阅读说明：本技术 用于飞行器的辅助动力单元的控制方法 (Method for controlling an auxiliary power unit for an aircraft ) 是由 薛勇 郭军亮 胡锦旋 岳鹏 周云 黄春光 于 2020-05-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于飞行器的辅助动力单元的控制方法,包括以下步骤：启动辅助动力单元(10)；确定飞行器处于飞行阶段还是地面阶段(20、30)；若确定飞行器处于飞行阶段期间,检测是否有应急情况(40)；以及在未检测到应急情况时,启动飞行器的燃油箱惰化系统的引气(50),即,将辅助动力单元产生的引气提供给燃油箱惰化系统。通过将辅助动力单元提供惰化引气作为其飞行期间的主要功能,使得辅助动力单元在提供惰化引气时,其工作处于高效率状态,即为该特定工况设计的一种工作状态,其燃油燃烧转化为引气增压的效率较高,同时该压力下惰化系统制取氮气的效率较高。(The invention relates to a method for controlling an auxiliary power unit for an aircraft, comprising the following steps: starting the auxiliary power unit (10); determining whether the aircraft is in a flight phase or a ground phase (20, 30); if it is determined that the aircraft is in the flight phase, detecting whether an emergency situation exists (40); and starting bleed air (50) of a fuel tank inerting system of the aircraft when the emergency situation is not detected, i.e. providing bleed air generated by the auxiliary power unit to the fuel tank inerting system. The auxiliary power unit provides inerted bleed air as a main function during the flight, so that when the auxiliary power unit provides the inerted bleed air, the auxiliary power unit works in a high-efficiency state, namely a working state designed under the specific working condition, the efficiency of converting fuel oil combustion into the bleed air and increasing the pressure is high, and meanwhile, the efficiency of preparing nitrogen by an inerting system under the pressure is high.)

用于飞行器的辅助动力单元的控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于飞行器的辅助动力单元(APU)的控制方法，更具体的说，涉及一种以惰化引气为主要飞行工况的APU控制方法。

背景技术

飞行器燃油箱的上部空间内充满了可燃的油气混合物，其易燃、易爆的特点严重威胁着飞行安全，因此必须采取有效措施以减少其燃爆发生的概率，并降低其危害程度。在燃油箱保护系统中，降低燃油箱上部空间中的氧气浓度可有效防止燃油箱起火爆炸，保证乘客和飞行器安全。

降低燃油箱氧气浓度目前通常采用惰化系统对燃油箱供应惰性气体(如氮气或二氧化碳等气体)来实现。具体地说，发动机向惰化系统供气，惰化系统将引气降温后通入到空气分离器中，利用该空气分离器分离引气中的氮气，制取富氮气体。将富氮气体通入到燃油箱内，以降低燃油箱内气相空间的氧气浓度，来防止燃油箱爆燃并保护燃油箱的安全。

APU类似于一个简化的小型发动机，它通过燃烧燃油为发动机、空调系统提供应急引气，或者为发电机提供应急机械功率，是常规引气和发电系统的备份，只在应急情况下使用。

当飞行器的发动机未启动时，APU可以为飞行器提供辅助引气与机械功率，其典型工况如下所述：

(a)在地面4,572米(即，15,000英尺)高度以下要满足以下两条：

(i)能为空调系统或主发动机启动提供引气；

(ii)能同时提供引气和发电机轴功率；

(b)在空中12,131米(即，39,800英尺)高度以下为发电机提供轴功率；

(c)在空中8,382米(即，27,500英尺)高度以下在为主发动机启动提供引气的同时还为发电机提供轴功率；

(d)在空中6,096米(即，20,000英尺)高度以下在为环控系统提供引气的同时还为发电机提供轴功率。

设置APU的目的不仅是为了降低飞行中发生事故的可能性，更是为了减少对地面设备的依赖，因此其飞行中的功能并没有被充分开发。通常，APU在飞行中处于停机状态，当发动机停车或发动机出现故障时，APU才会启动，为发动机启动提供引气，或为发电机提供机械功率。然而，这些应急情况出现的概率很低。随之而来的结果就是，在正常情况下APU不会工作，成为飞行中的闲置重量。以某型号150座机的APU为例，其重量约为170kg，这不仅增加了燃油消耗率，还降低了经济性。

目前，有一些专利文献涉及对APU的闲置功能进行开发。

例如，在由美国技术股份有限公司于2014年6月24日提交的美国专利申请US20160369700A1中公开了一种增强型APU的操作性能。在该文献中，主要提及了利用ASM的氧气供给APU燃烧燃油以促进APU燃烧。

又例如，在由霍尼韦尔公司于2017年2月16日提交的美国专利US9731834B2中公开了一种具有集成罐和能量发生器的飞行器系统和方法。在该文献中，主要提及了利用燃油箱内的燃油蒸汽燃烧所产生二氧化碳对燃油箱进行再惰化。

