民用飞机辅助动力装置燃油结冰验证方法研究

【摘 要】辅助动力装置（APU）是飞机的辅助动力源。飞机在极端气候环境中飞行时，低温会使燃油中产生游离水甚至结冰，使流向APU的燃油流速变慢或停止，导致APU无法正常工作，从而对飞行安全性造成危害。本文分析了APU燃油结冰相关适航条款的要求，基于APU燃油系统的结构特征提出了一种试验和分析结合的燃油结冰验证方法。

【关键词】辅助动力装置；燃油结冰；适航验证

【Abstract】APU is an auxiliary power supply of aircraft. During airplane flying in the extreme conditions， the low temperature may lead free water or ice forming in the fuel， which may cause reducing or stopping of fuel flow to APU， resulting APU cannot operate normally， finally cause harmful effect on flight safety. This paper analyzed related airworthiness standard and proposed a method combined both test and analysis for APU fuel icing qualification based on the configuration characteristic of APU fuel system.

【Key words】Auxiliary Power Unit， Fuel icing， Airworthiness qualification

0 引言

o助动力装置（Auxiliary Power Unit， 简称APU）是一台小型燃气涡轮发动机。作为飞机的辅助动力源，它的主要功能是为发动起起动和环控系统供气，并为各类机载设备提供电力。[1-2]APU的燃油系统能够为APU本体输送燃油，它主要由三大部件组成：燃油控制单元（FCU）、流量分配器和喷油嘴，其主要系统架构参见图1所示。

高空飞行时的低温对APU燃油系统和部件会产生有害影响。低温使燃油中产生游离水（燃油温度降低，使溶解在燃油中的水达到饱和并析出变成游离水）甚至结冰，从而可能阻塞阀、泵、过滤器和滤网，甚至可能引起部件或系统故障，使流向APU的燃油流速变慢或停止，进而使燃油系统失效而无法给APU正常供油，导致APU燃烧室熄火，从而对飞行安全性造成危害。

由于结冰的自然特性，燃油结冰问题很难确定和分析。本文分析了APU燃油结冰相关适航条款的要求，基于APU燃油系统的结构特征提出了一种试验和分析结合的燃油结冰验证方法。

1 APU燃油结冰验证方法研究

1.1 APU燃油结冰相关适航条款要求及分析

CCAR25.952（a）要求：“必须用分析和适航当局认为必要的试验表明燃油系统在各种可能的运行条件下功能正常。如果需要进行试验，则试验时必须使用飞机燃油系统或能复现燃油系统被试部分工作特性的试验件。”

CCAR25.951（c）要求：“用于涡轮发动机的燃油系统在使用下述状态的燃油时，必须能在其整个流量和压力范围内持续工作：燃油先在27℃（80H）时用水饱和，并且每10升燃油含有所添加的2毫升游离水（每1美加仑含0.75毫升），然后冷却到在运行中可能遇到的最临界结冰条件。”[3]

为了确保飞机安全性，燃油系统必须在整个飞行包线内可能遇到的最临界结冰条件下满足发动机的流量和压力要求。为验证这一点，应该先使燃油在27℃（80H）时达到饱和，然后再在每10毫升燃油中添加2毫升游离水，即每1美加仑燃油中添加0.75毫升水，最后将燃油冷却到运行时可能遇到的最临界结冰温度并使系统运行，以判断燃油系统和部件在整个流量和压力范围内是否能持续工作。

1.2 APU燃油结冰验证方法

对于APU的燃油系统，可根据其结构特征通过试验和分析两种方式来进行燃油结冰的验证工作：

a）对燃油控制单元进行燃油结冰试验验证；

b）分析燃油结冰对其他部件的影响。

1.2.1 燃油控制单元的燃油结冰试验

APU的燃油控制单元（FCU）通常由进口燃油滤、燃油泵、高压燃油滤、泵释压阀、作动器压力调节器、测量模块、流量计分解器、燃油关闭螺线管、压差调节器、温度传感器和流量计增压阀等多个部件组成，结构复杂，难以通过分析方式来评估燃油结冰对其的影响，可采用试验方法来进行验证。

ARP-1401对燃油系统结冰试验的燃油配制程序和方法进行了详细说明。ARP-1401还对结冰试验的温度、试验时间和试验方法做了介绍。只要按照ARP-1401推荐的燃油配制方法和试验方法进行试验适航当局就认为可以满足要求[4]。

对于燃油控制单元（FCU），可依据相关适航条款的要求，按照ARP-1401推荐的燃油配制方法和试验方法进行结冰测试试验。但试验中仍有许多需要考虑的因素ARP-1401中并未详细介绍，本文将对其中两个关键因素进行分析。

（1）燃油类型选择

航空喷气燃料有两种基本类型：煤油燃料（如JetA、JP5等）和宽馏分燃料（如JetB、JP-4等）。CRC Report No.635， Handbook of Aviation Fuel Properties中给出了飞机燃料的水溶解性随温度的变化情况，如图2所示[5]。对于这两种类型的燃料来说，燃料温度越低，溶液中析出的水就越多。

