李春 史鑫垚

摘 要：空中起動(dòng)能力和成功率是飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置的重要指標(biāo)，是飛機(jī)安全性的重要保證，也是輔助動(dòng)力裝置研制的難點(diǎn)。某型輔助動(dòng)力裝置在試飛過(guò)程中遇到了空中起動(dòng)不成功的問(wèn)題，本文分析了空中起動(dòng)不成功的原因，通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，采取有效措施，解決了該型輔助動(dòng)力裝置的空中起動(dòng)難題。

關(guān)鍵詞：輔助動(dòng)力;空中起動(dòng);風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速

中圖分類(lèi)號(hào)：V228 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）08-0083-02

輔助動(dòng)力裝置（APU）是飛機(jī)的關(guān)鍵機(jī)載設(shè)備，為飛機(jī)的主發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和環(huán)控系統(tǒng)提供氣源，同時(shí)可以給飛機(jī)供電。輔助動(dòng)力裝置的引氣和供電功能極大的提升了飛機(jī)性能，使其具有更高的安全性、舒適性和自主保障能力?？紤]到燃油經(jīng)濟(jì)性，在正常飛行中APU一般處于關(guān)停狀態(tài)，因此要求輔助動(dòng)力裝置具有隨時(shí)起動(dòng)的能力，起動(dòng)包線覆蓋飛機(jī)全包線[1]。

本文通過(guò)對(duì)某型輔助動(dòng)力裝置高空起動(dòng)問(wèn)題的分析和驗(yàn)證，找到了影響APU空中起動(dòng)的主要原因，提供了多種提高輔助動(dòng)力裝置空中起動(dòng)能力的措施，實(shí)現(xiàn)了該型輔助動(dòng)力裝置全包線范圍內(nèi)的空中起動(dòng)。希望對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及APU的空中起動(dòng)提供一定的參考。

1 試飛情況統(tǒng)計(jì)

在2014年10月至2017年9月的3年時(shí)間里，該APU共進(jìn)行4km以上的空中起動(dòng)70次，其中起動(dòng)失敗22次（再起動(dòng)失敗11次、冷浸起動(dòng)失敗11次），分析后可整理歸納如下：（1）再起動(dòng)失敗都發(fā)生在8km以上、飛行馬赫數(shù)都在0.65以上;（2）有7次再起動(dòng)失敗是由于起動(dòng)前的風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速超過(guò)20%（最高達(dá)到29.5%），ECB拒絕起動(dòng)。分別是8km、0.79Ma出現(xiàn)4次，8km、0.71Ma出現(xiàn)1次，10km、0.79Ma出現(xiàn)1次，12km、0.79Ma出現(xiàn)1次;（3）有2次再起動(dòng)失敗是因?yàn)槲袋c(diǎn)著火。表現(xiàn)為12km，風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速17%，起動(dòng)時(shí)電機(jī)帶轉(zhuǎn)正常，供油正常，但排氣溫度一直處于下降趨勢(shì)，說(shuō)明未能點(diǎn)著火導(dǎo)致起動(dòng)失敗;（4）有2次再起動(dòng)失敗是因?yàn)辄c(diǎn)著火后被吹熄。變現(xiàn)為12km，風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速12.2%，起動(dòng)時(shí)電機(jī)帶轉(zhuǎn)正常，供油正常，排氣溫度升高后又下降，說(shuō)明點(diǎn)著火后又熄火導(dǎo)致起動(dòng)失敗;（5）有10次成功起動(dòng)的過(guò)程中曾發(fā)生短暫熄火。表現(xiàn)為10km，風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速14%，起動(dòng)的過(guò)程中先點(diǎn)著火但是又熄掉，然后再次點(diǎn)著并起動(dòng)成功。已經(jīng)表現(xiàn)出來(lái)可能熄火導(dǎo)致起動(dòng)失敗的跡象;（6）11次冷浸起動(dòng)失敗全部表現(xiàn)為未點(diǎn)著火。

2風(fēng)車(chē)特性研究

該APU安裝在飛機(jī)起落架艙，進(jìn)氣口超前。在對(duì)試飛數(shù)據(jù)的分析時(shí)發(fā)現(xiàn)該APU的風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速普遍偏大（相對(duì)于安裝在飛機(jī)尾部收斂段的相似構(gòu)型APU），為了進(jìn)一步分析安裝位置及進(jìn)氣方式對(duì)空中起動(dòng)的影響，了解各飛行狀態(tài)下實(shí)際風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速大小，為后續(xù)分析提供依據(jù)，開(kāi)展了實(shí)際飛行條件下APU風(fēng)車(chē)特性研究。

2.1 開(kāi)進(jìn)氣門(mén)條件下的風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速

