一種民用飛機APU進氣風門作動器的選型方法

馬文孝　劉林

【摘 要】APU進氣風門作動器的選擇正確與否，直接關系到作動器能否在各種工況下打開、關閉APU進氣風門，甚至影響整個飛機的正常運營。從APU進氣風門氣動力矩和破冰力矩的角度出發，分別給出兩種不同的作動器選型標準，對比分析這兩種標準，給出了APU進氣風門作動器的初步選型方法。

【關鍵詞】風門作動器 氣動力矩；破冰力矩；選型方法

【Abstract】Whether the APU inlet duct actuator is chosen correctly or not is directly related to whether the actuator can open or close inlet door under various operating conditions， and could even affect the normal operations of the aircraft. This research proposes two selection criteria for inlet duct actuator based on APU inlet door aerodynamic torque and ice breakout torque respectively， and then proposes a preliminary method of selection for inlet duct actuator according to the analysis result of the two selection criteria.

【Key words】Inlet duct actuator； Aerodynamic torque， Ice breakout torque； Method of selection

輔助動力裝置（Auxiliary Power Unit，簡稱APU）是飛機的輔助動力源，其核心單元是一臺小型離心式渦輪發動機。APU 的主要職責是在地面和空中起動主發、為環控系統供氣，并為各類機載設備提供電力[1-2]。對于民用運輸類飛機，APU系統通常安裝在位于飛機尾椎的APU艙內，其進氣功能是通過進氣風門作動器（Inlet Duct Actuator，簡稱IDA）打開進氣風門來實現。因此，所選擇的IDA能否實現在不同工況下打開和關閉APU進氣風門是APU系統能否正常工作的前提條件。IDA能否正常打開、關閉APU風門以及使風門在某一位置保持一般受風門氣動力矩要求和破冰力矩要求的影響，綜合這兩個要求可以初步給出IDA的選型依據。

1 APU進氣風門氣動力矩計算方法

本研究只考慮飛機飛行的情況，對于在停機坪上的情況，就APU進氣風門氣動力矩而言不會大于飛行的情況。

該民用飛機APU風門作動器與風門之間的連接機構是如圖3所示的四連桿機構，其中作動器作動桿的運行角度范圍是0～120°，風門的運行角度范圍是0～40°。

在對該民用飛機進行空起工程試飛試驗過程中，發現APU進氣風門在某一臨界角度狀態不能關閉，此時作動器作用在風門上的運行力矩應與風門受到的氣動力矩相同。從表4可以發現通過上述方法計算得到的風門氣動力矩計算值大于風門所受到的實際力矩值。

該試驗中所使用的風門作動器的保持力矩為400lb.in，運行力矩為825lb.in。

在另一次空起試飛試驗過程中，發現APU風門未能在20°時保持住，即此時氣動力大于作動器（保持力矩為400lb.in）作用到風門上保持力矩，見下表5。可以看出計算結果符合實際情況。

1.5 根據風門氣動力矩選取風門作動器

一般民用飛機APU風門的控制邏輯是在某一特定角度風門可以保持住，在風門運行的全過程中風門可以正常打開和關閉。因此根據風門氣動力矩選取風門作動器的指標應該為：在該特定角度，作動器作用于風門上的保持力矩大于等于氣動力矩，作動器作用于風門上的運行力矩大于等于氣動力矩。對于本實例中的該型民用飛機，經研究表明只需滿足作動器作用于風門上的運行力矩大于等于氣動力矩即可，通常會留有一定余量。

下圖4給出了該民用飛機在飛行高度15Kft，飛行馬赫數0.68的冷天（海平面溫度為-40℃）的飛行條件下，APU進氣風門從0°勻速開啟到40°的過程中，不同作動器作用到風門上的運行力矩計算值曲線圖，這些不同作動器的自身運行力矩值不同。圖4同時給出了15°-40°范圍內，APU進氣風門所受到的最大氣動力矩計算值曲線。

根據圖4可以得出，該型飛機的APU風門作動器的運行力矩應選1300lb.in。

2 APU進氣風門破冰力矩計算方法及根據破冰力矩選取作動器

APU風門作動器的選型過程必須要考慮作動器運行時施加在風門上的作動力矩能夠有能力破除凍結在風門四周邊緣的冰。

風門破冰力矩的計算模型如圖5所示。假設APU進氣風門為平直矩形，其中，a為風門寬度，b為風門沿航向的長度，c為風門轉軸到近邊的距離。

以第1節的民用飛機構型為實例進行風門破冰力矩的計算方法說明。則a=328mm=12.92in，b=365mm=14.381in，c=47mm=1.85in。

假設：冰的厚度為T=0.25in，冰的剪切力為σ=50lb/in2。

3 總結

民用飛機APU風門作動器的基本性能要求是飛行包線內任何工況下都既能克服作用在風門上的氣動力矩，又能破除0角度時風門四周的結冰。從分析給定民用飛機構型APU風門的氣動力矩和在0角度時的破冰力矩的角度出發，分別給出了APU風門氣動力矩和破冰力矩的計算方法，并分別以這兩種計算方法給出了相應的風門作動器選型的力矩要求，綜合比較這兩種力矩要求的嚴苛程度，初步給出了APU風門作動器的基本性能選型要求：如果根據破冰力矩得出的作動器力矩要求值大于據氣動力矩得出的作動器力矩要求值，則應根據破冰力矩指標來選取作動器；否則，相反。

【參考文獻】

[1]《航空發動機設計手冊》編委會.輔助動力裝置及動力機[M].北京：航空工業出版社，2007.

[2]金中平.輔助動力裝置及其標準發展綜述[J].航空標準化與質量，1998（4）：19-22.

[責任編輯：朱麗娜]