原创《飞机地面气源机组设计与关键技术》
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1前言
飞机地面气源机组属于机场专用车辆,是一种替代飞机辅助发动机(APU)直接启动飞机发动机的机场地面设备,随着全球机场旅客客运量与货运量的持续增长,飞机辅助发动机(APU)故障率或某些特定不允许使用APU工况的持续增多,飞机地面气源机组被广泛应用.笔者通过多年的飞机地面气源机组设计经验,着重介绍了飞机地面气源机组的设计及相关关键技术,为飞机地面气源机组设计者提供相关设计参考.
2工作原理 气源机组使用柴油为燃料,柴油机将化学能转化为旋转机械能,带动压缩机旋转输出连续的稳定高压大流量压缩空气,为飞机提供符合标准的气源.气源机组工作原理如图1所示.
3总体结构
飞机地面气源机组主要由汽车底盘总成、底盘框架焊合、罩壳总成、压缩机进排气系统总成、电气系统安装总成、软管槽及机组总成等组成.整车外形如图2所示,整车结构布置如图3所示.
3.1汽车底盘改装
汽车底盘由二类底盘改装而成,驾驶室后装有灭火器.机组与汽车底盘共用一组油箱（左右各一个）．分别安装在汽车火梁两侧,中间通过球阀、导管相连,共用汽车底盘油浮子与油量表.汽车底盘改装后结构如图4所示.
3.2底盘框架总成
底盘框架总成一方面支撑上装部分,另一方面起到与底盘连接的作用,采用整体框架式结构,具有高强度、一体化的特点.
底盘框架与汽车底盘通过U型螺栓、连结板固定,其与机组、罩壳通过螺栓固定在一起.底盘框架结构如图5所示.
3.3机组总成 发动机一压缩机机组总成由发动机、压缩机、联轴器、发动机进气、发动机排气、发动机散热器及压缩机润滑油冷却器等组成,动力匹配充足.机组总成结构如图6所示.
3.4罩壳总成
罩壳总成为全封闭式,主要由立柱、顶盖框架、门、顶盖、排风罩及百叶窗等组成,内部设有多处风道,表面均粘结降噪材料,拆装方便,降噪效果好.罩壳总成结构如图7所示.
3.5电气系统总成
电气系统总成由蓄电池、控制柜、发动机电子管理系统、电器件安装等组成,控制面板安装在控制柜上,控制面板上装有开关、指示灯、表等元件,控制柜内部装有继电器、电路板等电器元件,各电气元件之间采用插头座与接线端子连接.电气系统总成结构如图8所示.
3.6压缩机进排气系统总成 压缩机进排气系统由进气管路、主排气管路（供气系统）、旁通排气管路及恒压控制气路组成.旁通管路装有小孔变频排气放空消音器,降低旁通排气放空噪声.恒压控制气路通过调压阀、控制阀、安全阀、旁通阀等组合,实现气源车额定流量内恒压变流量输出.进排气管路设有多处减震、消音措施,可有效消除震动和噪声.压缩机进排气系统总成结构如图9所示.
3.7软管槽总成
软管槽总成由钢板弯制而成,内部装有飞机接头固定座和尾灯固定罩,用于放置供气软管.软管槽总成结构如图1 0所示.
4关键技术
飞机地面气源机组启动飞机大发过程中,由于大容量冲击等原因而出现压力和流量的急剧变化,飞机地面气源机组自身必须能够进行快速的动态响应,实现自动稳压供气,才能保证飞机发动机的正常启动及运行安全.
4.1飞机发动机启动过程分析
飞机大发的启动机是一个气动马达,涡轮燃气发动机在启动过程中随时间转速和温度的变化如图11所示.飞机APU或地面提供气源给气马达,气马达转速逐渐升高,到达喷油点火转速后供油、点火,飞机大发进入自加速运转.大发点火后内部温度会逐渐升高,此时大发自身还不足够维持稳定运转,需要气马达继续工作直到大发自身能够维持稳定运转,即启动成功.在飞机大发点火后自加速运转过程中,如果飞机地面气源机组故障突然停止供气或供气不足,飞机大发无法维持自身稳定运转开始减速停机,而大发内部燃烧产生的温度无法立刻散出,就会烧毁飞机大发.
