拯救了155名乘客的APU技术如何武装你的车——涡轮增压的航空DNA

张荣博士

本科在清华大学学习汽车工程;硕士在加拿大McMaster大学学习实验流体力学,独立进行了柴油机EGR积灰的实验研究;博士在加拿大西安大略大学学习计算流体力学和控制。曾在博格华纳北美技术中心从事多种新增压概念研究,其工作已经产品化。现在霍尼韦尔汽车零部件部门,历经新型本土汽油增压器研发、产品线开发、应用工程等工作。

说起霍尼韦尔的涡轮增压器与航空技术的渊源,最直观的产品就是由霍尼韦尔发明的飞机上的APU(辅助动力装置)APU是一个小型燃气涡轮发动机,也可以类比一个超大的涡轮增压器。如图可见,APU的核心部分和涡轮增压器一样,也是压气机和涡轮机。高温燃气推动涡轮机做功,带动压气机压缩空气。在APU上,多出来了燃烧室,高压空气在燃烧室燃烧,然后把高温燃气提供给涡轮机做功;而在汽车发动机上,发动机扮演了燃烧室的角色。当然APU整体结构更为复杂,还多一些附件,包括自身的控制部分、机械传动部分来带动液压系统、发动机等等。和庞大的飞机发动机相比,APU的体积相对袖珍得多。
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值得信赖的“小个子”
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别看APU藏在飞机尾部不起眼,但它会在飞机起飞前就开始工作,包括给客舱加压、供暖、照明,给用呼吸面罩供氧,飞行系统等电子设备的电力供应,并充当飞机动力的最后安全保障,在关键时刻提升飞机迫降成功率


 比如最近横扫北美院线票房的一部超燃电影《萨利机长》,故事再现了 9年前被称为航空史上的奇迹的哈德逊河水上迫降,在飞机双引擎全部失效后,155名乘客全部生还的全过程,而老戏骨汤姆·汉克斯凭精湛的演技,刻画了指挥迫降的机长Sully在28秒迫降过程中的指挥若定和这个决定前后的心理煎熬,一举拿下好莱坞电影节最佳男演员奖。这个迫降事件的成功因素之一,正是这位机长及时启动了APU,让庞大的A320以最低的空速在水面迫降成功。

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图片来自美联社


上文出现的双侧引擎失效的案例绝对是极个别的现象。飞机上的发动机,可靠性非常之高。大型客机的发动机一般是两台,或者四台。


而APU因为守卫着最后的安全动力防线,要保证在上万米高空,0.3个大气压,零下50度的室外环境下保障乘客最基本的生存条件,更需要百分百的安全可靠。因此,它的成本会和飞机的主发动机在一个量级。

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APU技术如何“落地”

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说到这里,开T动力车的车主可能要问了:“难道我车上的增压器也这么贵吗?” 其实不然。他们的价格差与鸵鸟蛋和鸡蛋之间的差距差不多。


航空部件和乘用车部件的设计取向完全不同,因此造价差异很大。

首先,车用动力的安全性要求比飞机要低很多;

第二,乘用车的产量和飞机完全不是一个量级,大批量生产必然带动供应商的价格下降;

第三,也是最重要的,整车厂的发动机成本约束是限制死的,必然要求供应商想尽办法控制成本。比如霍尼韦尔的涡轮增压器,很多部件的国产化率达到80%以上,但质量和性能表现完全符合标准。

要知道,技术含量的高低不应以价格为衡量标准(至少不是唯一标准)。举个例子,我们把卫星发上天这个是高科技,但是如果可以不用瘦肉精,不用抗生素,还能把猪肉价格保持不变,这个应用的技术含量绝对是很高的!同样的道理,车子又便宜又可靠,绝对是技术含量非常非常高的事情!


说回文章开头,APU和增压器这两者价格差了上百倍,会有联系么?答案是肯定的。我们可以举一个很有技术含量的例子:

640.webp (1).jpg某APU内部结构


上面的图是一个APU解剖图。红色圈内是它的涡轮(燃烧后的空气通过涡轮做功),淡红色的箭头是燃气流动方向。可以看到,涡轮有四圈叶片,实际是两级,其中两圈是定子(不转的),两圈是动子(转的),燃气燃烧后,先经历一圈定子整流,然后进入第一级转子做功;然后再进入定子整流,再进入第二级转子做功。我们可以想象,当它的转子高速旋转时,后面的每一个叶片,都需要不断经历从前面叶片流过来的气流。而前面流过来的气流是“一下一下”的。就是说,每经历一个前面的叶片,后面的叶片就会被冲击一下,因为它的转速很高,叶片很多,所以每一个叶片每秒钟都会经历很多次这样的冲击。每秒很多次,这就是“频率”。我们把这样的“冲击”叫作“高周激励”。


假设转子在30000转工作,前级定子有30个叶片,对应的频率就是1,5000 Hz。这个频率又会耦合出“倍频”。对机械件来说,这样的频率就是非常高的频率了。


工程上,零件也好、系统也好,都有自己的“固有频率”,一旦外界出现一个在“固有频率”上的激励,系统就会共振,严重的系统就会失效。


如果上面的文字有点烧脑,那就举一个通俗的例子。
比如小明有过一个前女友,他老婆对此耿耿于怀,那这个系统的“固有频率”就是那个前女友。我们把前女友加进来,这个三人系统就会共振,严重的时候就会失效(请自行脑补)。叶片如果出现了这样的共振失效,我们叫作高周失效(HCF,High Cycle Fatigue),这是叶轮机械中非常严重的问题。所以,叶轮机械的设计都必须把固有频率设计的比较高,高于所有可能遇到的情况。


很显然,APU和航空发动机在这方面的问题比涡轮增压器要复杂,难度也大。所以,如果可以系统地解决APU和航空发动机上的高周问题,那放到增压器上就没有本质困难了。对于霍尼韦尔来说,作为全球最大的APU供应商,在这方面建立的设计准则自然可以转移到车用增压器上。

比如当年霍尼韦尔刚开始作VNT产品时,遇到了严重的高周问题,轮子裂的一塌糊涂。做实验的小伙伴们都用无辜的眼神彼此凝视。当时的气动经理把自己关在办公室一天,和航空部门的同事讨论了一下,就搞明白了问题,制定了解决方案。搞明白问题需要的是清晰的工程概念,而制定解决方案就需要既有的设计准则。这就是设计准则的重要。


同样的,在材料、叶片工艺、气动模型、轴承模型等等方面,霍尼韦尔的涡轮增压器都受惠于其APU和其它航空产品。当然,增压器的一些行之有效的设计也反过来帮助了航空产品,比如压叶轮的延迟失稳的设计。


总的来说,APU及其它航空动力产品,由于其极强的成本承受能力,极恶劣的工作环境,极大的工程难度,在新材料、新技术、新规范的制定方面可以扮演先驱的角色;而增压器,由于更低的成本要求、更大的生产规模、更快的换代周期,一方面可以及时、大规模接受航空技术,另一方面也提供了很多高技术、低成本的解决方案反哺于其它气动产品。比如增压器部门就帮助设计霍尼韦尔空气净化器的风扇,出来的叶片静音、节能、便宜。由于同时具有这两方面的产品结构,霍尼韦尔的总体技术、成本、对市场的反应速度都具有很强的竞争力。