燃气涡轮辅助动力装置总体设计(精)/两机专项航空发动机技术出版工程

第1章概述 　　1.1辅助动力装置简介 　　辅助动力装置（auxiliary power unit， APU）诞生于20世纪50年代，*初是为满足大推力/功率发动机对起动功率的需求而研制的。随着飞机需求的增加、航空技术水平的发展，APU功能日趋多元化，已从短时工作的单一起动能源，转变成为可长时间工作、多种能源输出的动力装置。APU本质上是一种燃气涡轮发动机，包含由离心压气机、燃烧室、涡轮组成的燃气发生器和动力输出结构等，它不直接提供飞行动力，而是为主发动机的起动和飞机的环控、电力和液压等系统提供辅助能源（图1.1），因此这类发动机统称为APU。概括而言，APU至少应具备以下一项功能： 　　（1）提供发动机起动用能源； 　　（2）提供飞机地面短停检查、维护用能源； 　　（3）提供飞机飞行中应急用能源。 　　APU的使用不仅满足了发动机快速起动的需求，也降低了飞机对地面支持设备的依赖性，提高了飞行安全性。APU的基本功能是为发动机提供起动用能源，根据其提供的起动能源类别主要划分为机械型、气压型、电力型和液压型，各类型APU的工作方式及优缺点如表1.1所示。实际应用中，具体采用什么类别的起动能源需要结合飞机和发动机的需求综合考虑。 　　机械型、电力型、液压型APU本质上输出的都是轴功率，主要性能参数包括单位轴功率Ps， sh和耗油率sfc等；对于只输出压缩空气或既输出压缩空气又输出轴功率的APU，则采用单位当量功率Ps， equ和当量耗油率（sfc）equ的形式来表示。 　　1. 只输出轴功率的APU 　　对于机械型APU，功率定义为 　　（1.1） 　　式中，Psh为输出的轴功率，单位为kW；n为输出轴转速，单位为r/min；T为输出轴扭矩，单位为N m。 　　Ps，sh是指流经APU动力段每千克空气流量在输出轴上产生的轴功率，定义为 　　（1.2） 　　式中，Wa为APU进气流量，单位为kg/s。 　　耗油率sfc是指APU功率输出轴上每千瓦功率每小时的耗油量，定义为 　　（1.3） 　　式中，sfc为耗油率，单位为kg/（kW h）；Wf为燃油流量，单位为kg/h。 　　电力型和液压型APU的轴功率是在电机发电功率和液压泵输出功率的基础上分别除以发电机和液压泵的效率得到。 　　2. 输出轴功率和压缩空气的APU 　　对于同时输出压缩空气和输出轴功率的APU，其主要性能以当量功率Pequ和当量耗油率（sfc）equ来表示。 　　当量功率Pequ是指输出的轴功率Psh和压缩空气当量功率Pequ， a之和。压缩空气当量功率Pequ， a则是指输出的压缩空气由输出压力等熵绝热膨胀到大气压力时，理论上能获得的功率。该功率按下式计算： 　　（1.4） 　　单位当量功率Ps， equ， a是指流经APU燃烧室的每千克空气流量产生的当量功率。因此，APU单位当量功率Ps， equ计算方法如下： 　　（1.5） 　　（1.6） 　　式中，Wa， g为流经APU燃烧室的空气流量，单位为kg/s。如果APU从动力段压气机引气，则Wa， g为压气机进气流量Wa与引气流量WBE的差值，即Wa， g＝Wa－WBE；如果APU采用负载压气机引气，则Wa， g为动力段压气机的进气流量，即。 　　当量耗油率（sfc）equ是指APU发出每千瓦当量功率每小时消耗的燃油油量，计算公式如下： 　　（sfc）equ－WfPequ， a＋Psh（1.7） 　　当APU只输出压缩空气时，Psh＝0，当量功率Pequ就是压缩空气产生的当量功率Pequ， a。 　　