民用飞机辅助动力装置性能分析与选型考虑

（上海飞机设计研究院，上海 201210）

辅助动力装置（APU）系统是大型飞机上安装的独立小型动力装置系统，APU的功能主要是在地面与空中起动主发动机，为客舱供气并为各种机载设备提供辅助电源。目前民用飞机所使用的APU的功率范围在250~2000 hp之间，APU转速约在35 000~60 000 r/min 范围内[1]。

在民用飞机的APU系统设计与集成过程中，如何选择性能匹配的APU是APU系统集成的重要内容。由于APU的类型及构造的差异，APU的性能特性也有所区别。本文对几种典型的APU的性能特点进行分析，并对APU的性能选型方法进行了总结。

1 APU性能分析

为飞机提供高压引气功率和电功率是APU的主要功能，APU的性能分析一般包括：APU构造特点及热力循环性能分析、APU引气性能分析、APU功率提取性能分析、APU燃油经济性分析等。

1.1 APU类型及构造特点分析

目前，用于民用飞机的典型APU构型有以下3种[2]：

（1）SSGTIB （I/B）：Single shaft gas turbine integral bleed，从动力段压气机引气的单轴燃气涡轮APU（分别有恒转速与变转速）。

（2）SSGTLC（L/C）：Single shaft gas turbine load compressor，带负载压气机的单轴燃气涡轮APU（分别有恒转速与变转速）。

（3）TSGT：Two shaft gas turbine，双轴燃气涡轮APU（变转速）。

三种APU的构型示意图如下图1。各种APU通常采用离心式压气机作为动力段压气机或负载压气机，采用回流式燃烧室，通常采用轴流式涡轮。

图1 APU的构型示意图

1.2 APU热力循环性能分析

APU热力循环性能包括：APU工作循环性能、APU安装性能[3]。

1.2.1 APU工作循环性能分析

APU工作循环性能指APU本体发动机的热力循环性能，APU工作循环性能主要指标包括：压气机压比、涡轮前温度TIT、燃油消耗率、压气机与涡轮效率、燃烧室效率与压力损失、附件功率损失等。通过性能计算，获得典型的APU工作循环性能如图2所示。图中反映了APU的主要部件特性（压气机压比、涡轮前温度）与燃油消耗率、功率之间的关系。由图可知：压气机压比主要影响APU的燃油消耗率，在TIT一定的条件下，随着压气机压比的增大，燃油消耗率降低；涡轮前温度TIT主要影响APU的功率，在压比一定的条件下，随着TIT的增大，APU的功率增大。

图2 APU工作循环性能

1.2.2 APU安装性能分析

APU在飞机上进行安装集成后，影响其安装性能的主要因素有：APU进排气系统特性、APU负载特性、运行环境条件（高度、温度、速度）等的。

（1）环境条件对APU性能的影响分析

通过对某典型的APU进行性能计算可知，对于恒物理转速、恒定的涡轮前温度限制值（TIT）的APU，其性能受温度与高度的影响如图3所示，随着大气温度的降低，APU的最大输出功率增大。这主要是由于：随着大气温度的降低，压气机的折合转速增加，增压比增加，流量增加，因此APU功率增加，耗油率降低。另一方面，随着飞行高度的增加，APU最大输出功率降低，这主要是由于：随着高度增加，环境压力与温度都降低，温度降低的影响效应同上，环境压力的降低导致了APU进气流量的降低，使得APU的功率下降。

图3环境条件对APU性能的影响

（2）进排气系统特性对APU性能的影响

民用飞机的APU一般安装在飞机尾锥内，APU的进气系统通常采用带有冲压进气门的结构或者无门的结构，对于带有冲压进气门的APU的进气系统能够在飞行状态下产生冲压作用，提升APU性能。APU排气系统一般影响APU的排气损失，对性能影响较小。

图4显示了某APU输出功率随飞行高度与飞行马赫数的变化关系。可以看出，在相同飞行高度条件下，APU功率随飞行马赫数的增加而增大。可见，带有冲压进气门的APU的进气系统能够在飞行状态下较大的提升APU性能。

图4 APU输出功率随飞行高度与飞行马赫数的变化关系

（3）APU负载特性分析

APU负载特性包含：全负载特性与部分负载特性。

（1）全负载特性

APU负载特性的表示形式因APU的类型而异。

对于从压气机直接引气的APU，其负载特性是指在APU进口空气条件不变的条件下，输出的引气压力、引气温度随引气流量的变化关系。某APU计算结果如图5所示，可以看出，APU的引气压力与引气温度随着引气流量的增加而降低。另外，APU的最大引气输出量随着输出轴功率的增加而降低。

图5 从压气机直接引气APU的负载特性

对于带负载压气机的单轴恒转速APU而言，负载压气机通常采用进口流量控制，如进口导向叶片（IGV）对引气量进行调节。在每个IGV角度下负载压气机都具有独立的性能特点，如图6所示的某型的APU计算结果：随IGV开度的减小，APU的引气压力与引气流量降低，引气功率降低；在某一固定的IGV开度下，随着引气流量的降低引气压力增大，即压气机的工作点在压气机的等转速线上移动。

图6带负载压气机APU的负载特性

（2）部分负载特性

对于从压气机直接引气的APU，通过调节负载控制阀（LCV）调节APU引气量，在部分负载工作状态时，其LCV角度关小，压气机的负载降低，APU的燃油消耗率降低，当LCV角度关至0度时，引气负载为零，APU只提供电功率。

