民用飛機輔助動力裝置性能分析與選型考慮

（上海飛機設計研究院，上海 201210）

輔助動力裝置（APU）系統是大型飛機上安裝的獨立小型動力裝置系統，APU的功能主要是在地面與空中起動主發動機，為客艙供氣并為各種機載設備提供輔助電源。目前民用飛機所使用的APU的功率范圍在250~2000 hp之間，APU轉速約在35 000~60 000 r/min 范圍內[1]。

在民用飛機的APU系統設計與集成過程中，如何選擇性能匹配的APU是APU系統集成的重要內容。由于APU的類型及構造的差異，APU的性能特性也有所區別。本文對幾種典型的APU的性能特點進行分析，并對APU的性能選型方法進行了總結。

1 APU性能分析

為飛機提供高壓引氣功率和電功率是APU的主要功能，APU的性能分析一般包括：APU構造特點及熱力循環性能分析、APU引氣性能分析、APU功率提取性能分析、APU燃油經濟性分析等。

1.1 APU類型及構造特點分析

目前，用于民用飛機的典型APU構型有以下3種[2]：

（1）SSGTIB （I/B）：Single shaft gas turbine integral bleed，從動力段壓氣機引氣的單軸燃氣渦輪APU（分別有恒轉速與變轉速）。

（2）SSGTLC（L/C）：Single shaft gas turbine load compressor，帶負載壓氣機的單軸燃氣渦輪APU（分別有恒轉速與變轉速）。

（3）TSGT：Two shaft gas turbine，雙軸燃氣渦輪APU（變轉速）。

三種APU的構型示意圖如下圖1。各種APU通常采用離心式壓氣機作為動力段壓氣機或負載壓氣機，采用回流式燃燒室，通常采用軸流式渦輪。

圖1 APU的構型示意圖

1.2 APU熱力循環性能分析

APU熱力循環性能包括：APU工作循環性能、APU安裝性能[3]。

1.2.1 APU工作循環性能分析

APU工作循環性能指APU本體發動機的熱力循環性能，APU工作循環性能主要指標包括：壓氣機壓比、渦輪前溫度TIT、燃油消耗率、壓氣機與渦輪效率、燃燒室效率與壓力損失、附件功率損失等。通過性能計算，獲得典型的APU工作循環性能如圖2所示。圖中反映了APU的主要部件特性（壓氣機壓比、渦輪前溫度）與燃油消耗率、功率之間的關系。由圖可知：壓氣機壓比主要影響APU的燃油消耗率，在TIT一定的條件下，隨著壓氣機壓比的增大，燃油消耗率降低；渦輪前溫度TIT主要影響APU的功率，在壓比一定的條件下，隨著TIT的增大，APU的功率增大。

圖2 APU工作循環性能

1.2.2 APU安裝性能分析

APU在飛機上進行安裝集成后，影響其安裝性能的主要因素有：APU進排氣系統特性、APU負載特性、運行環境條件（高度、溫度、速度）等的。

（1）環境條件對APU性能的影響分析

通過對某典型的APU進行性能計算可知，對于恒物理轉速、恒定的渦輪前溫度限制值（TIT）的APU，其性能受溫度與高度的影響如圖3所示，隨著大氣溫度的降低，APU的最大輸出功率增大。這主要是由于：隨著大氣溫度的降低，壓氣機的折合轉速增加，增壓比增加，流量增加，因此APU功率增加，耗油率降低。另一方面，隨著飛行高度的增加，APU最大輸出功率降低，這主要是由于：隨著高度增加，環境壓力與溫度都降低，溫度降低的影響效應同上，環境壓力的降低導致了APU進氣流量的降低，使得APU的功率下降。

圖3環境條件對APU性能的影響

（2）進排氣系統特性對APU性能的影響

民用飛機的APU一般安裝在飛機尾錐內，APU的進氣系統通常采用帶有沖壓進氣門的結構或者無門的結構，對于帶有沖壓進氣門的APU的進氣系統能夠在飛行狀態下產生沖壓作用，提升APU性能。APU排氣系統一般影響APU的排氣損失，對性能影響較小。