但是，上面这些技术并未将APU与前文提到的燃油箱惰化系统关联起来，因此对于惰化系统没有任何促进之处。

为此，需要设计一种以惰化引气为主要飞行工况的APU控制方法。当应急情况出现时，APU可以关闭向惰化系统的引气，将其切换到应急状态，向发动机提供启动引气或向空调组件提供引气，或向发电机提供应急发电的机械功率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以惰化引气为主要飞行工况的APU控制方法。当应急情况出现时，APU装置可以关闭向惰化系统的引气，将其切换到应急状态，向发动机提供启动引气或向空调组件提供引气，或向发电机提供应急发电的机械功率。

本发明涉及一种用于飞行器的辅助动力单元的控制方法，包括以下步骤：

启动辅助动力单元；

确定飞行器处于飞行阶段还是地面阶段；

若确定飞行器处于飞行阶段期间，检测是否有应急情况；以及

在未检测到应急情况时，启动飞行器的燃油箱惰化系统的引气，即，将辅助动力单元产生的引气提供给燃油箱惰化系统。

较佳地是，在检测到应急情况时，使辅助动力单元恢复正常运行，具体地说，包括停止将辅助动力单元产生的引气提供给飞行器的燃油箱惰化系统，并且根据应急情况的种类执行以下工况中的至少一种：：

(i)将辅助动力单元产生的引气提供给飞行器的发动机；

(ii)将辅助动力单元产生的引气提供给飞行器的空调组件；和

(iii)向飞行器的发电机提供机械功率。

另一方面，在确定飞行器处于地面阶段期间，将辅助动力单元产生的引气提供给燃油箱惰化系统的运行优先级置于辅助动力单元的正常运行之后。

较佳地是，当燃油温度超过预先设定的温度值时，将辅助动力单元产生的引气提供给燃油箱惰化系统的运行优先级升高到辅助动力单元的正常运行之前。

更佳地是，预先设定的温度值为燃油的闪点。

在另一个较佳实施例中，在乘客登上飞行器之前，将辅助动力单元产生的引气提供给燃油箱惰化系统。

较佳地是，地面阶段当燃油箱内的氧浓度降低到规定浓度之下时，使辅助动力单元恢复正常运行。

更佳地是，规定浓度为12％。

在又一个较佳实施例中，当乘客开始登上飞行器时，停止将辅助动力单元产生的引气提供给燃油箱惰化系统，并且仅将辅助动力单元产生的引气提供给飞行器的空调组件。

在再一个较佳实施例中，在检测到辅助动力单元或辅助动力单元所在的舱室发生火警时，将辅助动力单元产生的引气提供给飞行器的燃油箱惰化系统并从燃油箱惰化系统中获得富氮气体，将富氮气体引入到辅助动力单元或舱室以阻止燃烧。

根据本发明的以惰化引气为主要飞行工况的APU控制方法能够获得以下优点：

(1)通过将APU提供惰化引气作为其飞行期间的主要功能，使得APU在提供惰化引气时，其工作处于高效率状态，即为该特定工况设计的一种工作状态，其燃油燃烧转化为引气增压的效率较高，同时该压力下惰化系统制取氮气的效率较高。(2)当飞行器在地面时，惰化系统不工作，可以减少尾气对空气分离器的损害，延长其使用寿命、降低维修成本、提高了经济性。

(3)利用APU替代发动机进行引气，使得APU在飞行期间从无用的重量变为能够提供引气的系统，还降低了发动机引气的消耗，增强了发动机推力，提高了经济性。

(4)除了增加APU手动控制开关的方式开启惰化引气，还可以通过系统自动逻辑实现开启。尤其是，通过自动逻辑或人工控制，可以在寒冷天气下关闭惰化系统。由于此时燃油温度远远低于其闪点，根本无需惰化燃油箱就能确保其安全。

(5)在APU或APU舱发生火警时，将富氮气体引入到APU舱，以阻止燃烧。与燃油箱相比，APU舱较小，富氮气体在短时间内就可以将燃油箱的氧浓度降低到12％以下，从而有效地阻止了燃烧。

(6)对于未使用发动机引气的飞行器，比如利用座舱引气增压的惰化系统，可以利用APU作为备份引气，提高了惰化系统的可靠性。这对于满足适航条款规定的惰化系统可靠性要求有着重要意义。

