民用飞机辅助动力装置排液设计综述

王栋

（上海飞机设计研究院，上海 201210）

0 引言

辅助动力装置（APU）是装在飞机上的一套不依赖机外任何能源、自成体系的小型发动机[1]。由于APU的核心类似于涡轮轴发动机[2]，因此需要空气作为动力产生的媒介，需要燃油将化学能转化为热能，也需要滑油润滑旋转部件，这使得APU在工作中不可避免地产生各类余液，排液的目的就是将这些余液安全地排出机外。本文梳理了APU的排液需求,对主流民用飞机APU排液设计对比分析,列出了这些排液设计的优缺点,为后续民用飞机排液设计提供参考和方向。

1 APU排液需求分析

根据APU工作原理，典型架构APU进气腔内的积水或防冰液、APU转轴与轴承封严处渗漏的滑油，液压式作动器密封处的燃油、APU燃烧室、引射器的燃油以及排气段的燃油、积水或防冰液需要及时排放。这些液体除了水都是可燃液体，需重点考虑着火风险。具体分析如下。

1.1 APU进气腔

适航规章中要求辅助动力装置进气道与集气腔不能积聚有害量的积水或防冰液。若APU进气口布置在上方或者侧向则需要考虑液体积聚的影响。如果不能将大量积聚在进气腔内的液体排出将使APU无法启动。并且，APU主要在飞机静止时工作，该工况下进气道与集气腔内静压均低于环境压力，因此在布置排液通道时要考虑吸入其他可燃液体的可能性。布置在机身外部需要考虑吸入其他设备排放的可燃液体通过排液通道吸入APU，布置在机身内部需要考虑舱内是否会产生可燃液体或蒸汽通过排液通道吸入APU.

1.2 APU转轴与轴承封严处

APU两个轴承腔内都有滑油持续流动以冷却和润滑旋转部件并且满足规定的滑油压力要求。正常情况下通过APU两端轴承腔内的滑油会流回APU附件齿轮箱内的滑油池从而形成一个循环，不过随着APU使用时间的增加，轴与轴承封严性能会不断下降，最终失效。轴承处封严失效后，滑油会渗漏至负载压气机造成APU引气污染，所以需要在轴承处设有排液通道将泄漏的滑油排出。后轴承处泄漏的滑油会随着APU排气一同排出，可以在下游统一考虑设置排液通道。

1.3 液压式作动器

一般可能采用液压式作动器的设备有燃油控制单元（FCU）、进口导向叶片作动器（IGVA）、引气阀（BAV）和喘振控制阀（SCV）等，根据APU型号的不同，这些设备也会采用电动式作动器。液压式作动器功率更大、更可靠，而电动式作动器重量轻、控制逻辑实现更简单。若采用液压式作动器，就必须考虑因密封失效导致的液体泄漏。

1.4 燃烧室及引射器

APU正常工作时燃烧室中不应有余油渗漏，渗漏的情况出现在故障或非正常运行时，例如点火器发生故障导致APU假起动（aborted start）、APU应急停车使燃烧室内燃油未烧尽等。余油在燃烧室的积聚会影响APU的运行，造成下次APU起动困难或失败。在引射器内，由于燃烧生成的高温高压气体与外界吸入的冷却空气互相混合，可能生成液态水。非正常工作时也可能有未完全燃烧的燃油进入，因此也需要设计排液通道。

1.5 排气系统

若雨水或者防冰液可能进入排气管并积聚，就会影响APU正常排气，非正常工作时也可能有未完全燃烧的燃油进入，所以需要设置排液通道。

1.6 APU舱

根据适航规章，APU舱为指定火区，必须有措施排出易燃液体和其他有害液体，因此APU舱需要设置排液通道。和1.1节类似，当APU通风冷却系统采用引射冷却，需要考虑APU舱内静压低于环境压力的工况，此时若液体排放困难，不满足适航要求则需要额外措施将余液吹出APU舱，例如增加外部引射设计。

1.7 排液系统设计其他考虑要素

从需求出发，整理出需要设置排液通道的设备/区域，开展排液管路布置设计。排液管路优先选用金属硬管保证高可靠性，而在局部区域采用软管或柔性封严等位移补偿设计以解决因APU工作时振动、热膨胀、制造公差等问题。所有材料都至少需要耐火。为保证排出机外的余液不会沿附面层回到机身表面造成额外风险，一般需要设计排液整流罩并伸出附面层。排液整流罩的外形设计需要考虑减少气动阻力。

2 辅助动力装置排液典型设计介绍

APU排液设计不仅取决于APU本身，也和APU的安装、周边结构设计密切相关。下面介绍一些典型民用飞机APU排液设计。

2.1 A320

A320飞机APU排液设计如图1、2所示。APU排出的余油中作动器渗漏的液体被收集到一个专用的排液箱（Drain Tank）内，排液箱设有外部引射和通气管路，当空速到达200节以上时依靠外部引射作用将箱内积液“抽吸”到机外，排液箱接口处设计有金属波纹管（Metallic Bellows）作为位移补偿。轴承处泄漏的滑油由于高温不宜收集，而是通过排液管直接排出机外。排液管路连通至机身结构，并在外部设计有一个安装在APU舱门上的排液整流罩（Drain Mast），该整流罩也用于收集APU舱内余液并排出机外。由于整流罩安装在机身结构上，因此与排液管连接处设计有一小段软管作为位移补偿。A320排液箱的设计较为独特，其他主流机型上没有看到类似设计，其优点是飞机在地面时余液会在排液箱内积聚从而避免了这部分余液排出污染跑道，其缺点是增加了重量、影响了APU舱内其他设备的可达性。由于进气道布置在下方，不需要再设计排液通道。

