某型辅助动力装置空中起动技术研究

李春 史鑫垚

摘 要：空中起动能力和成功率是飞机辅助动力装置的重要指标，是飞机安全性的重要保证，也是辅助动力装置研制的难点。某型辅助动力装置在试飞过程中遇到了空中起动不成功的问题，本文分析了空中起动不成功的原因，通过技术攻关，采取有效措施，解决了该型辅助动力装置的空中起动难题。

关键词：辅助动力;空中起动;风车转速

中图分类号：V228 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）08-0083-02

辅助动力装置（APU）是飞机的关键机载设备，为飞机的主发动机起动和环控系统提供气源，同时可以给飞机供电。辅助动力装置的引气和供电功能极大的提升了飞机性能，使其具有更高的安全性、舒适性和自主保障能力。考虑到燃油经济性，在正常飞行中APU一般处于关停状态，因此要求辅助动力装置具有随时起动的能力，起动包线覆盖飞机全包线[1]。

本文通过对某型辅助动力装置高空起动问题的分析和验证，找到了影响APU空中起动的主要原因，提供了多种提高辅助动力装置空中起动能力的措施，实现了该型辅助动力装置全包线范围内的空中起动。希望对发动机及APU的空中起动提供一定的参考。

1 试飞情况统计

在2014年10月至2017年9月的3年时间里，该APU共进行4km以上的空中起动70次，其中起动失败22次（再起动失败11次、冷浸起动失败11次），分析后可整理归纳如下：（1）再起动失败都发生在8km以上、飞行马赫数都在0.65以上;（2）有7次再起动失败是由于起动前的风车转速超过20%（最高达到29.5%），ECB拒绝起动。分别是8km、0.79Ma出现4次，8km、0.71Ma出现1次，10km、0.79Ma出现1次，12km、0.79Ma出现1次;（3）有2次再起动失败是因为未点着火。表现为12km，风车转速17%，起动时电机带转正常，供油正常，但排气温度一直处于下降趋势，说明未能点着火导致起动失败;（4）有2次再起动失败是因为点着火后被吹熄。变现为12km，风车转速12.2%，起动时电机带转正常，供油正常，排气温度升高后又下降，说明点着火后又熄火导致起动失败;（5）有10次成功起动的过程中曾发生短暂熄火。表现为10km，风车转速14%，起动的过程中先点着火但是又熄掉，然后再次点着并起动成功。已经表现出来可能熄火导致起动失败的迹象;（6）11次冷浸起动失败全部表现为未点着火。

2风车特性研究

该APU安装在飞机起落架舱，进气口超前。在对试飞数据的分析时发现该APU的风车转速普遍偏大（相对于安装在飞机尾部收敛段的相似构型APU），为了进一步分析安装位置及进气方式对空中起动的影响，了解各飞行状态下实际风车转速大小，为后续分析提供依据，开展了实际飞行条件下APU风车特性研究。

2.1 开进气门条件下的风车转速

在APU不工作的条件下，进行了开着进气门的风车转速试验，根据飞行结果拟合出来的风车转速随飞行马赫数的关系曲线见图1。从图中可以看出，在相同的马赫数条件下，飞行高度越高，风车转速越小。但从实际装机效果来看，风车转速最大的条件是出现在8km、0.79Ma（最大平飞速度），风车转速到达24.5%。

需说明的是，风车转速的大小不仅与飞行高度、马赫数相关，另一个重要的影响因素是滑油温度，滑油温度越低，粘性系数越大，转动摩擦阻力会大大增强，会降低风车转速甚至使风车转速为零。在高空模拟条件下进行了APU恒高度、恒进口马赫数的风车转速试验，得到该条件下滑油温度对风车转速的影响曲线，见图2。

2.2 关闭进气门条件下的风车转速

在分析空中起动数据时还发现在进气门关闭的条件下，APU仍有一定的风车转速。因此，特意进行了一次进气门关闭条件下的风车转速测量飞行，结果表明在进气门关闭的条件下，最大风车转速达到16%，见图3。

3 起动失败机理分析

该型辅助动力装置在首飞前的高空模拟试验中已经验证具备在12km高度范围内、静止条件下起动的能力，飞行试验与高空模拟的差异仅在于风车效应，因此针对风车效应对空中起动的影响机理展开研究。静止条件下起动时，点火前压气机是由起动电机带转，吸入外界空气并进行增压的;风车条件下起动时，压气机是由迎面来流空气吹动的，此时压气机相当于“涡轮”，不仅不能够对来流增压，反而起到降压的效果。在压气机特性图上，相同的折合转速条件下，风车状态的压比不仅低于无风车状态，同时还在很大转速范围内低于1，与此同时风车条件下的空气流量则远远大于无风车条件，可想而知，风车条件下燃烧室内的气流速度将远大于无风车条件，很容易将火焰吹熄，这就是风车效应影响空中起动成功率的根源，也是APU限制空中起动前风车转速的根本原因。

