng)急能源系統(tǒng)總體架構(gòu)

一般情況下，需根據(jù)飛機(jī)應(yīng)急能源類型需求選擇相應(yīng)類型的RAT。若機(jī)上應(yīng)急能源系統(tǒng)同時(shí)需要應(yīng)急液壓能和應(yīng)急電能，則RAT可設(shè)計(jì)為混合模式RAT，也可根據(jù)機(jī)上總體應(yīng)急能源架構(gòu)，選擇更合適的液壓模式RAT+應(yīng)急發(fā)電子系統(tǒng)的總體架構(gòu)或電力模式RAT+電動(dòng)泵的總體架構(gòu)，如圖7所示。

圖7 應(yīng)急能源系統(tǒng)總體架構(gòu)

隨著多電技術(shù)在飛機(jī)上的應(yīng)用，電力模式RAT得到更為廣泛的應(yīng)用，電力模式RAT+電動(dòng)泵的總體應(yīng)急能源架構(gòu)可得到更廣泛的應(yīng)用，該架構(gòu)下需考慮電動(dòng)泵啟動(dòng)瞬時(shí)功率需求增大的問題。

5.2 RAT安裝位置

RAT在機(jī)上安裝位置的選擇除考慮RAT安裝處氣動(dòng)流場(chǎng)、安裝空間等因素外，還需綜合考慮RAT在機(jī)上的安裝、使用環(huán)境。如RAT安裝處的機(jī)械環(huán)境、電磁環(huán)境、RAT距飛機(jī)油箱和RAT用戶等之間的距離、RAT距飛機(jī)油箱和RAT用戶之間管路(電纜)的布置方案及管路重量、RAT進(jìn)油壓力、RAT到RAT用戶之間的能量損失、RAT的維護(hù)性、渦輪部件轉(zhuǎn)子爆破對(duì)飛機(jī)的安全性影響、RAT安裝處的雷擊分區(qū)、RAT對(duì)周圍設(shè)備的影響(如渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的自激振動(dòng))等因素。

主機(jī)應(yīng)根據(jù)各因素的重要度等級(jí)開展綜合評(píng)估工作，確定RAT的安裝位置，并根據(jù)RAT機(jī)上安裝位置特點(diǎn)確定RAT架構(gòu)及RAT總體結(jié)構(gòu)。

5.3 RAT安裝姿態(tài)

RAT在飛機(jī)上通常為豎直姿態(tài)或傾斜姿態(tài)安裝。部分機(jī)型RAT受安裝位置及安裝空間限制，呈水平姿態(tài)(如A400M、XF-84H等機(jī)型)，或倒立姿態(tài)(豎直向上展開，如HK120等機(jī)型)安裝。

RAT豎直或接近豎直姿態(tài)安裝時(shí)，RAT結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，RAT支撐部件受到的慣性力矩較小，且自身的重力有助于RAT展開，故通常選擇該安裝姿態(tài)。

RAT水平姿態(tài)安裝時(shí)，RAT結(jié)構(gòu)件受力工況較為復(fù)雜，RAT總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮RAT支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、振動(dòng)耐久性等因素，一般不推薦該姿態(tài)安裝。受飛機(jī)安裝空間限制，必須采用水平姿態(tài)安裝時(shí)，RAT應(yīng)盡可能減小渦輪端重量，并將RAT重心靠近RAT轉(zhuǎn)軸位置。

5.4 RAT艙體積及形狀

RAT收放機(jī)構(gòu)相對(duì)RAT主體的位置，一般有如圖8所示收放機(jī)構(gòu)前置和后置兩種結(jié)構(gòu)形式。

圖8 RAT收放機(jī)構(gòu)的典型安裝位置

收放機(jī)構(gòu)前置方案，為保證收放機(jī)構(gòu)展開初始時(shí)的有效力臂長(zhǎng)度，RAT回收狀態(tài)，收放機(jī)構(gòu)通常與支撐部件盡量呈垂直角度安裝，這會(huì)導(dǎo)致RAT豎直尺寸較大。該布置方式的RAT一般適用于安裝在主機(jī)身、設(shè)備短艙等RAT艙航向尺寸相對(duì)較短的位置。

若RAT安裝在如襟翼滑軌整流罩等位置時(shí)， RAT艙整體呈“扁平狀”，此時(shí)可考慮將收放機(jī)構(gòu)后置，同時(shí)反向延長(zhǎng)支撐臂，將收放機(jī)構(gòu)與渦輪部件分別布置在RAT轉(zhuǎn)軸兩側(cè)的方案，該總體結(jié)構(gòu)可以有效減小RAT豎直方向的尺寸，以適應(yīng)RAT艙的安裝要求。

收放機(jī)構(gòu)后置方案中，為增加RAT總體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，一般在RAT支撐臂兩側(cè)設(shè)置框板結(jié)構(gòu)，并將收放機(jī)構(gòu)集成在框板內(nèi)。

6 結(jié) 語(yǔ)

文中總結(jié)了國(guó)內(nèi)外典型沖壓空氣渦輪系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，對(duì)比分析了各結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，同時(shí)分析了影響RAT總體結(jié)構(gòu)的主要影響因素，對(duì)飛機(jī)應(yīng)急能源系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、RAT類型的選擇、RAT總體方案的設(shè)計(jì)等具有重要的參考意義。