民用飞机APU引气系统设计方法研究

彭丹祺

【摘 要】本文介绍了典型民用飞机APU引气系统原理，研究了APU引气参数匹配方法，为民用飞机APU引气系统设计提供了参考。

【关键词】APU引气；参数匹配；压力；温度

0 概述

典型的民用飞机气源系统通常为从发动机、APU或地面高压气源引气，为空调、机翼防冰、发动机起动、燃油箱惰化及水箱增压提供气源，满足下游用气系统的压力、温度和流量需求[1]。

民用飞机APU引气系统为气源系统的组成部分，从APU获得引气，通过高压导管供给用气系统，用气系统一般考虑空调系统、燃油惰化系统、水废水系统和发动机起动系统，APU引气通常不为防冰系统提供引气。

APU引气无需经过温度和压力调节直接供给用气系统。APU引气系统通常在地面状态下作为发动机引气系统的备份为用气系统提供引气，空中一定高度内为空调系统和发动机起动系统提供引气。

APU引气系统一般由APU引气活门、APU单向活门、交输引气活门及高压导管组成。APU引气活门由控制系统进行控制，开启活门、使活门保持合适的开度或关闭，确保APU稳定工作，并满足飞机的供气要求。APU单向活门使气体只能从APU流向用气系统，并防止气体倒流入APU造成损害。交输引气活门由控制系统进行控制，开启或关闭活门以实现左右两侧引气的隔离或交输，交输引气活门可实现APU引气为两侧空调系统同时供气，并可在一侧引气管路泄漏时隔离引气。高压导管是连接气源和用气系统的桥梁，用于引气的传输。典型APU引气系统的组成原理如图1所示。

1 APU引气系统设计要求

1.1 适航要求

APU引气系统为空调系统提供引气时，应保证有足够的引气量来确保新鲜空气量满足适航条款CCAR25.831a的要求：在正常操作情况和任何系统发生可能的失效而对通风产生有害影响条件下，通风系统都必须要能提供足够量的未被污染的空气，使得机组成员能够完成其职责而不致过度不适或疲劳，并且向旅客提供合理的舒适性。通常情况下通风系统至少应能向每一乘员提供每分钟250 克（0.55 磅）的新鲜空气[3]。

1.2 性能要求

a）APU引气系统为空调系统提供引气时，应保证客舱和驾驶舱具有舒适的温度和压力环境；

b）APU引气系统为发动机起动系统提供引气时，应确保在一定时间范围内起动发动机，通常为2分钟以内；

c）APU引气温度最高不超过260℃；

d）高压导管绝热层表面温度不超过204℃。

2 APU引气系统性能参数匹配方法

2.1 设计输入

2.1.1 流量需求

流量需求应考虑各用气系统的需求以及高压管路和部件的泄漏量。用气系统不同设计状态点时流量需求不同，设计时应考虑用气系统所有的设计状态。

a）空调系统流量应考虑2个空调包或1个空调包供气时的不同流量需求，流量需求通常和高度及外界环境温度有关；

b）燃油惰化和水废水系统的流量需求较小，一般取最大流量作为输入；

c）泄漏量△WAPU（kg/min）包括高压导管及部件[2]，一般取总流量的3%。

2.1.2 压力需求

压力需求应考虑各用气系统的需求，用气系统不同设计状态点时压力需求不同，设计时应考虑用气系统所有的设计状态。空调系统应考虑2个空调包或1个空调包供气时的不同压力需求。

某型飞机空调系统和发动机起动系统在不同设计状态下流量和压力需求如表1和表2所示。

2.1.3 部件和导管特性

部件和导管特性包括流阻△PAPU（bar）和温降△TAPU（℃），用于系统性能计算分析。流阻△PAPU一般通过FLOWMASTER等仿真软件或通过经验公式计算得到，并拟合成适用于一定流量范围内的计算公式，通常的形式为：σ△PAPU=KQα，其中σ=ρ/ρ0，ρ0=P0/rT0，Q为引气流量，K和α为拟合得出的参数，根据该公式和APU引气参数，可计算得到部件和导管的流阻，进而得到用气系统入口处的引气压力。温降△TAPU一般取10-15℃。

2.1.4 APU引气参数

APU选型确定后，APU引气能力也随之确定。图2和图3为海平面热天时（sea level， ISA+25）的某型飞机APU引气特性，即不同高度不同大气温度下APU的输出压力PB（bar）和温度TB（℃）随输出流量WB（kg/min）的变化。

2.2 引气参数匹配过程

APU引气系统压力和温度通常无需调节直接供给下游用气系统，引气参数的匹配过程就可直接依据APU引气数据和高压导管及部件的流阻、温降和泄漏量，得到用气系统进口参数，再与用气系统的引气需求作对比。

以APU引气系统为空调系统供气为例：

空调系统入口质量流量WBACS=WB-△WAPU；

空调系统入口空气总压PBACS=PB-△PAPU；

空调系统入口空气总温TBACS=TB-△TAPU。

在一定高度一定大气温度下，APU引气特性为APU输出压力和温度随输出流量的变化曲线，因此计算分析得到的空调系统进口参数也同样为引气压力和温度随质量流量的变化曲线。根据空调系统的引气需求，在曲线上寻找匹配点。图4为APU引气压力与空调系统需求的匹配。图5为APU引气温度与空调系统需求的匹配。如果APU引气参数不能满足空调系统的引气需求，则需调整APU引气功率，增加APU输出能力，并按上述过程重新计算分析空调系统进口参数，寻找匹配点；如果调整APU引气功率仍不能满足空调系统引气需求，则需考虑降低空调系统的引气需要，评估在现有APU引气能力下的空调系统的性能是否可以接受。

在其他高度和温度环境条件下，可以参照此方法，计算分析得到APU引气与空调系统的匹配点。APU引气供发动机起动时，同样可参照此方法，计算分析得到性能匹配点。

3 结论

本文进行了民用飞机APU引气系统性能参数匹配方法的研究，可用于民用飞机APU系统的选型和APU引气系统的设计。

【参考文献】

[1]寿荣中，何慧姗. 飞行器环境控制[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2004.

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

[3]运输类飞机适航标准.中国民用航空规章第25部[S].2011.

[责任编辑：曹明明]