为弄清风车条件下和电机带转条件下的具体差异，进行了对比试验。从试验中得出以下基本结论：（1）在相同換算转速下（17.7%），风车条件下的压气机后压力是进口压力的0.87倍，带转条件下的压气机后压力是进口压力的1.07倍;（2）在相同换算转速下（17.7%），风车条件下的空气流量是带转条件下的2.38倍;由此可推算出，该风车条件下的压气机出口气流速度是电机带转条件下的1.9倍左右，如果此时点火将很容易被吹熄。

4 技术攻关措施

为了解决APU空中起动不成功的问题，与飞机研制单位共同制定了攻关思路，从以下三个方面同步进行。

4.1 降低风车效应

分析了进气门关闭条件下风车转速的来源。引起风车转速高的原因主要是：APU排气口在起落架舱中后部，从进气口到排气口的起落架舱为外凸弧面过渡，在飞行中表面气流速度是加速的，因此排气口处静压低，引射效果较明显，导致进气门关闭条件下风车转速高。

经过计算分析，缩短飞机上伸出机体表面的排气管长度可降低风车转速，从试飞数据来看，缩短排气管50mm后的风车转速下降约4个百分点。

4.2 适应风车效应

由于安装条件的限制，APU在空中将不可避免的存在较高的风车转速。为了适应风车效应，APU开展了滑油系统供油、轴承发热及轴向载荷分析;进行了2套主轴承50h风车模拟试验（分别为6%和12%风车转速）[2];并完成了整机50h高空台风车试验。通过以上方法验证了APU具备承受长时间风车效应的能力。在此基础上，采取了以下改进措施来提高APU在高风车转速下的起动能力：（1）优化空中起动操作程序。前期的空中起动程序規定飞行员在按压主开关上电后待控制器自检完成，且收到进气门打开信号后才按压起动按钮，如果没能第一时间按压起动按钮，此时APU已经在进气门打开的条件下持续了一段时间，风车转速持续上升。为避免人为延时，将空中起动操作程序改为按压主开关后3s立即按压起动按钮（此时APU不进行起动，而是等到收到进气门打开信号后立即自动起动）。（2）调整起动控制逻辑。将风车转速限制值调整到25%，防止出现由于风车转速大而拒绝起动的情况;调整空中起动等待时机，如将APU初始起动时大于7%转速则等待59s调整为大于25%则等待59s，以保证迅速起动;调整空中起动供油时机，通过调整P2压力、排气温度与滑油温度设置状态标志的判据，将供油时机由40%转速和转速大于7%持续20s提前至7%～10%转速，有利于空中起动。

4.3 增强起动能力

高空起动时由于低温低压环境的影响，蓄电池的供电能力会较地面有所下降，不能满足APU高空起动供电电源需求，因此在空中起动时，改为由变压整流器供电。

另外该APU的空中起动失败都是因为点不着火或点着火后被吹熄，如果增加点火能量则能够提高点火的成功率。因此在满足点火装置本身功能、性能和装机使用要求的前提下，将点火能量增加1.8倍，点火性能有了明显提升。

5 空中起动考核验证

贯彻了缩短排气管伸出机体长度、优化空中起动程序、调整起动控制逻辑、优化供电电源、增大点火能量等措施的辅助动力装置重新进行了空中起动验证试验。

2018年底，APU在12km高度，0.79Ma和0.74Ma条件下两次冷浸起动成功，顺利完成冷浸起动的考核;2019年初，完成所有再起动考核点条件下的连续三次起动成功，该型辅助动力装置空中起动攻关胜利结束。

6 结论

辅助动力装置的空中起动能力是其重要的性能和安全性指标，也是设计难点，通过某型APU空中起动技术研究，分析了空中起动困难的原因，制定了有效的措施，最终获得了成功。也为今后发动机及APU的研制提供了参考。

参考文献

[1] 章弘，常红.辅助动力装置系统空中起动设计和验证[J].民用飞机设计与研究，2016（14）：120-121.

[2] 马燕荣.某型燃气涡轮起动机空中起动试验[J].航空发动机，2009，35（4）：45-47.