座艙排氣供某設(shè)備通風(fēng)冷卻技術(shù)研究

馬春香，趙文婷，劉治博，施振飛，陳 偉

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

0 引言

某教練機(jī)某設(shè)備需要環(huán)控系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)冷卻，要求滿足強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱量3.8kW。而中低空沖壓空氣含濕量較大，為了保證無(wú)游離水或冰進(jìn)入某設(shè)備艙，環(huán)控系統(tǒng)不能單純采用沖壓空氣冷卻，氣源必須使用發(fā)動(dòng)機(jī)引氣。而發(fā)動(dòng)機(jī)可供引氣量有限，不允許再做一套系統(tǒng)來(lái)冷卻某設(shè)備艙，所以開展采用座艙排氣作為冷源來(lái)給某設(shè)備進(jìn)行通風(fēng)冷卻的技術(shù)研究。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用座艙排氣為某設(shè)備提供通風(fēng)冷卻的方案即從座艙壓力調(diào)節(jié)器排氣活門處接一管路將座艙的排氣通給某設(shè)備機(jī)箱（原理見(jiàn)圖1）。

1.1 制冷量理論計(jì)算

1.1.1 某設(shè)備通風(fēng)冷卻要求

風(fēng)量：≥400kg/h，強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱量：3.8kW

圖1 座艙排氣供某設(shè)備通風(fēng)冷卻原理

1.1.2 制冷量計(jì)算

根據(jù)公式，制冷量Φ＝qcp(tc-ti)；[1]

式中:

q為供氣流量；

cp=1.0 kg/(kg·K)為空氣的質(zhì)量定壓熱容；

t=55℃為某設(shè)備艙排氣溫度；

ti為供氣入口溫度。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出座艙排氣可為某設(shè)備通風(fēng)冷卻提供的制冷量如表1所示。

1.1.3 計(jì)算結(jié)果分析

從計(jì)算得出的結(jié)果可以看出，座艙排氣可提供的制冷量在11000m時(shí)最低，為3.95kW，而某設(shè)備需求的制冷量為3.8kW。因此，環(huán)控系統(tǒng)某設(shè)備通風(fēng)冷卻采用座艙排氣提供冷源，其制冷量可以滿足某設(shè)備的通風(fēng)冷卻需求。

表1 座艙排氣可為某設(shè)備通風(fēng)冷卻提供的制冷量表

1.2 管路設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)總體協(xié)調(diào)，結(jié)合飛機(jī)上的空間、排氣活門尺寸和某設(shè)備機(jī)箱進(jìn)風(fēng)口形狀，設(shè)計(jì)出了從座艙壓力調(diào)節(jié)器出口至某設(shè)備機(jī)箱的管路，管路圖形如圖2所示。

圖2 某設(shè)備通風(fēng)冷卻供氣管路

2 地面模擬試驗(yàn)

2.1 某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管路阻力特性試驗(yàn)

試驗(yàn)原理如圖3所示。

圖3 某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管路阻力特性試驗(yàn)原理

某設(shè)備通風(fēng)管和某設(shè)備阻力特性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，某設(shè)備通風(fēng)管和某設(shè)備的總流阻、某設(shè)備的流阻均隨供氣流量的增加而增加。供氣流量由229.3kg/h變化到699.61kg/h時(shí)，某設(shè)備通風(fēng)管和某設(shè)備的總流阻由1.4kPa增加到10.9kPa，而某設(shè)備的流阻所占比重較大，由1kPa增加到8.1kPa。

表2 某設(shè)備通風(fēng)管和某設(shè)備阻力特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 安裝某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管前、后分別進(jìn)行座艙壓力調(diào)節(jié)器靜、動(dòng)態(tài)聯(lián)合試驗(yàn)

試驗(yàn)原理如圖4所示。

圖4 安裝某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管前、后的座艙壓力調(diào)節(jié)器靜、動(dòng)態(tài)聯(lián)合試驗(yàn)原理

圖5 安裝某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管前、后的壓調(diào)靜態(tài)特性

將供氣流量為400kg/h的狀態(tài)試驗(yàn)結(jié)果繪制出靜態(tài)特性曲線見(jiàn)圖5。

從圖5可以看出，在自由通風(fēng)區(qū)，有某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管的座艙壓力要大于沒(méi)有安裝某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管的座艙壓力；在絕對(duì)壓力調(diào)節(jié)區(qū)，有某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管的座艙壓力與沒(méi)有安裝某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管的座艙壓力基本一致。這是因?yàn)樵谠谧杂赏L(fēng)區(qū)，排氣活門后安裝了某設(shè)備通風(fēng)管和某設(shè)備后，給從壓力調(diào)節(jié)器出來(lái)的氣體增加了流動(dòng)阻力；而在絕對(duì)壓力調(diào)節(jié)區(qū)，由于壓力調(diào)節(jié)器的壓力調(diào)節(jié)作用，抵消了某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管的流動(dòng)阻力的緣故[2]。

