某型運(yùn)輸機(jī)APU進(jìn)氣道優(yōu)化設(shè)計(jì)及安全性分析

郭朝翔，田曉平

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西?西安?710089）

輔助動(dòng)力裝置（Auxiliary Power Unit）簡(jiǎn)稱APU，是為了減少飛機(jī)對(duì)地面（機(jī)場(chǎng)）供電或供氣設(shè)備的依賴而裝備的小型動(dòng)力裝置。APU的作用是向飛機(jī)獨(dú)立提供電力和壓縮空氣。例如客機(jī)，在飛機(jī)起飛前，APU供電或氣起動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)，使飛機(jī)不需要依靠地面電源、氣源車來(lái)起動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)。起飛時(shí)，APU可供客艙、駕駛艙照明和空調(diào)，使主發(fā)動(dòng)機(jī)用于飛機(jī)加速、爬升，改善起飛性能。著陸后，仍由APU向飛機(jī)上供應(yīng)電力照明和空調(diào)，主發(fā)動(dòng)機(jī)停車，節(jié)省燃料和降低機(jī)場(chǎng)噪聲。

APU的進(jìn)氣系統(tǒng)是保證APU在其工作包線范圍內(nèi)正常工作不可缺少的系統(tǒng)之一，其主要功能是在APU整個(gè)工作包線范圍內(nèi)為APU提供滿足各種工作條件所需的空氣流量以及高品質(zhì)的流場(chǎng)[1-5]。進(jìn)氣系統(tǒng)的原理是通過(guò)APU核心壓氣機(jī)和載荷壓氣機(jī)抽吸作用為APU提供所需空氣。

1??APU 進(jìn)氣道出口參數(shù)計(jì)算

1.1??APU 進(jìn)氣系統(tǒng)的流量計(jì)算

APU進(jìn)氣系統(tǒng)的流量計(jì)算公式如下[6-8]：

式（1）和式（2）中：Qi為每個(gè)測(cè)點(diǎn)所測(cè)小區(qū)域的流量；為進(jìn)氣道出口截面處各測(cè)點(diǎn)的總壓；為進(jìn)氣道出口截面處各測(cè)點(diǎn)的總溫；Ai為進(jìn)氣道出口截面處各測(cè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的面積；λi為進(jìn)氣道出口截面處各測(cè)點(diǎn)的速度因素；K和k為氣體常數(shù)，K=0.0404，k=1.4。

1.2??APU 進(jìn)氣系統(tǒng)出口的壓力畸變系數(shù)

APU進(jìn)氣系統(tǒng)出口的壓力畸變系數(shù)DC定義如下：

2??優(yōu)化前的 APU 進(jìn)氣道

在某型運(yùn)輸機(jī)APU進(jìn)氣系統(tǒng)試飛階段發(fā)現(xiàn)，該進(jìn)氣系統(tǒng)出口的壓力畸變較大，且進(jìn)氣流量不滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，因此針對(duì)該問(wèn)題，需要對(duì)原有的進(jìn)氣道進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，以滿足APU系統(tǒng)對(duì)進(jìn)氣道的要求。優(yōu)化前的APU進(jìn)氣道如圖1所示。

圖1 優(yōu)化前APU進(jìn)氣道

2.1??數(shù)值模擬

本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法，研究了該進(jìn)氣道內(nèi)部的流動(dòng)特性。APU進(jìn)氣系統(tǒng)性能計(jì)算模型建模時(shí)，綜合考慮APU集氣室結(jié)構(gòu)、機(jī)身外型面、起落架整流罩外型面以及地面對(duì)APU進(jìn)氣系統(tǒng)性能計(jì)算的影響。APU進(jìn)氣系統(tǒng)性能計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 APU進(jìn)氣系統(tǒng)地面性能計(jì)算模型

2.2??網(wǎng)格劃分

本文采用結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)APU進(jìn)氣系統(tǒng)地面性能計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)壓力梯度較大區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密。APU進(jìn)氣系統(tǒng)地面性能計(jì)算模型的網(wǎng)格總數(shù)量約為420萬(wàn)，其中結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)量約為279萬(wàn)。外場(chǎng)模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖3，進(jìn)氣系統(tǒng)模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖4。

圖3 外場(chǎng)模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖4 進(jìn)氣道模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.3??邊界條件設(shè)置

核心壓氣機(jī)進(jìn)氣口采用壓力出口邊界條件，外場(chǎng)模型中，地面、起落架整流罩外型面和機(jī)身外型面采用無(wú)滑移壁面邊界條件，外場(chǎng)模型其余表面均采用壓力進(jìn)口邊界條件，外場(chǎng)模型的邊界條件如圖5所示。

圖5 外場(chǎng)模型的邊界條件

2.4??計(jì)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)APU進(jìn)氣系統(tǒng)的數(shù)值仿真，同時(shí)得到APU進(jìn)氣道出口流場(chǎng)圖譜，如圖6～圖9所示，得到了APU進(jìn)氣道出口參數(shù)，如表1所示。