圖4顯示了某APU輸出功率隨飛行高度與飛行馬赫數的變化關系。可以看出，在相同飛行高度條件下，APU功率隨飛行馬赫數的增加而增大?？梢姡瑤в袥_壓進氣門的APU的進氣系統能夠在飛行狀態下較大的提升APU性能。

圖4 APU輸出功率隨飛行高度與飛行馬赫數的變化關系

（3）APU負載特性分析

APU負載特性包含：全負載特性與部分負載特性。

（1）全負載特性

APU負載特性的表示形式因APU的類型而異。

對于從壓氣機直接引氣的APU，其負載特性是指在APU進口空氣條件不變的條件下，輸出的引氣壓力、引氣溫度隨引氣流量的變化關系。某APU計算結果如圖5所示，可以看出，APU的引氣壓力與引氣溫度隨著引氣流量的增加而降低。另外，APU的最大引氣輸出量隨著輸出軸功率的增加而降低。

圖5 從壓氣機直接引氣APU的負載特性

對于帶負載壓氣機的單軸恒轉速APU而言，負載壓氣機通常采用進口流量控制，如進口導向葉片（IGV）對引氣量進行調節。在每個IGV角度下負載壓氣機都具有獨立的性能特點，如圖6所示的某型的APU計算結果：隨IGV開度的減小，APU的引氣壓力與引氣流量降低，引氣功率降低；在某一固定的IGV開度下，隨著引氣流量的降低引氣壓力增大，即壓氣機的工作點在壓氣機的等轉速線上移動。

圖6帶負載壓氣機APU的負載特性

（2）部分負載特性

對于從壓氣機直接引氣的APU，通過調節負載控制閥（LCV）調節APU引氣量，在部分負載工作狀態時，其LCV角度關小，壓氣機的負載降低，APU的燃油消耗率降低，當LCV角度關至0度時，引氣負載為零，APU只提供電功率。

對于帶負載壓氣機的APU而言，負載壓氣機通常采用進口導向葉片（IGV）對引氣量進行調節，但是由于受壓氣機特性的限制，IGV的角度不能關閉至0度，即在空載狀態下，負載壓氣機仍具有一定的引氣量，對這部分氣體的做功屬于無用功。因此，在部分負載狀態下，特別是空載狀態下，該類APU的經濟性較差。圖7反映了典型的不同類型的APU的部分負載特性，可以看出，帶有負載壓氣機的APU的低引氣負載特性較差，低負載時EGT較高、燃油消耗率較高。

圖7 APU的部分負載特性

2 APU性能選型方法及考慮要點分析

基于上述APU的基本性能特性規律，APU的性能選型主要考慮以下幾個方面：APU引氣性能選型、APU功率提取性能選型、APU類型選型、APU經濟性選型。APU選型過程中需保證APU的各項性能指標與相關聯的系統相匹配。

2.1 APU引氣性能選型

APU引氣性能選型包括：主發起動性能匹配（MES）、環控引氣性能匹配（ECS）。

（1）主發起動性能匹配

對于采用氣起動主發動機的引氣系統，從APU引出的高壓氣體經過引氣管路和各閥門，到達空氣渦輪起動機（ATS）。主發起動性能匹配實質上是對APU、引氣管路及閥門、ATS三者之間的匹配。ATS的功率與其進口壓力與流量有關，根據ATS的性能特點，在APU與ATS的匹配過程中需考慮兩者之間的匹配要求，即APU提供的有效折合流量與ATS的折合流量相等，且APU提供的引氣壓力應滿足ATS最小進口壓力要求[4]。根據以上匹配原則，可進行APU主要引氣參數的選擇。另外，在APU與ATS匹配中，引氣管路的設計模型影響兩者之間的匹配。采用不同的引氣管路模型，將導致不同的ATS匹配流量與匹配壓力。具體的匹配方式需與環控系統對管路模型進行權衡后確定。

