民用飛機輔助動力裝置燃油結(jié)冰驗證方法研究

李潔　馬文孝

【摘 要】輔助動力裝置（APU）是飛機的輔助動力源。飛機在極端氣候環(huán)境中飛行時，低溫會使燃油中產(chǎn)生游離水甚至結(jié)冰，使流向APU的燃油流速變慢或停止，導(dǎo)致APU無法正常工作，從而對飛行安全性造成危害。本文分析了APU燃油結(jié)冰相關(guān)適航條款的要求，基于APU燃油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征提出了一種試驗和分析結(jié)合的燃油結(jié)冰驗證方法。

【關(guān)鍵詞】輔助動力裝置；燃油結(jié)冰；適航驗證

【Abstract】APU is an auxiliary power supply of aircraft. During airplane flying in the extreme conditions， the low temperature may lead free water or ice forming in the fuel， which may cause reducing or stopping of fuel flow to APU， resulting APU cannot operate normally， finally cause harmful effect on flight safety. This paper analyzed related airworthiness standard and proposed a method combined both test and analysis for APU fuel icing qualification based on the configuration characteristic of APU fuel system.

【Key words】Auxiliary Power Unit， Fuel icing， Airworthiness qualification

0 引言

輔助動力裝置（Auxiliary Power Unit， 簡稱APU）是一臺小型燃?xì)鉁u輪發(fā)動機。作為飛機的輔助動力源，它的主要功能是為發(fā)動起起動和環(huán)控系統(tǒng)供氣，并為各類機載設(shè)備提供電力。[1-2]APU的燃油系統(tǒng)能夠為APU本體輸送燃油，它主要由三大部件組成：燃油控制單元（FCU）、流量分配器和噴油嘴，其主要系統(tǒng)架構(gòu)參見圖1所示。

高空飛行時的低溫對APU燃油系統(tǒng)和部件會產(chǎn)生有害影響。低溫使燃油中產(chǎn)生游離水（燃油溫度降低，使溶解在燃油中的水達(dá)到飽和并析出變成游離水）甚至結(jié)冰，從而可能阻塞閥、泵、過濾器和濾網(wǎng)，甚至可能引起部件或系統(tǒng)故障，使流向APU的燃油流速變慢或停止，進(jìn)而使燃油系統(tǒng)失效而無法給APU正常供油，導(dǎo)致APU燃燒室熄火，從而對飛行安全性造成危害。

由于結(jié)冰的自然特性，燃油結(jié)冰問題很難確定和分析。本文分析了APU燃油結(jié)冰相關(guān)適航條款的要求，基于APU燃油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征提出了一種試驗和分析結(jié)合的燃油結(jié)冰驗證方法。

1 APU燃油結(jié)冰驗證方法研究

1.1 APU燃油結(jié)冰相關(guān)適航條款要求及分析

CCAR25.952（a）要求：“必須用分析和適航當(dāng)局認(rèn)為必要的試驗表明燃油系統(tǒng)在各種可能的運行條件下功能正常。如果需要進(jìn)行試驗，則試驗時必須使用飛機燃油系統(tǒng)或能復(fù)現(xiàn)燃油系統(tǒng)被試部分工作特性的試驗件?！?/p>

CCAR25.951（c）要求：“用于渦輪發(fā)動機的燃油系統(tǒng)在使用下述狀態(tài)的燃油時，必須能在其整個流量和壓力范圍內(nèi)持續(xù)工作：燃油先在27℃（80℉）時用水飽和，并且每10升燃油含有所添加的2毫升游離水（每1美加侖含0.75毫升），然后冷卻到在運行中可能遇到的最臨界結(jié)冰條件。”[3]

為了確保飛機安全性，燃油系統(tǒng)必須在整個飛行包線內(nèi)可能遇到的最臨界結(jié)冰條件下滿足發(fā)動機的流量和壓力要求。為驗證這一點，應(yīng)該先使燃油在27℃（80℉）時達(dá)到飽和，然后再在每10毫升燃油中添加2毫升游離水，即每1美加侖燃油中添加0.75毫升水，最后將燃油冷卻到運行時可能遇到的最臨界結(jié)冰溫度并使系統(tǒng)運行，以判斷燃油系統(tǒng)和部件在整個流量和壓力范圍內(nèi)是否能持續(xù)工作。

