某型运输机APU进气道优化设计及安全性分析

郭朝翔，田晓平

（中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089）

辅助动力装置（Auxiliary Power Unit）简称APU，是为了减少飞机对地面（机场）供电或供气设备的依赖而装备的小型动力装置。APU的作用是向飞机独立提供电力和压缩空气。例如客机，在飞机起飞前，APU供电或气起动主发动机，使飞机不需要依靠地面电源、气源车来起动主发动机。起飞时，APU可供客舱、驾驶舱照明和空调，使主发动机用于飞机加速、爬升，改善起飞性能。着陆后，仍由APU向飞机上供应电力照明和空调，主发动机停车，节省燃料和降低机场噪声。

APU的进气系统是保证APU在其工作包线范围内正常工作不可缺少的系统之一，其主要功能是在APU整个工作包线范围内为APU提供满足各种工作条件所需的空气流量以及高品质的流场[1-5]。进气系统的原理是通过APU核心压气机和载荷压气机抽吸作用为APU提供所需空气。

1  APU 进气道出口参数计算

1.1  APU 进气系统的流量计算

APU进气系统的流量计算公式如下[6-8]：

式（1）和式（2）中：Qi为每个测点所测小区域的流量；为进气道出口截面处各测点的总压；为进气道出口截面处各测点的总温；Ai为进气道出口截面处各测点所对应的面积；λi为进气道出口截面处各测点的速度因素；K和k为气体常数，K=0.0404，k=1.4。

1.2  APU 进气系统出口的压力畸变系数

APU进气系统出口的压力畸变系数DC定义如下：

2  优化前的 APU 进气道

在某型运输机APU进气系统试飞阶段发现，该进气系统出口的压力畸变较大，且进气流量不满足设计指标要求，因此针对该问题，需要对原有的进气道进行适当的改进，以满足APU系统对进气道的要求。优化前的APU进气道如图1所示。

图1 优化前APU进气道

2.1  数值模拟

本文通过数值模拟的方法，研究了该进气道内部的流动特性。APU进气系统性能计算模型建模时，综合考虑APU集气室结构、机身外型面、起落架整流罩外型面以及地面对APU进气系统性能计算的影响。APU进气系统性能计算模型如图2所示。

图2 APU进气系统地面性能计算模型

2.2  网格划分

本文采用结构和非结构网格对APU进气系统地面性能计算模型进行网格划分，并对压力梯度较大区域的网格进行加密。APU进气系统地面性能计算模型的网格总数量约为420万，其中结构网格数量约为279万。外场模型的网格划分结果见图3，进气系统模型的网格划分结果见图4。

图3 外场模型的网格划分结果

图4 进气道模型的网格划分结果

2.3  边界条件设置

核心压气机进气口采用压力出口边界条件，外场模型中，地面、起落架整流罩外型面和机身外型面采用无滑移壁面边界条件，外场模型其余表面均采用压力进口边界条件，外场模型的边界条件如图5所示。

图5 外场模型的边界条件

2.4  计算结果

通过对APU进气系统的数值仿真，同时得到APU进气道出口流场图谱，如图6～图9所示，得到了APU进气道出口参数，如表1所示。

图6 进气道对称面马赫数云图

图7 进气道对称面总压云图

图8 进气道出口马赫数云图

图9 进气道出口总压云图

表1 优化前的进气道数值模拟结果

从图6和图7可以看出，进气道中气流经过弯道，出口靠近弯道一侧出现了较大的流动分离；从图8和图9可以看出，进气道出口的气流分布很不均匀，也是在出口靠近弯道一侧呈现明显的高低压区；从表1可以看出，该进气道出口流量为9.915kg/s（设计要求为10kg/s），同时进气道出口的总压畸变较大，达到了10.2%。

3  优化后的 APU 进气道

3.1  优化设计

针对以上问题，为了使进气道出口气流达到设计要求，课题组针对该进气道特点，进行适当的优化设计，优化的方法是在进气道出口的气流转弯处增加了两个导向叶片，优化后的模型见图10。

图10 优化后的进气道模型

3.2  优化后的数值模拟

通过对APU进气系统的数值仿真，同时得到APU进气道出口流场图谱，如图11～图14所示，得到了APU进气道出口参数，如表2所示。

图11 进气道对称面马赫数云图

图12 进气道对称面总压云图

图13 进气道出口马赫数云图

图14 进气道出口总压云图

表2 优化前后的进气道数值模拟结果对比

对比对称面的马赫数和总压云图可以看到，优化后的进气道在转弯处的流动分离明显减小甚至消失；对比进气道出口的马赫数和总压云图可以看到，优化后的进气道出口的高马赫数和高压区域面积明显增加；从表2的对比中可以看出，由于流动分离的大幅减小，气流在进气道出口的平均马赫数、平均总压和气流流量明显增加，尤其是总压畸变指数下降了大约40%。由此可以看出，优化后的进气道极大地改善了流场品质，为进气道后压气机提供了良好的工作环境。

4  安全性分析

为了保证进气道增加导向叶片的设计改进符合CCAR/FAR/CS 25.1309条款的要求，本文针对改进后的设计进行了功能危险性评估（FHA），识别出以下改装设计失效模式：（1）加装导向叶片后，进气道在进气角度的影响下出现严重气流分离，影响APU的正常工作；（2）导向叶片因选材和结构强度问题，发生结构断裂，脱落后可能打伤APU叶栅及其它重要部附件；（3）导向叶片在一定大气环境下表面结冰，影响进气流场通畅，并存在冰层脱落打伤APU转子叶片的可能。针对以上失效模式，建立了系统级安全性评估表（见表3），详细分析了APU进气道功能失效和安全影响。

经安全性分析，设计优化后的APU进气道及导向叶片，在飞行各个阶段都能满足适航标准的要求，其妨碍飞机继续安全飞行与着陆的失效情况概率很小，对机组和乘员的安全影响概率极小并可控，满足设计安全性要求。

5  结论

本文从实际应用中出现的问题着手，根据该型进气道的特点，利用数值模拟的方法，研究了原有进气道的流动特征，找出了问题的关键，针对性提出了优化设计方案。通过对比优化设计前后进气道内部和出口的流场，以及进气道出口气动参数，发现优化后的进气道流动效率更高，能为进气道后的压气机提供更好的流场品质，达到了设计指标。同时，对优化设计方案进行了安全性分析，分析结果表明，优化设计符合相关适航标准要求。

表3 某型运输机APU进气道加装导向叶片安全性评估表