图1 A320飞机APU排液安装布置示意

图2 A320飞机APU排液架构示意

2.2 B737

B737飞机APU排液设计如图3、4所示。该设计比较简单，将所有余液（包括APU舱余液）通过一个排液收集杯（Collector Cup），然后通过APU舱门上设计的排液整流罩排出机外。后轴承封严渗漏的余液通过引射器上的排液通道排出。IGV、SCV和FCU渗漏的液体会经过一个观察口（Witness Port），以便地勤判断封严是否老化。排液收集杯下方设计有柔性橡胶作为位移补偿，排液通道不再设计软管段。集气腔余液不直接排出机外，而是先排放至APU舱内，这种设计的优点是减少一段排放管路以及避免在地面工作时吸入排液收集杯内的可燃液体，缺点是若APU舱内静压大于APU集气腔静压，则有APU舱内可燃蒸汽吸入APU导致引气污染的风险。

图3 B737飞机APU排液安装布置示意

图4 B737飞机APU排液架构示意

2.3 A330

A330飞机APU排液设计如图5、6所示。可燃液体排液管穿过后防火墙，将可燃液体从APU排气段排出机外。在穿墙前设计有一小段软管作为位移补偿。穿墙的优点是不需要在舱门上做APU排液接口，舱门设计简单，排液整流罩尺寸可以变小减少起动阻力，缺点是防火墙上要设计排液接口，并且要考虑可燃液体如何排出附面层，可能需要再加装一个排液整流罩。APU舱内的液体通过安装在APU舱门上的排液整流罩排出机外。同A320一样，APU进气口布置在下方所以不需要设计集气腔排液通道。

图5 A330飞机APU排液安装布置示意

图6 A330飞机APU排液架构示意

2.4 B747

B747飞机APU排液设计如图7、8所示。可燃液体排液管穿过前防火墙，与APU供油管的排液设计相整合，将可燃液体从后附件舱排出机外。在穿墙前设计有一段软管作为位移补偿。APU集气腔内的余液先排放至APU舱再排出机外。

图7 B747飞机APU排液安装布置示意

图8 B747飞机APU排液架构示意

2.5 B787

B787飞机APU排液设计如图9、10所示。APU燃烧室和轴承封严处可燃液体被收集和排出机外。其柔性橡胶为“花瓣式”，橡胶受压后，外围的“花瓣”翘起作为密封和位移补偿，如图11所示。由于作动器为电驱，不需要液压油参与工作，所以作动器没有排液设计。集气腔底部有一排液短管将液体排至APU舱。

图9 B787飞机APU排液安装布置示意

图10 B787飞机APU安装布置示意

图11 B787飞机APU排液“花瓣式”柔性橡胶

2.6 A350

A350飞机APU排液设计如图12、13所示。APU排出的所有可燃液体被收集到一个通道，而集气腔内的液体收集到另一个通道，这两个通道分别布置在两扇对开舱门上将余液排出机外。这种设计的有点在于避免了可燃液体流回集气腔排液通道的风险，缺点在于需要两个接口，两个柔性橡胶来位移补偿。APU舱内余液通过舱门最低处的两个排液通道排出，在机外设计有两个整流罩。引射器和排气段的可燃液体收集到一起穿过后防火墙在APU排气段排出机外。

图12 A350飞机APU排液安装布置示意

图13 A350飞机APU排液架构示意

3 辅助动力装置排液设计关键技术

3.1 气动分析技术

为保证排出的可燃液体不会造成额外危害，比较通用的做法是控制液体排入比较规则的无湍流的大气中，而不是附面层内。一般通过设计APU排液整流罩实现，并考虑是否和其他整流罩比如APU舱排液整流罩集成设计。排液整流罩设计需要进行气动优化以达到减阻、提高经济性的目的。

3.2 位移补偿技术

由于APU排液通道连接APU与飞机结构，需要考虑两者的位移补偿，具体考虑项如下：

①APU与结构的制造与装配公差；

②APU自身振动偏移量；

③APU热膨胀偏移量；

④APU安装拉杆冗余设计时，某一根拉杆失效造成的偏移量；

⑤机动载荷造成的偏移量。

3.3 适航符合性验证技术

由于APU排液可能存在可燃液体，为了保证适航，需通过分析、试验或者两者结合的方式验证在不同飞行阶段、不同姿态下排出的液体是否会造成额外危险。

4 结论

APU排液设计以系统架构为基础，同时考虑适航规章梳理需求，再依据气动布局合理安排、设计机外排放与排液整流罩，依据APU舱形状与尺寸布置排液通道，开展排液通道与APU以及与APU舱的接口设计，最后进行验证。主流民机APU排液设计各有特点，总体趋势是向着简单、可靠的方向考虑，例如早期机型多采用软管，新机型则多采用柔性橡胶。

[1]李东杰.辅助动力装置的应用现状与和发展趋势[J].航空科学技术，2012（6）：7-10.

[2]赵运生,胡 骏,吴铁鹰,等.大型民用飞机辅助动力装置性能仿真[J].航空动力学报，2011（26）:1590.