在APU不工作的條件下，進(jìn)行了開(kāi)著進(jìn)氣門(mén)的風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，根據(jù)飛行結(jié)果擬合出來(lái)的風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速隨飛行馬赫數(shù)的關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。從圖中可以看出，在相同的馬赫數(shù)條件下，飛行高度越高，風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速越小。但從實(shí)際裝機(jī)效果來(lái)看，風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速最大的條件是出現(xiàn)在8km、0.79Ma（最大平飛速度），風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速到達(dá)24.5%。

需說(shuō)明的是，風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速的大小不僅與飛行高度、馬赫數(shù)相關(guān)，另一個(gè)重要的影響因素是滑油溫度，滑油溫度越低，粘性系數(shù)越大，轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻力會(huì)大大增強(qiáng)，會(huì)降低風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速甚至使風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速為零。在高空模擬條件下進(jìn)行了APU恒高度、恒進(jìn)口馬赫數(shù)的風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，得到該條件下滑油溫度對(duì)風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速的影響曲線，見(jiàn)圖2。

2.2 關(guān)閉進(jìn)氣門(mén)條件下的風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速

在分析空中起動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)還發(fā)現(xiàn)在進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉的條件下，APU仍有一定的風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速。因此，特意進(jìn)行了一次進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉條件下的風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速測(cè)量飛行，結(jié)果表明在進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉的條件下，最大風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速達(dá)到16%，見(jiàn)圖3。

3 起動(dòng)失敗機(jī)理分析

該型輔助動(dòng)力裝置在首飛前的高空模擬試驗(yàn)中已經(jīng)驗(yàn)證具備在12km高度范圍內(nèi)、靜止條件下起動(dòng)的能力，飛行試驗(yàn)與高空模擬的差異僅在于風(fēng)車(chē)效應(yīng)，因此針對(duì)風(fēng)車(chē)效應(yīng)對(duì)空中起動(dòng)的影響機(jī)理展開(kāi)研究。靜止條件下起動(dòng)時(shí)，點(diǎn)火前壓氣機(jī)是由起動(dòng)電機(jī)帶轉(zhuǎn)，吸入外界空氣并進(jìn)行增壓的;風(fēng)車(chē)條件下起動(dòng)時(shí)，壓氣機(jī)是由迎面來(lái)流空氣吹動(dòng)的，此時(shí)壓氣機(jī)相當(dāng)于“渦輪”，不僅不能夠?qū)?lái)流增壓，反而起到降壓的效果。在壓氣機(jī)特性圖上，相同的折合轉(zhuǎn)速條件下，風(fēng)車(chē)狀態(tài)的壓比不僅低于無(wú)風(fēng)車(chē)狀態(tài)，同時(shí)還在很大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)低于1，與此同時(shí)風(fēng)車(chē)條件下的空氣流量則遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無(wú)風(fēng)車(chē)條件，可想而知，風(fēng)車(chē)條件下燃燒室內(nèi)的氣流速度將遠(yuǎn)大于無(wú)風(fēng)車(chē)條件，很容易將火焰吹熄，這就是風(fēng)車(chē)效應(yīng)影響空中起動(dòng)成功率的根源，也是APU限制空中起動(dòng)前風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速的根本原因。

為弄清風(fēng)車(chē)條件下和電機(jī)帶轉(zhuǎn)條件下的具體差異，進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。從試驗(yàn)中得出以下基本結(jié)論：（1）在相同換算轉(zhuǎn)速下（17.7%），風(fēng)車(chē)條件下的壓氣機(jī)后壓力是進(jìn)口壓力的0.87倍，帶轉(zhuǎn)條件下的壓氣機(jī)后壓力是進(jìn)口壓力的1.07倍;（2）在相同換算轉(zhuǎn)速下（17.7%），風(fēng)車(chē)條件下的空氣流量是帶轉(zhuǎn)條件下的2.38倍;由此可推算出，該風(fēng)車(chē)條件下的壓氣機(jī)出口氣流速度是電機(jī)帶轉(zhuǎn)條件下的1.9倍左右，如果此時(shí)點(diǎn)火將很容易被吹熄。

4 技術(shù)攻關(guān)措施

為了解決APU空中起動(dòng)不成功的問(wèn)題，與飛機(jī)研制單位共同制定了攻關(guān)思路，從以下三個(gè)方面同步進(jìn)行。

4.1 降低風(fēng)車(chē)效應(yīng)

分析了進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉條件下風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速的來(lái)源。引起風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速高的原因主要是：APU排氣口在起落架艙中后部，從進(jìn)氣口到排氣口的起落架艙為外凸弧面過(guò)渡，在飛行中表面氣流速度是加速的，因此排氣口處?kù)o壓低，引射效果較明顯，導(dǎo)致進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉條件下風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速高。

