典型辅助动力装置技术特点分析

摘 要：本文通过对比Model 131系列与APS2000系列两型典型辅助动力装置总体和部件技术特点，梳理出两型典型辅助动力装置总体和部件技术特点的相似性和不同。分析结果表明：Model 131系列与APS2000总体结构布局和转子结构形式都有不同;Model 131系列与APS2000系列采取不同的结构形式实现了引气需求;两型APU主要部件的设计和制造都有相似。

关键词：典型辅助动力装置;技术特点;分析

中图分类号：V233 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）07-0069-03

辅助动力装置（以下简称APU）是飞机动力系统的重要组成部分，其主要功能是起动主发动机、为客舱供气，还能为各种机载设备提供动力（液压能、电能）。

Honeywell公司的Model131系列（如图1）是一款經典APU，Model131-9A、Model131-9B、Model131-9C（HGT750），它们分别主要安装在A320/321、Boeing737-600～900及我国的C919大飞机上，且Model131-9的前身Model131-3装配于隐形轰炸机B-2上;Sundstrand公司的APS2000系列（如图2）是又一款典型APU，APS2000、APS2100、APS2300，它们分别应用于Boeing737-300/400/500、Boeing717以及巴西航空工业公司的ERJ170/190客机[1]。这两型系列APU都用在单通道客机上，数量规模最大。

本文对以上两款目前市场上使用最为广泛的APU的技术特点进行了分析，以期为我国自主研制APU提供技术参考。

1 两种典型APU总体特点对比

1.1总体结构布局

Model 131系列其总体结构布局如图1，为单转子结构，整机由动力段、负载压气机和带附件的齿轮箱两个单元体构成。APS2000系列其总体结构布局如图2，也是单转子结构，同样采用了单元体设计，分别为齿轮箱单元体、压气机涡轮单元体、燃烧室单元体3个单元体构成。

两型系列APU都能同时输出压缩空气与轴功率，是典型的引气型APU;均采用了单转子结构，采用双支点支承方式，转子零件通过圆弧端齿连接，这种总体布局形式使得APU结构更为简单、紧凑。此外，采用两支点设计，相较早期的多支点设计，提高了可靠度，降低了维护成本。

同时，两型系列APU均采用了单元体结构，使得APU拆卸和更换更为方便，这也提高了外场维护性。

1.2转子结构方面

Model131系列APU在转子结构上，采用双支点支承，支承方式为1-0-1，1号支点位于负载段离心叶轮前，为双列止推球轴承;2号支点位于轴流涡轮后，为滚棒轴承。该转子支点跨度大，但结构稳定性高;同时，在前后支承上采用了减振油膜，这使得该转子及整机振动得到了很好的控制。该转子由压气机转子、两级轴流涡轮转子和多段短轴组成;采用的是圆弧端齿加中心拉杆的方式将转动件固定连接。圆弧端齿的应用保证了该转子在热状态下可靠定心，且重复定心精度高。

APS2000系列APU在转子结构（如图3）上则采用了2-0-0悬臂转子结构，转子较短，该结构减少了轴承腔，简化了支承结构。但是，由于涡轮部件重，转子重心靠后，使得转子自身下沉，这使得在转子动平衡时需采取一定措施。该转子也采用了圆弧端齿加中心拉杆的连接方式。

1.3引气结构形式

Model 131系列APU采用了负载压气机引气，具有进气可调导叶机构和防喘机构，APU起动过程、不引气时，负载压气机进气为关闭状态，此时负载压气机仅有少量的气进入，负载压气机处于“空载”状态。该结构形式的采用将APU引气和输出轴功率单独的分开，这使得APU核心机参数的选择不受用户引气需求的限制，因此可以采用较高的压比和涡轮前温度。

与Model131系列不同的是，APS2000系列APU引气则指直接从核心机引气，压缩空气直接从压气机后输出，这种结构形式非常紧凑，更加适用军用直升机以及战斗机等对APU安装尺寸和重量要求较高的场合;这种结构形式受用户引气需求的限制，压气机压比通常在4～5，这使得燃油经济性不如前者。

2两种典型APU部件技术特点对比

2.1压气机技术特点

Model131系列和APS2000系列压气机均采用了离心压气机，其主要特点结构简单，工作可靠，稳定工作范围较宽、单级增压比高。其中Model 131系列动力段压气机压比达到了8，负载段压气机压比为4.4。APS2000的压气机压比为4.2。

