摘 要：本文通過對(duì)比Model 131系列與APS2000系列兩型典型輔助動(dòng)力裝置總體和部件技術(shù)特點(diǎn)，梳理出兩型典型輔助動(dòng)力裝置總體和部件技術(shù)特點(diǎn)的相似性和不同。分析結(jié)果表明：Model 131系列與APS2000總體結(jié)構(gòu)布局和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式都有不同;Model 131系列與APS2000系列采取不同的結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)了引氣需求;兩型APU主要部件的設(shè)計(jì)和制造都有相似。

關(guān)鍵詞：典型輔助動(dòng)力裝置;技術(shù)特點(diǎn);分析

中圖分類號(hào)：V233 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）07-0069-03

輔助動(dòng)力裝置（以下簡稱APU）是飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是起動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)、為客艙供氣，還能為各種機(jī)載設(shè)備提供動(dòng)力（液壓能、電能）。

Honeywell公司的Model131系列（如圖1）是一款經(jīng)典APU，Model131-9A、Model131-9B、Model131-9C（HGT750），它們分別主要安裝在A320/321、Boeing737-600～900及我國的C919大飛機(jī)上，且Model131-9的前身Model131-3裝配于隱形轟炸機(jī)B-2上;Sundstrand公司的APS2000系列（如圖2）是又一款典型APU，APS2000、APS2100、APS2300，它們分別應(yīng)用于Boeing737-300/400/500、Boeing717以及巴西航空工業(yè)公司的ERJ170/190客機(jī)[1]。這兩型系列APU都用在單通道客機(jī)上，數(shù)量規(guī)模最大。

本文對(duì)以上兩款目前市場上使用最為廣泛的APU的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，以期為我國自主研制APU提供技術(shù)參考。

1 兩種典型APU總體特點(diǎn)對(duì)比

1.1總體結(jié)構(gòu)布局

Model 131系列其總體結(jié)構(gòu)布局如圖1，為單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，整機(jī)由動(dòng)力段、負(fù)載壓氣機(jī)和帶附件的齒輪箱兩個(gè)單元體構(gòu)成。APS2000系列其總體結(jié)構(gòu)布局如圖2，也是單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，同樣采用了單元體設(shè)計(jì)，分別為齒輪箱單元體、壓氣機(jī)渦輪單元體、燃燒室單元體3個(gè)單元體構(gòu)成。

兩型系列APU都能同時(shí)輸出壓縮空氣與軸功率，是典型的引氣型APU;均采用了單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，采用雙支點(diǎn)支承方式，轉(zhuǎn)子零件通過圓弧端齒連接，這種總體布局形式使得APU結(jié)構(gòu)更為簡單、緊湊。此外，采用兩支點(diǎn)設(shè)計(jì)，相較早期的多支點(diǎn)設(shè)計(jì)，提高了可靠度，降低了維護(hù)成本。

同時(shí)，兩型系列APU均采用了單元體結(jié)構(gòu)，使得APU拆卸和更換更為方便，這也提高了外場維護(hù)性。

1.2轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)方面

Model131系列APU在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上，采用雙支點(diǎn)支承，支承方式為1-0-1，1號(hào)支點(diǎn)位于負(fù)載段離心葉輪前，為雙列止推球軸承;2號(hào)支點(diǎn)位于軸流渦輪后，為滾棒軸承。該轉(zhuǎn)子支點(diǎn)跨度大，但結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高;同時(shí)，在前后支承上采用了減振油膜，這使得該轉(zhuǎn)子及整機(jī)振動(dòng)得到了很好的控制。該轉(zhuǎn)子由壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、兩級(jí)軸流渦輪轉(zhuǎn)子和多段短軸組成;采用的是圓弧端齒加中心拉桿的方式將轉(zhuǎn)動(dòng)件固定連接。圓弧端齒的應(yīng)用保證了該轉(zhuǎn)子在熱狀態(tài)下可靠定心，且重復(fù)定心精度高。