如表1所示，如果向在80H（27℃）时用水饱和的JP-4中加入每1美加仑0.75毫升自由水，将混合物冷却到-40H /-40℃时自由水量将为280ppmv。对于煤油燃料来说，如果向在80H （27℃）时用水饱和的JetA中加入每1美加仑0.75毫升自由水，将混合物冷却到-40H /-40℃时自由水量将为250ppmv。由于宽馏分燃料的水溶解性比煤油燃料稍高，因此燃油结冰的最差情形为宽馏分燃料。由于寒冷条件下所有水的主要部分是初始的每1美加仑所含的0.75毫升（198ppmv）水，因此燃料种类对过滤器结冰分析的影响很小。考虑到宽馏分燃料已不再常用，现今常用的商用航空喷气燃料都是煤油燃料，试验中可采用煤油燃料Jet A。考虑到燃油中含自由水的最差情形条件为-40H时280ppmv（-40H是煤油燃料的最低工作温度下限），试验中应向80H（27℃）时用水饱和的JetA中加入更多的自由水（228ppmv），以达到燃油中含自由水的最差情形条件。

每一个连续运行和紧急运行测试都应该对每一个测试温度进行测试，故总共要在6个温度下进行测试。对于连续运行测试，在28H±2H（-2℃±1℃）的测试持续时间占25%，在13H±2（-11℃±1）的测试持续时间占50%，在飞行中或地面上经历的最低燃油温度测试持续时间占25%。对于紧急运行情况，在每一个测试温度内要持续30分钟。

为获得运行中可能遇到的最临界结冰条件，应使APU在上述寒冷温度下，保持最大ECS模式和额定的发电机负载，在使APU燃油流量最大的飞行条件下进行测试，此时燃油中水/冰的含量达到最大。

持续测试时间应该是设计任务时间加上空中加油时间，或持续测试时间大于3小r。

2.2.2 燃油结冰对其它部件的影响分析

依据Maxwell Smith的《Aviation Fuel》，当燃油的饱和溶液和水冷却到冰点以下，燃油中会形成冰，在此种条件下，预期会有直径范围大约为1～5微米的冰粒均匀地在燃油的各个部分形成，并且作为独立的颗粒悬浮着[6]。因此仅需考虑最大5微米的冰粒是否能通过燃油系统。

对于燃油系统的其他部分，可通过比较预期冰粒大小（5微米）和燃油系统内存在限制（如过滤器、滤网等过滤元件及通道尺寸）的方式来评估燃油结冰对其的影响。

其中，过滤元件的过滤效率通过过滤精度来定义。过滤精度指通过过滤元件所能去除的颗粒的公称尺寸。绝对过滤精度指能通过过滤元件的最大球直径，它反映了过滤元件的最大孔径。名义过滤精度指过滤元件能够滤除按重量计98%的大于某一尺寸的颗粒，该尺寸即为名义过滤精度[7]。对于过滤器、滤网等过滤元件，应考虑列出其绝对过滤精度和名义过滤精度，并与预期冰粒大小进行比较。

下文以131-9[B]的燃油系统部件为例进行分析。

燃油流量分配器：燃油从燃油控制装置流到燃油分配器，包含了一个名义过滤精度40微米，绝对过滤精度60微米的滤网，最小通道尺寸228微米，因此冰粒可正常通过。

燃油喷嘴：包含一个名义过滤精度73微米的滤网，最小通道尺寸178微米，因此冰粒可正常通过。

联接管道或软管：作为燃油输送系统的剩余部分，管道和软管联接了三个主要部件，它们的内部通道远大于表2中列出的，因此冰粒可正常通过。

综上，燃油系统内的过滤器、滤网等过滤元件及通道的尺寸均大于预期冰粒大小，燃油结冰不会对这些部分造成影响。

2 结论

本文分析了APU燃油结冰相关适航条款的要求，基于APU燃油系统的结构特征提出了一种试验和分析结合的燃油结冰验证方法：

1）对于燃油控制单元（FCU），按照ARP-1401B推荐的燃油配制方法和试验方法进行结冰测试试验，试验中应选择煤油燃料Jet A，并向80H （27℃）时用水饱和的JetA中加入更多的自由水（228ppmv）以达到燃油中含自由水的最差情形条件。

2）对于燃油系统的其他部分，可通过比较预期冰粒大小（5微米）和燃油系统内存在限制（如过滤器、滤网等过滤元件及通道尺寸）的方式来评估燃油结冰对其的影响。

【参考文献】

[1]《航空发动机设计手册》编委会.辅助动力装置及动力机[M].北京：航空工业出版社，2007.

[2]金中平.辅助动力装置及其标准发展综述[J].航空标准化与质量，1998（4）：19-22.

[3]中国民用航空局.CCAR-25中国民用航空规章第25部：运输类飞机适航标准[S].北京：中国民用航空局，2011.

[4]SAE-ARP-1401.Aircraft Fuel System and Component Icing Test[S].

[5]Coordinating Research Council. Handbook of Aviation Fuel Properties， CRC Report No.635， 3rd Edition[R].2004.

[6]Maxwell Smith.. Aviation Fuels [M].Foulis，1970.

[7]胡声林.过滤精度定义存在的若干问题探讨[J].液压与气动，1992（4）：51-54.