APS2000的离心叶轮叶尖马赫数为超音速，强激波的存在使得激波附面层干扰增强，从而叶尖泄露流动增加。叶尖泄露的增加使得叶轮通道堵塞，减小了离心叶轮流通能力，从而使得叶轮工作流量裕度下降。为了满足所需的工作裕度要求，采用机匣处理的方式（如图4）来改善叶尖流场，达到扩展裕度的目的。但是该结构对放气孔的位置和数量应满足尽量减少对转子叶片前的速度场和压力场影响要求，否则会引起叶片剧烈振动甚至折断。

Model131系列压气机分负载段离心压气机和动力段离心压气机，动力段离心压气机采用大小叶片形式，钛合金锻造整体轮盘加工。负载段压气机采用钛合金锻造加工。

由于存在不同工况，对流量的需求不同，负载压气机采用了导叶调节机构进行流量调节，这也保证了压气机在非设计状态下具有良好的工作的裕度。

2.2燃烧室技术特点

Model 131系列和APS200系列燃烧室均为环形回流结构，并都采用了环涡头部结构（如图5），环涡头部结构的特点是在火焰筒头部内壁焊接薄片，薄片与头部内壁之间具有一定高度的间隙。从头部进入的气流通过这些薄片后形成一个大尺度的环涡，并与切向喷油匹配，从而实现燃烧室的稳定燃烧。这解决了APU 燃油流量小、喷嘴数目太多的问题，也保证了全包线范围内的点火高度;同时，采用采用燃油喷嘴上的隔热罩兼具固定火焰筒的功能。

Model131系列APU采用了双油路喷嘴，这在主发上已有广泛的应用，但APU应用并不多。原因是小流量双油路喷嘴结构复杂，设计和加工非常困难，在小发供油量不大的情况下，采用结构相对简单的单油路燃油喷嘴来满足发动机的供油要求经济性更优。APS2000系列APU采用的是单油路燃油喷嘴。但随着当代小型航空发动机涡轮前温度越来越高，并从以前较多的应用在飛行高度不高的直升机上，到当前作为APU广泛的应用在对高空起动有苛刻要求的军用飞机上，这就对其供油范围、雾化质量有了更高的要求，双油路燃油喷嘴有供油范围宽、各个工作状态雾化质量好和贫油熄火极限宽的优点，因此，采用双油路燃油喷嘴也就成为APU用来提高高空点火能力的一个途径。

2.3涡轮技术特点

Model 131系列APU采用的是两级轴流涡轮（如图6），1级涡轮导向叶片采用MAR-M247EX合金铸造成型，第1级涡轮转子叶片采用MAR-M247DS。第2级导向器31片叶片采用In713LC材料，两级盘体为粉末冶金Astroloy。

而APS2000系列APU采用的是向心涡轮，采用的材料是IN792，结构简单，单级做功能力强，采用精密铸造。

3 结论

通过对比两种典型系列APU技术特点，我们发现：

（1）两型系列APU在总体布局上，均采用了单转子结构，采用双支点支承方式，转子零件通过圆弧端齿连接，这种总体布局形式使得APU结构更为简单、紧凑。两型系列APU均采用了单元体结构，使得APU拆卸和更换更为方便，这也提高了外场维护性。

（2）两型系列APU的1-0-1转子结构和2-0-0悬臂转子结构为我们设计APU转子布局提供了思路。但从实际使用来看，随着功率的增大，2-0-0悬臂转子结构自身带来的动平衡和振动问题，越来越成为该型APU发展的限制，1-0-1转子结构或其他转子结构将会是更优的选择。

（3）两型系列APU在引气（起动主发、环控引气）方式上，通过不同结构形式实现了飞机所需的功能，两种引气形式各有优缺点。

（4）两型系列APU都采用了离心压气机;环涡头部结构的环形回流燃烧室越来越成为APU的主流选择;向心涡轮和轴流涡轮是辅助动力装置的两种可选择形式，可根据功率和尺寸等实际情况进行选择。

参考文献

[1] 黄国平，梁德旺，何志强.大型飞机辅助动力装置与微型涡轮发动机技术特点对比[J].航空动力学报，2008，23（2）：383-388.

收稿日期：2020-03-09

作者简介：廖建军（1988—），男，江西吉安人，硕士研究生，工程师，研究方向：航空宇航推进理论与工程。