APS2000系列APU在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)（如圖3）上則采用了2-0-0懸臂轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子較短，該結(jié)構(gòu)減少了軸承腔，簡化了支承結(jié)構(gòu)。但是，由于渦輪部件重，轉(zhuǎn)子重心靠后，使得轉(zhuǎn)子自身下沉，這使得在轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡時(shí)需采取一定措施。該轉(zhuǎn)子也采用了圓弧端齒加中心拉桿的連接方式。

1.3引氣結(jié)構(gòu)形式

Model 131系列APU采用了負(fù)載壓氣機(jī)引氣，具有進(jìn)氣可調(diào)導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)和防喘機(jī)構(gòu)，APU起動(dòng)過程、不引氣時(shí)，負(fù)載壓氣機(jī)進(jìn)氣為關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)負(fù)載壓氣機(jī)僅有少量的氣進(jìn)入，負(fù)載壓氣機(jī)處于“空載”狀態(tài)。該結(jié)構(gòu)形式的采用將APU引氣和輸出軸功率單獨(dú)的分開，這使得APU核心機(jī)參數(shù)的選擇不受用戶引氣需求的限制，因此可以采用較高的壓比和渦輪前溫度。

與Model131系列不同的是，APS2000系列APU引氣則指直接從核心機(jī)引氣，壓縮空氣直接從壓氣機(jī)后輸出，這種結(jié)構(gòu)形式非常緊湊，更加適用軍用直升機(jī)以及戰(zhàn)斗機(jī)等對(duì)APU安裝尺寸和重量要求較高的場合;這種結(jié)構(gòu)形式受用戶引氣需求的限制，壓氣機(jī)壓比通常在4～5，這使得燃油經(jīng)濟(jì)性不如前者。

2兩種典型APU部件技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

2.1壓氣機(jī)技術(shù)特點(diǎn)

Model131系列和APS2000系列壓氣機(jī)均采用了離心壓氣機(jī)，其主要特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，穩(wěn)定工作范圍較寬、單級(jí)增壓比高。其中Model 131系列動(dòng)力段壓氣機(jī)壓比達(dá)到了8，負(fù)載段壓氣機(jī)壓比為4.4。APS2000的壓氣機(jī)壓比為4.2。

APS2000的離心葉輪葉尖馬赫數(shù)為超音速，強(qiáng)激波的存在使得激波附面層干擾增強(qiáng)，從而葉尖泄露流動(dòng)增加。葉尖泄露的增加使得葉輪通道堵塞，減小了離心葉輪流通能力，從而使得葉輪工作流量裕度下降。為了滿足所需的工作裕度要求，采用機(jī)匣處理的方式（如圖4）來改善葉尖流場，達(dá)到擴(kuò)展裕度的目的。但是該結(jié)構(gòu)對(duì)放氣孔的位置和數(shù)量應(yīng)滿足盡量減少對(duì)轉(zhuǎn)子葉片前的速度場和壓力場影響要求，否則會(huì)引起葉片劇烈振動(dòng)甚至折斷。

Model131系列壓氣機(jī)分負(fù)載段離心壓氣機(jī)和動(dòng)力段離心壓氣機(jī)，動(dòng)力段離心壓氣機(jī)采用大小葉片形式，鈦合金鍛造整體輪盤加工。負(fù)載段壓氣機(jī)采用鈦合金鍛造加工。

由于存在不同工況，對(duì)流量的需求不同，負(fù)載壓氣機(jī)采用了導(dǎo)葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，這也保證了壓氣機(jī)在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下具有良好的工作的裕度。

2.2燃燒室技術(shù)特點(diǎn)

