飛機(jī)輔助動力裝置起動電氣系統(tǒng)技術(shù)研究

王敏 中航飛機(jī)股份有限公司

一、輔助動力裝置起動原理

航空領(lǐng)域之中，飛機(jī)發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作過程決定了其性質(zhì)不能夠像汽車發(fā)動機(jī)一樣可以自主點火起動。飛機(jī)發(fā)動機(jī)在靜止的過程中不可直接進(jìn)行噴油點火，發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)不進(jìn)行自主旋轉(zhuǎn)，其前方就不能產(chǎn)生空氣壓力，燃?xì)獠荒軌蛳蚝蠓搅鲃樱瑴u輪無法旋轉(zhuǎn)，點火會導(dǎo)致渦輪葉片或是燃燒室被燒毀。所以飛機(jī)發(fā)動機(jī)的特點是需要先將氣流流動起來再進(jìn)行點火燃燒，也就是說壓氣機(jī)首先需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，之后再起動，這樣就構(gòu)成了前后矛盾。矛盾就是發(fā)動機(jī)在未起動之前，還沒有進(jìn)行點火做功，壓氣機(jī)卻需要先轉(zhuǎn)動起來，這就需要尋找其他能源來帶轉(zhuǎn)壓氣機(jī)葉片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，即需要APU 帶轉(zhuǎn)。

APU 亦是一種小型飛機(jī)發(fā)動機(jī)，由APU 起動電機(jī)即可帶轉(zhuǎn)，機(jī)上蓄電池為起動電機(jī)供電進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，而APU 達(dá)到了轉(zhuǎn)速之后就能夠噴油燃燒，此過程是將飛機(jī)燃料之中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)榱藴u輪旋轉(zhuǎn)過程中的機(jī)械能，接下來渦輪帶轉(zhuǎn)壓氣機(jī)將機(jī)械能又轉(zhuǎn)變?yōu)榱丝諝獾膲毫δ埽瑤мD(zhuǎn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，APU 進(jìn)入到了穩(wěn)定工作的階段后，即可為機(jī)上供氣、供電。APU 與飛機(jī)發(fā)動機(jī)的起動工作原理及工作過程是相似的，但二者最終的目的有著極大的區(qū)別。首先，發(fā)動機(jī)是用來產(chǎn)生推力的，APU則是用來為飛機(jī)的供電系統(tǒng)提供交直流電源、為起動發(fā)動機(jī)和環(huán)控系統(tǒng)提供氣源，相當(dāng)于飛機(jī)的輔助電源、氣源系統(tǒng)。所以根據(jù)不同的需求，APU 需要使渦輪盡可能多地將產(chǎn)生機(jī)械轉(zhuǎn)化為帶動壓氣機(jī)產(chǎn)生的空氣壓力能、帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化的電能。

二、輔助動力裝置起動電氣系統(tǒng)構(gòu)型

以下介紹飛機(jī)輔助動力裝置起動電氣系統(tǒng)的兩種典型構(gòu)型以及在該構(gòu)型下的輔助動力裝置起動電氣系統(tǒng)原理：

第一種構(gòu)型是APU 起動機(jī)和發(fā)電機(jī)兩者結(jié)合在一起，這種合二為一的設(shè)計方式有其合理之處，APU 在起動時作為起動機(jī)，采用三相交流起動機(jī)的工作原理，當(dāng)APU 的轉(zhuǎn)速達(dá)到了95%以上時，APU 的起動完成，起動機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)狀態(tài)，這時可以進(jìn)行加載電載荷。第一種構(gòu)型電氣原理圖見圖1。

第二種構(gòu)型是APU 起動機(jī)采用有刷直流起動機(jī)，APU 控制板控制APU 給APUECB 供電，而當(dāng)磁場相互作用產(chǎn)生了連續(xù)的轉(zhuǎn)矩時，控制電子轉(zhuǎn)相電路換相，會有專門的APU 交流發(fā)電機(jī)為飛機(jī)系統(tǒng)來提供交流電。第二種構(gòu)型電氣原理圖見圖2。

圖2 構(gòu)型二電氣原理圖

三、輔助動力裝置起動電氣系統(tǒng)電機(jī)

當(dāng)前飛機(jī)輔助動力裝置起動電氣系統(tǒng)所采用的電機(jī)主要有3 種，分別是有刷直流電機(jī)、永磁無刷直流電機(jī)及無刷交流同步電機(jī)，3 種電機(jī)都有著不同的特點和優(yōu)劣勢。

1.有刷直流電機(jī)仍然采用著傳統(tǒng)的機(jī)械電刷及換向器，這就導(dǎo)致了該類裝置的使用壽命很短，同時維護(hù)起來極其不便，這是有刷直流電機(jī)的不足之處；但同樣的該種電機(jī)也有著其優(yōu)勢之處，那便是控制的接口比較簡單，操作起來很方便。

2.永磁性無刷直流電機(jī)所使用的電器元件很多，會造成很多的故障點，這樣在電路出現(xiàn)了問題時，對于所出現(xiàn)的線路問題進(jìn)行檢查維修的工作是很難進(jìn)行的。

3.無刷交流同步電機(jī)在使用壽命上有著明顯的優(yōu)勢之處，同時維護(hù)起來也比較方便，所以說無刷交流同步電機(jī)是目前3種電機(jī)中綜合性能最好的一種電機(jī)。

四、輔助動力裝置起動電氣系統(tǒng)發(fā)展趨勢

輔助動力裝置對于飛機(jī)的重要性不言而喻，未來的發(fā)展過程中飛機(jī)輔助動力裝置起動系統(tǒng)會向不斷地提高系統(tǒng)本身的可靠性方面發(fā)展。可靠性的不斷提高能夠減少飛機(jī)維護(hù)的頻率，還能夠有效地減少飛機(jī)零部件損耗，提高了經(jīng)濟(jì)方面的效益。