民用飞机辅助动力装置进气系统设计概述

邓智亮

摘 要：该文介绍了民用飞机辅助动力装置（Auxiliary Power Unit）的进气系统设计背景和进气系统典型流路，阐述了进气系统的组成和基本功能，提出了进气系统基本设计流程，设计首先从APU进气口、进气道、进气风门和作动器系统开始，然后开展相关进气系统结构件和连接设计，最后通过气动计算分析确定进气道流道，最终完成设计图纸的发放，其中还重点概括了进气系统设计中进气口、进气道、进气风门和作动器系统等设计的基本方法和关注事项，为将来的辅助动力装置进气系统研制提供参考。

关键词：辅助动力装置 进气系统 进气口 进气管道

中图分类号：V235.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）07（b）-0072-02

辅助动力装置（APS）在现代民用客机上的应用非常普遍，其本身为一台小型燃气涡轮机，主要在飞机主发动机启动前向飞机提供电源和气源。地面时，电源可向飞机系统供电，提供正常勤务等用电，气源可用于发动机的起动、空调系统等；空中时，APS可提供备用的电源和气源，可以向飞机供电和供气，包括保证环控系统的运转、对主发动机冷却和发动机叶片附面层吹除等功能。APS也可以作为一种紧急情况下的动力装置[1]。

APS作为吸气式动力系统，其位于系统循环最前端的进气系统部分主要将气流从飞机外导入APS压气机中，为其提供正常运转所需的空气压力和空气流量。由于APS进气系统的一部分通常处于飞机外表面，当APS工作时开启的进气风门将会改变飞机的气动外形，可能会给飞机带来额外的气动阻力，降低飞机的经济性，因此进气系统的设计还与飞机气动布局紧密相关。

目前国外对APS进气系统的研究较为深入，该文就典型民用飞机APS进气系统设计方法展开研究，为将来的APS进气系统设计提供参考。

1 APS进气典型流路分析

APS正常工作时，带动与其同轴连接的负载压气机和附件齿轮箱（内含交流发电机），为飞机提供气源和电源，外界空气首先经飞机表面进气口进入APS进气道，然后再进入燃气涡轮发动机和负载压气机共用的进气通道，通常称为主进气口。经主进气口进入APS的气体，一部分进入燃气涡轮发动机，先后流经燃气涡轮发动机的进气道、压气机，进入燃烧室点火燃烧，保证燃气涡轮发动机的正常工作，以带动负载压气机及交流发电机工作。经主进气口进入APS的另一部分气体进入负载压气机，经过压缩后通过管道输送给飞机，可作为主发动机起动、主发动机流道及飞机表面流动控制（如压气机叶片附面层吹除、机身附面层吹除等）和主发动机冷却等的气源。除飞机外表面进气口外，APS还设有若干辅助进气口进行引气，主要目的对APS自身部件进行冷却[2-3]。

2 APS进气系统组成和部件基本功能

APU进气系统一般由进气风门、APS进气道、通风冷却管道、风门作动器系统、柔性密封件、电搭接线和其它相关标准安装件等组成。进气风门主要是在APS运转时，将外界空气减速增压，向燃气涡轮机提供符合要求的空气源；APS停止运转时，进气风门关闭防止外界空气进入燃气涡轮机，从而造成其损坏。风门作动器系统主要根据控制信号开启和关闭进气风门，并在飞行工作过程中按预定角度固定进气风门。APS进气道与主进气口相连，主要负责将外界空气传输给核心机。作为冷却使用的空气主要通过通风冷却管道从飞机外进入APS所在机舱空间内，降低APS部件温度。柔性密封件主要功能则是补偿进气道和核心机的集气腔间由于振动产生的偏移以及保证两者之间的气密性。

3 设计概述

作为民用飞机复杂系统的一部分，APS进气系统的设计首先需满足民用飞机设计的特点：即满足国内外运输类飞机适航标准的相关要求。然后在此基础上运用系统工程的理论，统筹考虑系统先进性、系统成熟度、研发成本和研发进度等方面要求展开具体设计。

APU进气系统设计首先需根据飞机具体要求确定进气口尺寸和位置、进气道形式、进气风门方案、作动器选取和其它例如电气方面的设计；然后进行APU进气结构件的设计，诸如进气风门框或其它与飞机结构件的连接件等；再之后开展进气道流道设计；经过性能计算分析验证以后，再发放相关的设计图纸。基本设计流程归纳如图1所示。