（2）環控引氣性能匹配

APU的環控引氣需求的主要指標有：引氣流量、引氣壓力、引氣溫度。引氣流量需滿足新鮮空氣量等的要求；引氣壓比與引氣溫度由APU的壓氣機特性決定，應考慮引氣溫度不能高于可燃液體的自燃溫度。

2.2 APU功率提取性能選型

APU功率提取主要考慮的問題是為APU驅動發電機的耗功。APU的供電功能主要考慮的指標有：供電功率與供電頻率。恒轉速APU能夠很好地保證為電源系統提供恒頻電源。因此，恒轉速APU在目前的民用飛機中應用較廣泛。功率提取量由電源的需求決定。

2.3 APU類型選型

對于前文所述的3中典型APU構型，在目前民用飛機中，直接引氣的單軸APU與帶有負載壓氣機的單軸APU應用較廣，雙軸APU由于其結構形式復雜等原因而應用較少。直接引氣的單軸APU與帶有負載壓氣機的單軸APU的性能特點如下：

（1）直接引氣的APU的特性分析

直接引氣的APU通過控制負載控制閥（LCV）調節引氣。為獲得較高的引氣壓力，引氣提取接口通常布置在壓氣機流路的下游且在燃燒室之前的位置，因此，對于確定的渦輪前溫度條件，APU的軸功率隨著引氣量的增加而降低。對此，對于引氣優先的APU，需限制軸功率的使用以避免APU超限，相反，對于軸功率優先的APU，需限制引氣的使用以避免APU超限。從壓氣機直接引氣影響了壓氣機與渦輪的匹配，導致了壓氣機與渦輪的效率降低，耗油率上升。另外，由于該類APU的結構形式簡單、部件數目少，因此其起動特性較好且APU可靠性較高。

（2）帶有負載壓氣機的APU的特性分析

帶有負載壓氣機的APU通過調節負載壓氣機的進口導向葉片（IGV）進行引氣調節。相比而言，對于帶有負載壓氣機的APU，其動力段的壓氣機與渦輪能夠得到較好的匹配，其耗油率較低。其負載壓氣機的引氣特性也能夠通過調節IGV而與飛機用氣系統進行優化匹配。由于該類APU帶有負載壓氣機，其結構形式相對復雜、部件數目較多，因此APU可靠性較相對降低。

2.4 APU經濟性選型

根據APU的不同設計理念，APU的功率特性與經濟性（燃油消耗特性）有較大的差異。目前，在經濟性方面，APU的設計理念主要有兩種：保證最小燃油消耗率的APU、保證最大功率密度的APU。

保證最小燃油消耗率的APU在設計過程中，重點考慮提高APU的效率，而其重量與尺寸通常較大；保證最大功率密度的APU在設計過程中，重點考慮提高APU的“功率與重量的比值”，其重量尺寸較小，而其燃油消耗率較高。在APU系統集成與選型過程中應權衡考慮功率需求與重量的影響。

3 結束語

本文分析了民用飛機APU性能特性與性能選型考慮，強調了APU性能選型應考慮APU自身特性及相關聯系統的匹配影響，總結了典型APU的性能特點和APU的性能選型考慮要點，為民用飛機輔助動力裝置系統設計與集成提供參考。

[1]《飛機設計手冊》總編委會．動力裝置系統設計[M]．北京：航空工業出版社，2006．

[2]Rodgers.C.The performance of single-shaft gas turbine load compressor auxiliary power units[J].AIAA-83-1159，1983.

[3]尚 義.航空燃氣渦輪發動機[M].北京：航空工業出版社，2008.

[4]王新月，卿熊杰，劉曉偉.某型飛機發動機起動供氣系統匹配及性能模擬[J].西北工業大學學報，2006，24（3）：295-298.