1.2 APU燃油結(jié)冰驗證方法

對于APU的燃油系統(tǒng)，可根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征通過試驗和分析兩種方式來進(jìn)行燃油結(jié)冰的驗證工作：

a）對燃油控制單元進(jìn)行燃油結(jié)冰試驗驗證；

b）分析燃油結(jié)冰對其他部件的影響。

1.2.1 燃油控制單元的燃油結(jié)冰試驗

APU的燃油控制單元（FCU）通常由進(jìn)口燃油濾、燃油泵、高壓燃油濾、泵釋壓閥、作動器壓力調(diào)節(jié)器、測量模塊、流量計分解器、燃油關(guān)閉螺線管、壓差調(diào)節(jié)器、溫度傳感器和流量計增壓閥等多個部件組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以通過分析方式來評估燃油結(jié)冰對其的影響，可采用試驗方法來進(jìn)行驗證。

ARP-1401對燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗的燃油配制程序和方法進(jìn)行了詳細(xì)說明。ARP-1401還對結(jié)冰試驗的溫度、試驗時間和試驗方法做了介紹。只要按照ARP-1401推薦的燃油配制方法和試驗方法進(jìn)行試驗適航當(dāng)局就認(rèn)為可以滿足要求[4]。

對于燃油控制單元（FCU），可依據(jù)相關(guān)適航條款的要求，按照ARP-1401推薦的燃油配制方法和試驗方法進(jìn)行結(jié)冰測試試驗。但試驗中仍有許多需要考慮的因素ARP-1401中并未詳細(xì)介紹，本文將對其中兩個關(guān)鍵因素進(jìn)行分析。

（1）燃油類型選擇

航空噴氣燃料有兩種基本類型：煤油燃料（如JetA、JP5等）和寬餾分燃料（如JetB、JP-4等）。CRC Report No.635， Handbook of Aviation Fuel Properties中給出了飛機燃料的水溶解性隨溫度的變化情況，如圖2所示[5]。對于這兩種類型的燃料來說，燃料溫度越低，溶液中析出的水就越多。

如表1所示，如果向在80℉（27℃）時用水飽和的JP-4中加入每1美加侖0.75毫升自由水，將混合物冷卻到-40℉ /-40℃時自由水量將為280ppmv。對于煤油燃料來說，如果向在80℉ （27℃）時用水飽和的JetA中加入每1美加侖0.75毫升自由水，將混合物冷卻到-40℉ /-40℃時自由水量將為250ppmv。由于寬餾分燃料的水溶解性比煤油燃料稍高，因此燃油結(jié)冰的最差情形為寬餾分燃料。由于寒冷條件下所有水的主要部分是初始的每1美加侖所含的0.75毫升（198ppmv）水，因此燃料種類對過濾器結(jié)冰分析的影響很小。考慮到寬餾分燃料已不再常用，現(xiàn)今常用的商用航空噴氣燃料都是煤油燃料，試驗中可采用煤油燃料Jet A。考慮到燃油中含自由水的最差情形條件為-40℉時280ppmv（-40℉是煤油燃料的最低工作溫度下限），試驗中應(yīng)向80℉（27℃）時用水飽和的JetA中加入更多的自由水（228ppmv），以達(dá)到燃油中含自由水的最差情形條件。

每一個連續(xù)運行和緊急運行測試都應(yīng)該對每一個測試溫度進(jìn)行測試，故總共要在6個溫度下進(jìn)行測試。對于連續(xù)運行測試，在28℉±2℉（-2℃±1℃）的測試持續(xù)時間占25%，在13℉±2（-11℃±1）的測試持續(xù)時間占50%，在飛行中或地面上經(jīng)歷的最低燃油溫度測試持續(xù)時間占25%。對于緊急運行情況，在每一個測試溫度內(nèi)要持續(xù)30分鐘。

為獲得運行中可能遇到的最臨界結(jié)冰條件，應(yīng)使APU在上述寒冷溫度下，保持最大ECS模式和額定的發(fā)電機負(fù)載，在使APU燃油流量最大的飛行條件下進(jìn)行測試，此時燃油中水/冰的含量達(dá)到最大。