当飞机启动成功后,飞机关闭供气阀门瞬间,飞机地面气源机组会短时间出现压力升高,如果动态调节不及时,突然产生的高压直接作用于空气压缩机的阴、阳转子,会增加转子轴向推力.对于无油螺杆压缩机,其压缩室内完全靠空气密封,阴阳转子距离压缩机排气口端面间隙仅有0.08～0.14 mm．如果突然增大的载荷破坏了转子轴向定位的推力轴承,使转子沿轴向窜动超过0.08 mm．就有可能引起转子与压缩机内壁摩擦,高速运转的转子瞬间会产生很高的热量而变形“抱死”,压缩机立即报废.所以,压力调节的快速动态响应对飞机启动及飞机地面气源机组的安全有着至关重要的作用.
因此,飞机地面气源机组的可靠性对飞机发动机有着至关重要的作用,会导致烧毁飞机发动机的严重事故.启动过程的大容量冲击,对飞机地面气源机组的控制系统的动态响应提出了严格的要求.
4.2气源稳压技术及动态响应 通过对飞机大发启动过程的分析,飞机地面气源机组的动态响应能力是飞机气源车的一项重要的技术性能.笔者通过摸索研究,自主研发生产了用于飞机地面气源机组相匹配的高灵敏度旁通阀.通过建立旁通阀流场的数学模型,进行仿真分析,得出各种参数对高速流体动态响应的影响及关系,优化设计参数,得到了旁通阀各种参数的最优解.通过多次试验测试,不断优化其旁通阀的设计参数,使旁通阀的灵敏度完全达到飞机对飞机地面气源机组动态响应的要求.旁通阀的灵敏度直接影响稳压调整的动态响应时间,是飞机地面气源机组的关键部件.执行器在旁通阀上安装有非接触式角度传感器,如图12所示,角度传感器感应阀芯的位置变化,得到飞机气源车输出流量的变化信息.当旁通阀的旁通流量加大时,主供气管路中的供气流量需要减少,角度传感器将感知的信号变化传递给发动机ECU．使发动机的转速降低,容积式压缩机的输出流量随之减少；反之,压缩机的输出流量随之上升.与飞机气源车供气需求的变化相一致,辅助旁通阀提高其动态响应速度.
通过旁通阀技术难点的攻关,飞机地面气源机组的重要性能——动态响应能力能够满足启动飞机发动机的要求,供气压力恒定,飞机发动机的启动安全得到可靠保障.
4.3流量自动调节技术
飞机地面气源机组为飞机提供保障的整个过程一般在半小时以上,大部分时间是处在运转等待阶段,启动飞机发动机的时间仅需45s左右,大部分的时间做的是无用功,浪费了燃油,产生噪音危害.降低等待期间的消耗和噪音,可以提高飞机地面气源机组使用的经济性.
飞机地面气源机组在等待飞机启动期间以低速运转,保持气源的压力稳定,随时处于可以启动供气的待命状态.柴油机低速运转时,压缩机也处在低速运转状态,压缩机是容积式的,转速与流量成正比关系,因此产生较小流量的压缩空气,消耗柴油机的功率较小,燃油消耗率低,噪声小.
当启动飞机发动机的时候,旁通阀自动感应流量的变化传递给柴油机使其升速,压缩机同时升速产生大流量的压缩空气,满足飞机发动机启动的供气需求.并且对于不同型号的飞机发动机,所需的启动流量是不同的,飞机地面气源机组自动调节供气流量以适应不同机型发动机的启动需求.即对于小型飞机,飞机地面气源机组自动产生较小流量的空气,对于大型飞机,飞机地面气源机组自动产生较大流量的空气.这样,飞机地面气源机组在待命状态以最小转速维持运转,根据不同飞机产生不同流量的供气,尽可能的减少了旁通的无用流量消耗,使飞机地面气源机组达到很好的经济性.
5结语
飞机地面气源机组总体性能满足飞机启动需求,通过气源稳压及动态响应技术,在飞机启动过程中可有效地对飞机进行保护,通过流量自调节技术,可降低燃油消耗及噪声污染,经济性与环保性能好,该技术将是未来飞机地面气源机组的主要发展方向.
关键技术论文参考资料：
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