附图说明

为了进一步说明根据本发明的用于飞行器的辅助动力单元的控制方法的技术效果，下面将结合附图和

具体实施方式

对本发明进行详细说明，其中：

图1是根据本发明的用于飞行器的辅助动力单元的控制方法的流程图；以及

图2是应用根据本发明的用于飞行器的辅助动力单元的控制方法的场景示意图。

附图标记

10 启动APU

20 确定飞行器是否处于飞行阶段？

30 确定飞行器是否处于地面阶段？

40 检测是否有应急情况？

50 启动惰化系统的引气

60 使APU恢复正常运行

100 APU

200 燃油箱惰化系统

300 燃油箱

400 APU舱

具体实施方式

下面结合附图说明根据本发明的用于飞行器的辅助动力单元的控制方法的技术效果。

图1是根据本发明的用于飞行器的辅助动力单元的控制方法的流程图。如图1所示，首先实施APU的启动步骤10，之后确定飞行器处于飞行阶段还是地面阶段。当飞行器在空中飞行或在起飞与降落的过程中，则确定该飞行器处于飞行阶段；当飞行器驻留在地面上时，则确定该飞行器处于地面阶段。上述确定步骤虽然在图1中被分解为两个步骤，即确定步骤20和30，但是对于本领域技术人员易于理解的是，也可根据人工输入结果直接确定飞行器所处的阶段，从而将上述两个确定步骤予以省略。这样的变型也应当落在本发明的保护范围之内。

若确定飞行器处于飞行阶段期间，继续检测是否有应急情况40。如果没有检测到应急情况，则将APU产生的应急引气提供给飞行器的燃油箱惰化系统、即，启动燃油箱惰化系统的引气50。

利用APU替代发动机进行引气，使得APU在飞行期间从无用的重量变为能够提供引气的系统，还降低了发动机引气的消耗，增强了发动机推力，提高了经济性。

但是，如果检测到诸如发动机停车等应急情况，则停止将APU产生的应急引气提供给飞行器的燃油箱惰化系统，即，使APU恢复正常运行60，并且根据应急情况的种类执行以下工况中的至少一种：

(i)将APU产生的应急引气提供给飞行器的发动机，确保发动机正常工作；

(ii)将APU产生的应急引气提供给飞行器的空调组件，确保机舱内的空气供给，保证机内人员的呼吸正常；和

(iii)向飞行器的发电机提供机械功率，以确保安全飞行的关键系统正常工作。

另一方面，在确定飞行器处于地面阶段期间，优先向发动机提供启动引气或向空调组件提供引气，即，将APU产生的应急引气提供给燃油箱惰化系统的运行优先级置于APU的正常运行之后。

当飞行器在地面时，惰化系统不工作，可以减少尾气对空气分离器的损害，延长其使用寿命、降低维修成本、提高了经济性。

如果地面温度很高，导致燃油温度超过预先设定的温度值，则升高惰化系统的引气的优先级，即，将APU产生的应急引气提供给燃油箱惰化系统的运行优先级升高到APU的正常运行之前，以保护燃油箱的安全。

先前所述的预先设定的温度值通常为燃油的闪点。众所周知，JETA或RP3的闪点约为37-38℃，因此在本发明的较佳实施例中，可以将上述预先设定的温度值设定为37-38℃。

在本发明的一个较佳实施例中，还可以设计成在乘客登上飞行器之前，将APU产生的应急引气提供给燃油箱惰化系统，以全面保护乘客的安全。

地面阶段当燃油箱内的氧浓度降低到规定浓度(通常为12％)之下时，则停止将APU产生的应急引气提供给燃油箱惰化系统，即，使APU恢复正常运行60。这是因为当燃油箱内的氧浓度降低到12％以下的话，燃油箱的惰化状态可以维持较长时间，无需持续工作。

或者，当乘客开始登上飞行器时，停止将APU产生的应急引气提供给燃油箱惰化系统，即，使APU恢复正常运行60。此时，仅需将APU产生的应急引气提供给飞行器的空调组件，以将飞机温度降低到舒适水平。

由此可见，在增加了APU的工作工况后，本领域普通技术人员能够获得一种具有特定功能的特定工况，即在全飞行包线范围内为惰化系统提供引气，使得惰化系统能够制取富氮气体。当APU提供惰化引气时，其工作在高效率状态，即为该特定工况定制的一种工作状态，其燃油燃烧转化为引气增压的效率较高，同时该压力下惰化系统制取氮气的效率较高。

对于未使用发动机引气的飞行器，比如利用座舱引气增压的惰化系统，可以利用APU作为备份引气，提高了惰化系统的可靠性。这对于满足适航条款规定的惰化系统可靠性要求有着重要意义。

图2是应用根据本发明的用于飞行器的辅助动力单元的控制方法的场景示意图。

如图2所示，APU100设置在APU舱400内。在检测到APU100或APU100所在的APU舱400发生火警时，将APU100产生的应急引气提供给飞行器的燃油箱惰化系统200并从燃油箱惰化系统200中获得富氮气体，将富氮气体引入到APU100或APU舱400以阻止燃烧。由于和燃油箱相比，APU舱400较小，富氮气体在短时间内可以将燃油箱300的氧浓度降低到12％以下，从而有效地阻止燃烧。

虽然以上结合了较佳实施例和附图对根据本发明的用于飞行器的辅助动力单元的控制方法的运行步骤及其应用场合进行了说明，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，上述示例仅是用来说明的，而不能作为对本发明的限制。因此，可以在权利要求书的实质精神范围内对本发明进行修改和变型，这些修改和变型都将落在本发明的权利要求书所要求的范围之内。