APS进气系统中的重要部件设计概述如下：

3.1 进气口设计

首先根据选用的APS核心机的功率和进气要求，初步确定进气开口尺寸，该尺寸通常与APS核心机集气腔的开口尺寸接近，进而保证进气量要求。由于进气口的位置通常与飞机的机体结构布置相关，因此其位置选择需根据飞机总体布置要求确定，应尽量远离APS尾端排气口，防止由于尾风和侧风造成的尾气吸入，同时也应尽量避免布置在飞机下表面，避免地面状态下跑道上的水及外物和飞行状态下燃油系统及液压系统排放的液体被进气系统吸入，从而导致APS故障。同时进气系统所在位置的不同也会引起进气口尺寸的相应调整。

3.2 进气道设计

随着民用飞机技术的发展，APS进气道曾有2种主要的进气形式，管道式进气和箱式进气。目前通常采用管道式进气，该进气方式的结构较为简单，易于维护。进气管道的布置一般受到进气开口、APS集气腔和周边结构布置共同影响，因此需要统筹兼顾各方面需求来最终确定。同时进气管道的几何形状也受到飞机外形、进气口位置、进气风门形状和进气压力要求等因素影响，需经过气动分析计算初步确定，并经地面试验和飞行试验最终验证。通常可以通过在进气道中增加导流片优化进气流道的方式提高进气质量。为了满足飞机的噪声要求和提升飞机舒适性，在进气道中可增加消音隔板，该隔板能增加进气道内消音面积，有效提升消音效果。同时整个APS进气道应该按照适航规章要求满足规定的防火要求。

3.3 进气风门设计

目前大多数APS进气系统采用定、变几何的flush和scoop型进气道。其中flush型进气道进口截面形状可采用分叉式或平面式， Scoop型进气道可采用圆形、半圆形及矩形进口截面形状。采用变几何的APS进气风门能够有效减小由于APS进气系统引起的气动阻力，同时在APU不工作时也可关闭进口，防止外物进入。但变几何机构同时也会提升APS结构的复杂程度，增加系统重量。定几何的设计较为简单，但会产生额外的气动阻力，并且较难阻止外物进入APS中。

进气风门的设计还与进气道和通风冷却管道位置密切相关，通常分为整合式进气风门和分离式进气风门。当进气道和通风冷却管道位置接近时，可考虑采用整合式进气风门，即采用一个足够大的进气风门覆盖进气道和通风冷却管道，从而降低进气风门的复杂性；当进气道和通风冷却管道相隔较远时，则采用分离式进气风门，即分别为进气道和通风冷却管道设计不同的进气风门。进气风门外表面应尽量与飞机表面齐平，降低气动阻力。

3.4 作动器系统设计

作动器安装位置主要受到进气系统安装位置和周边飞机结构共同约束，一般有前置安装、后置安装和侧边安装。作动器功率应充分考虑进气风门在飞机设计的运行包线下所需承受的最大气动力，同时对比进气风门破冰时所产生的额外力，选取两者中较大的力作为作动器功率设计的基准。

3.5 其它设计

在APS进气系统设计过程中，同样还需要关注国内外运输类飞机适航标准和民机行业其它通用规范中的电气、强度、可靠性、安全性和维修性等要求，并且通过设计实现，并最终在试验中验证。

4 结语

该文针对民用飞机APS进气系统特点，介绍了典型进气系统流路和基本组成及功能，提出了进气系统基本设计流程，首先进行APU进气口、进气道、进气风门和作动器系统等设计，然后开展相关进气系统结构件和连接设计，最后再确定进气道流道，最终完成设计图纸的发放。此外还重点归纳了进气系统设计中诸如进气口、进气道和进气风门的基本设计方法，为将来辅助动力装置进气系统的研制提供参考。

参考文献

[1]陈矛章.风扇/压气机技术发展和对今后工作的建议[J].航空动力学报，2002，17（1）：1-15.

[2]D.J. Campbell. Revolutionary propulsion and Power for 21st century aviation[J].AIAA，2003.

[3]A.B. Jesus， G.L. Oliveira， C.S. Brodt. Methodology for the Design of APU Air Inlets for Regional Commercial Aircraft [J]. AIAA，2003.