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，縮短飛機(jī)上伸出機(jī)體表面的排氣管長(zhǎng)度可降低風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速，從試飛數(shù)據(jù)來(lái)看，縮短排氣管50mm后的風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速下降約4個(gè)百分點(diǎn)。

4.2 適應(yīng)風(fēng)車(chē)效應(yīng)

由于安裝條件的限制，APU在空中將不可避免的存在較高的風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速。為了適應(yīng)風(fēng)車(chē)效應(yīng)，APU開(kāi)展了滑油系統(tǒng)供油、軸承發(fā)熱及軸向載荷分析;進(jìn)行了2套主軸承50h風(fēng)車(chē)模擬試驗(yàn)（分別為6%和12%風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速）[2];并完成了整機(jī)50h高空臺(tái)風(fēng)車(chē)試驗(yàn)。通過(guò)以上方法驗(yàn)證了APU具備承受長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)車(chē)效應(yīng)的能力。在此基礎(chǔ)上，采取了以下改進(jìn)措施來(lái)提高APU在高風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速下的起動(dòng)能力：（1）優(yōu)化空中起動(dòng)操作程序。前期的空中起動(dòng)程序規(guī)定飛行員在按壓主開(kāi)關(guān)上電后待控制器自檢完成，且收到進(jìn)氣門(mén)打開(kāi)信號(hào)后才按壓起動(dòng)按鈕，如果沒(méi)能第一時(shí)間按壓起動(dòng)按鈕，此時(shí)APU已經(jīng)在進(jìn)氣門(mén)打開(kāi)的條件下持續(xù)了一段時(shí)間，風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速持續(xù)上升。為避免人為延時(shí)，將空中起動(dòng)操作程序改為按壓主開(kāi)關(guān)后3s立即按壓起動(dòng)按鈕（此時(shí)APU不進(jìn)行起動(dòng)，而是等到收到進(jìn)氣門(mén)打開(kāi)信號(hào)后立即自動(dòng)起動(dòng)）。（2）調(diào)整起動(dòng)控制邏輯。將風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速限制值調(diào)整到25%，防止出現(xiàn)由于風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)速大而拒絕起動(dòng)的情況;調(diào)整空中起動(dòng)等待時(shí)機(jī)，如將APU初始起動(dòng)時(shí)大于7%轉(zhuǎn)速則等待59s調(diào)整為大于25%則等待59s，以保證迅速起動(dòng);調(diào)整空中起動(dòng)供油時(shí)機(jī)，通過(guò)調(diào)整P2壓力、排氣溫度與滑油溫度設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志的判據(jù)，將供油時(shí)機(jī)由40%轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速大于7%持續(xù)20s提前至7%～10%轉(zhuǎn)速，有利于空中起動(dòng)。

4.3 增強(qiáng)起動(dòng)能力

高空起動(dòng)時(shí)由于低溫低壓環(huán)境的影響，蓄電池的供電能力會(huì)較地面有所下降，不能滿足APU高空起動(dòng)供電電源需求，因此在空中起動(dòng)時(shí)，改為由變壓整流器供電。

另外該APU的空中起動(dòng)失敗都是因?yàn)辄c(diǎn)不著火或點(diǎn)著火后被吹熄，如果增加點(diǎn)火能量則能夠提高點(diǎn)火的成功率。因此在滿足點(diǎn)火裝置本身功能、性能和裝機(jī)使用要求的前提下，將點(diǎn)火能量增加1.8倍，點(diǎn)火性能有了明顯提升。

5 空中起動(dòng)考核驗(yàn)證

貫徹了縮短排氣管伸出機(jī)體長(zhǎng)度、優(yōu)化空中起動(dòng)程序、調(diào)整起動(dòng)控制邏輯、優(yōu)化供電電源、增大點(diǎn)火能量等措施的輔助動(dòng)力裝置重新進(jìn)行了空中起動(dòng)驗(yàn)證試驗(yàn)。

2018年底，APU在12km高度，0.79Ma和0.74Ma條件下兩次冷浸起動(dòng)成功，順利完成冷浸起動(dòng)的考核;2019年初，完成所有再起動(dòng)考核點(diǎn)條件下的連續(xù)三次起動(dòng)成功，該型輔助動(dòng)力裝置空中起動(dòng)攻關(guān)勝利結(jié)束。

6 結(jié)論

輔助動(dòng)力裝置的空中起動(dòng)能力是其重要的性能和安全性指標(biāo)，也是設(shè)計(jì)難點(diǎn)，通過(guò)某型APU空中起動(dòng)技術(shù)研究，分析了空中起動(dòng)困難的原因，制定了有效的措施，最終獲得了成功。也為今后發(fā)動(dòng)機(jī)及APU的研制提供了參考。

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