此外，APU也采用功重比表征其先进性，尤其是APU系列化发展型号技术先进性的对比。 　　1.2发展概况 　　1.2.1起源 　　*早的APU原型起源于1947年，美国盖瑞特公司（1999年并入霍尼韦尔公司）的工程师Homer J. Wood绘制了**张APU草图。1948年，该公司**台小型燃气涡轮发动机——Model 4344问世，并通过了200h的耐久性试验，随后该产品取得巨大的商业成功，20世纪50年代初产量便超过了500台。1949年，Homer J. Wood和同事Fredrick Dallenbach 因这一卓越成就获得了“莱特兄弟奖章”。1951年，盖瑞特公司在该型发动机基础上开发了85系列APU，并于1954年首次在C130大力神运输机上使用。该APU提供压缩空气给空气涡轮起动机，由空气涡轮起动机带动发动机进行起动。在地面、主发动机不工作时，压缩空气还可以驱动空气涡轮起动机带动主发动机上的发电机发电，为飞机提供28V、400A的直流电。85系列APU的诞生，永久性地颠覆了航空的格局，飞机终于能飞往更多偏远的地区，这一变革意味着飞机将不再依赖地面气源车或电源车就能够起动飞机的主发动机。1958年，APU开始在民用飞机上得到应用。 　　1.2.2型号发展 　　鉴于APU在保障作战飞机自给能力、安全性和使用经济性方面发挥的巨大作用，国外十分重视它的发展，APU由专业的航空发动机公司或子公司开展研制，如美国的霍尼韦尔和汉密尔顿、俄罗斯的航空动力公司、法国的微型涡轮公司等。 　　APU型号发展的**个特征是在现有燃气涡轮发动机的基础上改进改型研制，研制APU的公司往往也从事其他航空燃气发动机的研制工作，而APU和涡轴发动机相关技术有很大的通用性，因此在现有的发动机基础上开展APU的研制是一项省时省力省钱的事。盖瑞特公司在1954年推出的世界上首台APU——GTCP85，就是在盖瑞特公司首台燃气涡轮发动机Model 4344的基础上发展而成，使用广泛，累计已生产33000余台。该APU采用单转子结构，由2级离心压气机（由2个背靠背离心压气机组成）、环形回流燃烧室、单级向心涡轮等组成。其总体结构简单，设计可靠，可为主发动机起动及飞机空调、防冰提供空气（约占压气机进口流量的25％），同时还通过齿轮箱驱动发电机输出电功率。 　　较大功率的APU则通过涡扇发动机核心机改进研制，典型例子是美国普惠公司为波音747和空客380宽体客机分别研制的PW901和PW980A辅助动力装置。PW901是在JT15D5涡扇发动机核心机的基础上，通过增加一个专门提供引气的载荷压气机（该载荷压气机也是基于JT15D5发动机的高压压气机发展），并对驱动载荷压气机的动力涡轮进行全新设计而来，该项目从获得合同到提供首台原型机仅用时17个月。PW公司这种动力涡轮驱动负载压气机和发电机的结构形式会增加结构的复杂性和使用维护成本，较为少见。 　　APU型号发展的第二个特征就是系列化发展，即在基本型的基础上，随着航空技术的不断更新发展，逐步将成熟技术应用在现有产品中，并针对飞机的不同需求进行系列化发展，衍生出庞大的系列产品，降低开发成本。如美国霍尼韦尔公司在GTCP85的基础上开发出了100多个系列型号，是世界范围内生产数量*大的系列产品，主要产品如表1.2所示。另外霍尼韦尔公司的GTCP36系列APU不断引入新的设计技术对部件性能进行优化，使得引气能力和提供轴功率的能力增加了1倍，后来改变了从核心机压气机输出压缩空气的结构形式，增加了一个专门的负载压气机，同时也应用了双合金涡轮转子技术，1990年还在此基础上开发了F23飞机使用的组合动力装置。