圖6 進(jìn)氣道對(duì)稱面馬赫數(shù)云圖

圖7 進(jìn)氣道對(duì)稱面總壓云圖

圖8 進(jìn)氣道出口馬赫數(shù)云圖

圖9 進(jìn)氣道出口總壓云圖

表1 優(yōu)化前的進(jìn)氣道數(shù)值模擬結(jié)果

從圖6和圖7可以看出，進(jìn)氣道中氣流經(jīng)過(guò)彎道，出口靠近彎道一側(cè)出現(xiàn)了較大的流動(dòng)分離；從圖8和圖9可以看出，進(jìn)氣道出口的氣流分布很不均勻，也是在出口靠近彎道一側(cè)呈現(xiàn)明顯的高低壓區(qū)；從表1可以看出，該進(jìn)氣道出口流量為9.915kg/s（設(shè)計(jì)要求為10kg/s），同時(shí)進(jìn)氣道出口的總壓畸變較大，達(dá)到了10.2%。

3??優(yōu)化后的 APU 進(jìn)氣道

3.1??優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)以上問(wèn)題，為了使進(jìn)氣道出口氣流達(dá)到設(shè)計(jì)要求，課題組針對(duì)該進(jìn)氣道特點(diǎn)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化的方法是在進(jìn)氣道出口的氣流轉(zhuǎn)彎處增加了兩個(gè)導(dǎo)向葉片，優(yōu)化后的模型見圖10。

圖10 優(yōu)化后的進(jìn)氣道模型

3.2??優(yōu)化后的數(shù)值模擬

通過(guò)對(duì)APU進(jìn)氣系統(tǒng)的數(shù)值仿真，同時(shí)得到APU進(jìn)氣道出口流場(chǎng)圖譜，如圖11～圖14所示，得到了APU進(jìn)氣道出口參數(shù)，如表2所示。

圖11 進(jìn)氣道對(duì)稱面馬赫數(shù)云圖

圖12 進(jìn)氣道對(duì)稱面總壓云圖

圖13 進(jìn)氣道出口馬赫數(shù)云圖

圖14 進(jìn)氣道出口總壓云圖

表2 優(yōu)化前后的進(jìn)氣道數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

對(duì)比對(duì)稱面的馬赫數(shù)和總壓云圖可以看到，優(yōu)化后的進(jìn)氣道在轉(zhuǎn)彎處的流動(dòng)分離明顯減小甚至消失；對(duì)比進(jìn)氣道出口的馬赫數(shù)和總壓云圖可以看到，優(yōu)化后的進(jìn)氣道出口的高馬赫數(shù)和高壓區(qū)域面積明顯增加；從表2的對(duì)比中可以看出，由于流動(dòng)分離的大幅減小，氣流在進(jìn)氣道出口的平均馬赫數(shù)、平均總壓和氣流流量明顯增加，尤其是總壓畸變指數(shù)下降了大約40%。由此可以看出，優(yōu)化后的進(jìn)氣道極大地改善了流場(chǎng)品質(zhì)，為進(jìn)氣道后壓氣機(jī)提供了良好的工作環(huán)境。

4??安全性分析

為了保證進(jìn)氣道增加導(dǎo)向葉片的設(shè)計(jì)改進(jìn)符合CCAR/FAR/CS 25.1309條款的要求，本文針對(duì)改進(jìn)后的設(shè)計(jì)進(jìn)行了功能危險(xiǎn)性評(píng)估（FHA），識(shí)別出以下改裝設(shè)計(jì)失效模式：（1）加裝導(dǎo)向葉片后，進(jìn)氣道在進(jìn)氣角度的影響下出現(xiàn)嚴(yán)重氣流分離，影響APU的正常工作；（2）導(dǎo)向葉片因選材和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題，發(fā)生結(jié)構(gòu)斷裂，脫落后可能打傷APU葉柵及其它重要部附件；（3）導(dǎo)向葉片在一定大氣環(huán)境下表面結(jié)冰，影響進(jìn)氣流場(chǎng)通暢，并存在冰層脫落打傷APU轉(zhuǎn)子葉片的可能。針對(duì)以上失效模式，建立了系統(tǒng)級(jí)安全性評(píng)估表（見表3），詳細(xì)分析了APU進(jìn)氣道功能失效和安全影響。

經(jīng)安全性分析，設(shè)計(jì)優(yōu)化后的APU進(jìn)氣道及導(dǎo)向葉片，在飛行各個(gè)階段都能滿足適航標(biāo)準(zhǔn)的要求，其妨礙飛機(jī)繼續(xù)安全飛行與著陸的失效情況概率很小，對(duì)機(jī)組和乘員的安全影響概率極小并可控，滿足設(shè)計(jì)安全性要求。

5??結(jié)論

本文從實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題著手，根據(jù)該型進(jìn)氣道的特點(diǎn)，利用數(shù)值模擬的方法，研究了原有進(jìn)氣道的流動(dòng)特征，找出了問(wèn)題的關(guān)鍵，針對(duì)性提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。通過(guò)對(duì)比優(yōu)化設(shè)計(jì)前后進(jìn)氣道內(nèi)部和出口的流場(chǎng)，以及進(jìn)氣道出口氣動(dòng)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的進(jìn)氣道流動(dòng)效率更高，能為進(jìn)氣道后的壓氣機(jī)提供更好的流場(chǎng)品質(zhì)，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。同時(shí)，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了安全性分析，分析結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)符合相關(guān)適航標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 某型運(yùn)輸機(jī)APU進(jìn)氣道加裝導(dǎo)向葉片安全性評(píng)估表