供氣流量為400kg/h的狀態(tài)座艙余壓曲線圖見(jiàn)圖6。

從圖6可以看出：

1）飛機(jī)俯沖時(shí)兩種安裝方式的座艙余壓曲線比較

在飛機(jī)俯沖階段，飛機(jī)從飛行高度為14000米的高度上開始俯沖，沒(méi)有安裝某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管狀態(tài)下的座艙余壓為26.98kPa，隨著飛行高度的降低，座艙余壓逐漸減小，到達(dá)自由通風(fēng)區(qū)后座艙壓力只比大氣壓力高出一點(diǎn) （壓差為排氣活門的阻力）；在安裝了某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管的座艙余壓為28.9kPa，這是因?yàn)轱w行高度大于10000米時(shí)，進(jìn)入余壓調(diào)節(jié)區(qū)，飛機(jī)座艙的余壓應(yīng)隨著高度的變化而保持不變 （標(biāo)準(zhǔn)值為29.4Kpa）。但由于隨著飛行高度的增加，座艙排出的氣體密度在減小，排氣阻力在增加，使得座艙余壓逐漸增加，因此在10000米高度以上，由于排氣阻力的影響，安裝了某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管的座艙壓力大于沒(méi)有安裝某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管的座艙壓力。

在自由通風(fēng)區(qū)，沒(méi)有安裝某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管的座艙壓力和安裝了某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管的座艙壓力與大氣壓力基本相近。

在絕對(duì)壓力調(diào)節(jié)區(qū)和自由通風(fēng)區(qū)，兩種安裝方式的壓力調(diào)節(jié)規(guī)律基本相當(dāng)。整個(gè)俯沖階段，座艙壓力是一增加過(guò)程，環(huán)控系統(tǒng)供入座艙的空氣流量一部分經(jīng)壓力調(diào)節(jié)器活門排出，另一部分用來(lái)向座艙充壓，以提高座艙壓力，這個(gè)過(guò)程中排氣活門的排氣流量要小于環(huán)控系統(tǒng)的供氣量，因此此時(shí)排氣阻力要小于正常供氣時(shí)的阻力，座艙壓力就要小于正常的座艙壓力。

2）飛機(jī)爬升時(shí)兩種安裝方式的座艙余壓曲線比較

在飛機(jī)的爬升過(guò)程中（3000m到10000m），座艙壓力是隨著高度的增加而減小。

在自由通風(fēng)區(qū)，安裝了某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管的座艙壓力變化速率有所減緩。這是因?yàn)榘惭b了某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管的座艙壓力受排氣阻力的影響，在同樣供氣流量下，隨著高度的增加，排氣阻力在增加，這樣使得座艙壓力與大氣壓力的差值逐步在增加，最終使得座艙壓力變化速率有所減緩。

在自由通風(fēng)區(qū)和絕對(duì)壓力調(diào)節(jié)區(qū)的前半段，安裝某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管后，座艙壓力大于正常的座艙壓力。這是因?yàn)樵谂郎倪^(guò)程中不僅由空調(diào)系統(tǒng)供給座艙的空氣流量要通過(guò)座艙壓力調(diào)節(jié)器的排氣活門排出艙外，而且由于座艙壓力的降低而多出的部分氣體也需要從排氣活門排出艙外，在這個(gè)過(guò)程中排氣活門的排氣流量大于空調(diào)系統(tǒng)的供氣量，排氣阻力要大于正常供氣時(shí)的阻力，如果此時(shí)的排氣阻力大于壓力調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)能力時(shí)，座艙壓力就會(huì)大于正常的座艙壓力。

圖6 安裝某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管前、后的動(dòng)態(tài)座艙余壓曲線圖

在絕對(duì)壓力調(diào)節(jié)區(qū)的后半段和余壓調(diào)節(jié)區(qū)，安裝某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管前、后的座艙壓力基本一致，這是因?yàn)殡S著飛行高度的增加，座艙壓力達(dá)到壓力調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)范圍時(shí)，由于壓力調(diào)節(jié)器的調(diào)壓作用，抵消了排氣阻力。

3 結(jié)論

1）加裝了某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管后增加了排氣活門的排氣阻力。

2）在壓力調(diào)節(jié)器的靜態(tài)特性中，在自由通風(fēng)區(qū)，安裝了某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管后的座艙壓力大于沒(méi)有安裝某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管的座艙壓力。在絕對(duì)壓力調(diào)節(jié)區(qū)，安裝某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管后對(duì)座艙壓力影響較小。在10000m以上余壓調(diào)節(jié)區(qū)，加裝了某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管后的座艙壓力基本保持在規(guī)定的壓力值范圍內(nèi)。

3）在壓力調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)特性中，飛機(jī)俯沖時(shí)，兩種安裝方式對(duì)座艙壓力制度的影響基本相當(dāng)，無(wú)明顯區(qū)別。

4）在壓力調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)特性中，飛機(jī)爬升時(shí)，加裝了某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管后使活門排氣阻力增加，在自由通風(fēng)區(qū)和部分絕對(duì)壓力調(diào)節(jié)區(qū)致使座艙壓力大于規(guī)定的值。直至10000m以上余壓調(diào)節(jié)區(qū)，座艙余壓基本在規(guī)定的余壓值范圍內(nèi)。

[1]壽榮中，何慧姍.飛行器環(huán)境控制.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.

[2]王浚,徐揚(yáng)禾.飛機(jī)座艙參數(shù)控制.北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1980.