Model 131系列和APS200系列燃燒室均為環(huán)形回流結(jié)構(gòu)，并都采用了環(huán)渦頭部結(jié)構(gòu)（如圖5），環(huán)渦頭部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是在火焰筒頭部內(nèi)壁焊接薄片，薄片與頭部內(nèi)壁之間具有一定高度的間隙。從頭部進(jìn)入的氣流通過這些薄片后形成一個(gè)大尺度的環(huán)渦，并與切向噴油匹配，從而實(shí)現(xiàn)燃燒室的穩(wěn)定燃燒。這解決了APU 燃油流量小、噴嘴數(shù)目太多的問題，也保證了全包線范圍內(nèi)的點(diǎn)火高度;同時(shí)，采用采用燃油噴嘴上的隔熱罩兼具固定火焰筒的功能。

Model131系列APU采用了雙油路噴嘴，這在主發(fā)上已有廣泛的應(yīng)用，但APU應(yīng)用并不多。原因是小流量雙油路噴嘴結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)和加工非常困難，在小發(fā)供油量不大的情況下，采用結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單的單油路燃油噴嘴來滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的供油要求經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。APS2000系列APU采用的是單油路燃油噴嘴。但隨著當(dāng)代小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度越來越高，并從以前較多的應(yīng)用在飛行高度不高的直升機(jī)上，到當(dāng)前作為APU廣泛的應(yīng)用在對(duì)高空起動(dòng)有苛刻要求的軍用飛機(jī)上，這就對(duì)其供油范圍、霧化質(zhì)量有了更高的要求，雙油路燃油噴嘴有供油范圍寬、各個(gè)工作狀態(tài)霧化質(zhì)量好和貧油熄火極限寬的優(yōu)點(diǎn)，因此，采用雙油路燃油噴嘴也就成為APU用來提高高空點(diǎn)火能力的一個(gè)途徑。

2.3渦輪技術(shù)特點(diǎn)

Model 131系列APU采用的是兩級(jí)軸流渦輪（如圖6），1級(jí)渦輪導(dǎo)向葉片采用MAR-M247EX合金鑄造成型，第1級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子葉片采用MAR-M247DS。第2級(jí)導(dǎo)向器31片葉片采用In713LC材料，兩級(jí)盤體為粉末冶金Astroloy。

而APS2000系列APU采用的是向心渦輪，采用的材料是IN792，結(jié)構(gòu)簡單，單級(jí)做功能力強(qiáng)，采用精密鑄造。

3 結(jié)論

通過對(duì)比兩種典型系列APU技術(shù)特點(diǎn)，我們發(fā)現(xiàn)：

（1）兩型系列APU在總體布局上，均采用了單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，采用雙支點(diǎn)支承方式，轉(zhuǎn)子零件通過圓弧端齒連接，這種總體布局形式使得APU結(jié)構(gòu)更為簡單、緊湊。兩型系列APU均采用了單元體結(jié)構(gòu)，使得APU拆卸和更換更為方便，這也提高了外場維護(hù)性。

（2）兩型系列APU的1-0-1轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和2-0-0懸臂轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為我們?cè)O(shè)計(jì)APU轉(zhuǎn)子布局提供了思路。但從實(shí)際使用來看，隨著功率的增大，2-0-0懸臂轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)自身帶來的動(dòng)平衡和振動(dòng)問題，越來越成為該型APU發(fā)展的限制，1-0-1轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)或其他轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)將會(huì)是更優(yōu)的選擇。

（3）兩型系列APU在引氣（起動(dòng)主發(fā)、環(huán)控引氣）方式上，通過不同結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)所需的功能，兩種引氣形式各有優(yōu)缺點(diǎn)。

（4）兩型系列APU都采用了離心壓氣機(jī);環(huán)渦頭部結(jié)構(gòu)的環(huán)形回流燃燒室越來越成為APU的主流選擇;向心渦輪和軸流渦輪是輔助動(dòng)力裝置的兩種可選擇形式，可根據(jù)功率和尺寸等實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃國平，梁德旺，何志強(qiáng).大型飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置與微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2008，23（2）：383-388.

收稿日期：2020-03-09

作者簡介：廖建軍（1988—），男，江西吉安人，碩士研究生，工程師，研究方向：航空宇航推進(jìn)理論與工程。