对于带负载压气机的APU而言，负载压气机通常采用进口导向叶片（IGV）对引气量进行调节，但是由于受压气机特性的限制，IGV的角度不能关闭至0度，即在空载状态下，负载压气机仍具有一定的引气量，对这部分气体的做功属于无用功。因此，在部分负载状态下，特别是空载状态下，该类APU的经济性较差。图7反映了典型的不同类型的APU的部分负载特性，可以看出，带有负载压气机的APU的低引气负载特性较差，低负载时EGT较高、燃油消耗率较高。

图7 APU的部分负载特性

2 APU性能选型方法及考虑要点分析

基于上述APU的基本性能特性规律，APU的性能选型主要考虑以下几个方面：APU引气性能选型、APU功率提取性能选型、APU类型选型、APU经济性选型。APU选型过程中需保证APU的各项性能指标与相关联的系统相匹配。

2.1 APU引气性能选型

APU引气性能选型包括：主发起动性能匹配（MES）、环控引气性能匹配（ECS）。

（1）主发起动性能匹配

对于采用气起动主发动机的引气系统，从APU引出的高压气体经过引气管路和各阀门，到达空气涡轮起动机（ATS）。主发起动性能匹配实质上是对APU、引气管路及阀门、ATS三者之间的匹配。ATS的功率与其进口压力与流量有关，根据ATS的性能特点，在APU与ATS的匹配过程中需考虑两者之间的匹配要求，即APU提供的有效折合流量与ATS的折合流量相等，且APU提供的引气压力应满足ATS最小进口压力要求[4]。根据以上匹配原则，可进行APU主要引气参数的选择。另外，在APU与ATS匹配中，引气管路的设计模型影响两者之间的匹配。采用不同的引气管路模型，将导致不同的ATS匹配流量与匹配压力。具体的匹配方式需与环控系统对管路模型进行权衡后确定。

（2）环控引气性能匹配

APU的环控引气需求的主要指标有：引气流量、引气压力、引气温度。引气流量需满足新鲜空气量等的要求；引气压比与引气温度由APU的压气机特性决定，应考虑引气温度不能高于可燃液体的自燃温度。

2.2 APU功率提取性能选型

APU功率提取主要考虑的问题是为APU驱动发电机的耗功。APU的供电功能主要考虑的指标有：供电功率与供电频率。恒转速APU能够很好地保证为电源系统提供恒频电源。因此，恒转速APU在目前的民用飞机中应用较广泛。功率提取量由电源的需求决定。

2.3 APU类型选型

对于前文所述的3中典型APU构型，在目前民用飞机中，直接引气的单轴APU与带有负载压气机的单轴APU应用较广，双轴APU由于其结构形式复杂等原因而应用较少。直接引气的单轴APU与带有负载压气机的单轴APU的性能特点如下：

（1）直接引气的APU的特性分析

直接引气的APU通过控制负载控制阀（LCV）调节引气。为获得较高的引气压力，引气提取接口通常布置在压气机流路的下游且在燃烧室之前的位置，因此，对于确定的涡轮前温度条件，APU的轴功率随着引气量的增加而降低。对此，对于引气优先的APU，需限制轴功率的使用以避免APU超限，相反，对于轴功率优先的APU，需限制引气的使用以避免APU超限。从压气机直接引气影响了压气机与涡轮的匹配，导致了压气机与涡轮的效率降低，耗油率上升。另外，由于该类APU的结构形式简单、部件数目少，因此其起动特性较好且APU可靠性较高。

（2）带有负载压气机的APU的特性分析

带有负载压气机的APU通过调节负载压气机的进口导向叶片（IGV）进行引气调节。相比而言，对于带有负载压气机的APU，其动力段的压气机与涡轮能够得到较好的匹配，其耗油率较低。其负载压气机的引气特性也能够通过调节IGV而与飞机用气系统进行优化匹配。由于该类APU带有负载压气机，其结构形式相对复杂、部件数目较多，因此APU可靠性较相对降低。

2.4 APU经济性选型

根据APU的不同设计理念，APU的功率特性与经济性（燃油消耗特性）有较大的差异。目前，在经济性方面，APU的设计理念主要有两种：保证最小燃油消耗率的APU、保证最大功率密度的APU。

保证最小燃油消耗率的APU在设计过程中，重点考虑提高APU的效率，而其重量与尺寸通常较大；保证最大功率密度的APU在设计过程中，重点考虑提高APU的“功率与重量的比值”，其重量尺寸较小，而其燃油消耗率较高。在APU系统集成与选型过程中应权衡考虑功率需求与重量的影响。

3 结束语

本文分析了民用飞机APU性能特性与性能选型考虑，强调了APU性能选型应考虑APU自身特性及相关联系统的匹配影响，总结了典型APU的性能特点和APU的性能选型考虑要点，为民用飞机辅助动力装置系统设计与集成提供参考。

[1]《飞机设计手册》总编委会．动力装置系统设计[M]．北京：航空工业出版社，2006．

[2]Rodgers.C.The performance of single-shaft gas turbine load compressor auxiliary power units[J].AIAA-83-1159，1983.

[3]尚 义.航空燃气涡轮发动机[M].北京：航空工业出版社，2008.

[4]王新月，卿熊杰，刘晓伟.某型飞机发动机起动供气系统匹配及性能模拟[J].西北工业大学学报，2006，24（3）：295-298.