持續(xù)測試時間應(yīng)該是設(shè)計任務(wù)時間加上空中加油時間，或持續(xù)測試時間大于3小時。

2.2.2 燃油結(jié)冰對其它部件的影響分析

依據(jù)Maxwell Smith的《Aviation Fuel》，當(dāng)燃油的飽和溶液和水冷卻到冰點以下，燃油中會形成冰，在此種條件下，預(yù)期會有直徑范圍大約為1～5微米的冰粒均勻地在燃油的各個部分形成，并且作為獨立的顆粒懸浮著[6]。因此僅需考慮最大5微米的冰粒是否能通過燃油系統(tǒng)。

對于燃油系統(tǒng)的其他部分，可通過比較預(yù)期冰粒大?。?微米）和燃油系統(tǒng)內(nèi)存在限制（如過濾器、濾網(wǎng)等過濾元件及通道尺寸）的方式來評估燃油結(jié)冰對其的影響。

其中，過濾元件的過濾效率通過過濾精度來定義。過濾精度指通過過濾元件所能去除的顆粒的公稱尺寸。絕對過濾精度指能通過過濾元件的最大球直徑，它反映了過濾元件的最大孔徑。名義過濾精度指過濾元件能夠濾除按重量計98%的大于某一尺寸的顆粒，該尺寸即為名義過濾精度[7]。對于過濾器、濾網(wǎng)等過濾元件，應(yīng)考慮列出其絕對過濾精度和名義過濾精度，并與預(yù)期冰粒大小進(jìn)行比較。

下文以131-9[B]的燃油系統(tǒng)部件為例進(jìn)行分析。

燃油流量分配器：燃油從燃油控制裝置流到燃油分配器，包含了一個名義過濾精度40微米，絕對過濾精度60微米的濾網(wǎng)，最小通道尺寸228微米，因此冰?？烧Ｍㄟ^。

燃油噴嘴：包含一個名義過濾精度73微米的濾網(wǎng)，最小通道尺寸178微米，因此冰?？烧Ｍㄟ^。

聯(lián)接管道或軟管：作為燃油輸送系統(tǒng)的剩余部分，管道和軟管聯(lián)接了三個主要部件，它們的內(nèi)部通道遠(yuǎn)大于表2中列出的，因此冰粒可正常通過。

綜上，燃油系統(tǒng)內(nèi)的過濾器、濾網(wǎng)等過濾元件及通道的尺寸均大于預(yù)期冰粒大小，燃油結(jié)冰不會對這些部分造成影響。

2 結(jié)論

本文分析了APU燃油結(jié)冰相關(guān)適航條款的要求，基于APU燃油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征提出了一種試驗和分析結(jié)合的燃油結(jié)冰驗證方法：

1）對于燃油控制單元（FCU），按照ARP-1401B推薦的燃油配制方法和試驗方法進(jìn)行結(jié)冰測試試驗，試驗中應(yīng)選擇煤油燃料Jet A，并向80℉ （27℃）時用水飽和的JetA中加入更多的自由水（228ppmv）以達(dá)到燃油中含自由水的最差情形條件。

2）對于燃油系統(tǒng)的其他部分，可通過比較預(yù)期冰粒大小（5微米）和燃油系統(tǒng)內(nèi)存在限制（如過濾器、濾網(wǎng)等過濾元件及通道尺寸）的方式來評估燃油結(jié)冰對其的影響。

【參考文獻(xiàn)】

[1]《航空發(fā)動機設(shè)計手冊》編委會.輔助動力裝置及動力機[M].北京：航空工業(yè)出版社，2007.

[2]金中平.輔助動力裝置及其標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展綜述[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，1998（4）：19-22.

[3]中國民用航空局.CCAR-25中國民用航空規(guī)章第25部：運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國民用航空局，2011.

[4]SAE-ARP-1401.Aircraft Fuel System and Component Icing Test[S].

[5]Coordinating Research Council. Handbook of Aviation Fuel Properties， CRC Report No.635， 3rd Edition[R].2004.

[6]Maxwell Smith.. Aviation Fuels [M].Foulis，1970.

[7]胡聲林.過濾精度定義存在的若干問題探討[J].液壓與氣動，1992（4）：51-54.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]