波音737NG 飛機空調系統構型差異研究

王 艦

（廣州民航職業技術學院，廣東 廣州510403）

0 引言

作為目前國內航空公司的主力機型之一，波音737NG（Next Generation）在公司機隊中擁有著相當龐大的數量。波音737NG 包括了737－600/700/800/900，其中以700和800兩種型號在國內最為常見，它們不僅在尺寸上有所不同，在一些系統構型上也有所差異甚至差異較大，空調系統就是一個典型代表。以下本文就針對波音737－700和737－800在空調系統上的具體差異進行對比介紹。

1 波音737NG 空調系統簡介

波音737NG 飛機的空調系統通過控制調節飛機內部的環境參數如壓力、溫度、濕度、潔凈度及異味等，為飛機上的人員、設備以及貨物提供一個合適的環境，從而保證機組和乘客的安全舒適、貨艙貨物的正常運輸、機載電子設備的可靠工作以及飛機結構的安全。它主要由分配系統、增壓系統、冷卻系統、溫度控制系統和加溫系統組成。其中，冷卻系統將氣源系統提供過來的高溫引氣冷卻，形成冷路空氣；溫度控制系統通過控制冷熱兩路空氣的混合來控制駕駛艙和客艙區域的溫度；分配系統的主要作用包括將調節好的空調空氣輸送到各個艙區、循環使用部分客艙空氣、提供飛機廚房和廁所的通風以及實現電子設備的冷卻；增壓系統的基本任務是保證在給定的飛機高度范圍內，座艙壓力及其變化速率滿足乘員較舒適生存的需求和飛機結構的安全；加溫系統負責前后貨艙區域以及一些艙門區域的加溫。這其中冷卻系統是核心和關鍵，它直接決定了飛機空調系統的工作性能。波音737－700 和737－800 的空調系統，在冷卻系統和溫度控制系統上有著明顯的構型差異，而其他子系統的組成和工作原理則大致相同。

2 冷卻系統的構型差異

波音737NG 飛機有左右兩套冷卻組件，采用的是空氣循環冷卻系統，使用渦輪冷卻器和熱交換器兩種冷卻裝置來將高溫引氣冷卻。其中渦輪冷卻器是核心部件，在飛機手冊中又稱空氣循環機ACM（Air Cycle Machine），它由單級的渦輪、壓氣機和風扇共軸安裝，壓氣機位于渦輪和風扇之間，由空氣軸承支撐這個旋轉組件，所以整個系統又名三輪式空氣循環冷卻系統。

圖1為波音737－700的空調系統原理圖。來自氣源系統的引氣經過流量控制活門后一路進入組合式熱交換器的初級熱交換器，獲得初步冷卻，再流經空氣循環機的升壓式壓氣機，壓力提高但溫度又有所回升，再經過次級熱交換器冷卻，最后通過渦輪膨脹降溫形成冷路空氣。空氣流經渦輪膨脹做功的軸功率帶動同軸的壓氣機和風扇轉動。風扇在飛行中協助沖壓空氣流動作為組合式熱交換器的冷邊空氣；在地面沒有沖壓空氣的情況下，由風扇提供熱交換器的冷邊空氣，從而保證在地面也有足夠的制冷能力。

圖1 737-700冷卻系統與溫度控制系統原理圖

渦輪的出口安裝有一個水分離器，通過其內部的凝結網使渦輪出口的低溫空氣中懸浮的細小水霧凝結成較大的水滴，再通過導向片旋轉產生的離心作用將水滴與空氣分離并收集起來。由于水分離器安裝在渦輪下游的低壓段，所以又稱低壓水分離器。

圖2為波音737－800空氣循環冷卻系統。

圖2 737-800空氣循環冷卻系統原理圖

與圖1中相同，高溫引氣經過流量控制活門后進入組合式熱交換器的初級熱交換器進行初步冷卻，然后進入空氣循環機的升壓式壓氣機增壓，再流經次級熱交換器，最后送往空氣循環機的渦輪。但與圖1中不同的是，從次級熱交換器出來的空氣在送入渦輪之前先進行了除水。如圖2所示，空氣從次級熱交換器出來后進入再加溫器的熱邊，而后進入冷凝器的熱邊，冷凝器的冷邊空氣是下游渦輪出口的冷空氣，由于冷凝器傳熱表面的溫度低于空氣露點溫度，所以空氣中的水蒸氣被凝結出水分來，再通過水分離器將絕大部分析出的水分分離出來，然后再次進入再加溫器的冷邊作為再加溫器的冷卻空氣，同時也可使空氣中未能分離的水分再蒸發，從而保證進入渦輪的空氣已經是非常干燥的空氣。由于是在渦輪的上游也即高壓段進行了除水，所以也稱高壓除水。

因此，相較于737－700，737－800的空調冷卻系統采用了高壓除水，雖然部件增多，管路連接復雜了些，但在同樣的溫度條件下，壓力愈高，凝結出的水分愈多，所以高壓除水效率更高，同時由于在進入渦輪之前就已經除去了絕大部分的水分，有效地防止了渦輪冷卻器結冰，這樣可使設計的渦輪出口允許溫度大大降低，也就意味著在同樣的制冷能力下，飛行時從發動機的引氣量可以大大減少，節省了發動機功率。

3 溫度控制系統的構型差異

溫度控制系統的作用是控制駕駛艙和客艙的溫度，其實現方式是根據需求不斷改變供往座艙空氣的溫度，而改變座艙供氣溫度的基本方法就是控制冷熱路空氣的混合比例。在737－700和737－800的空調溫控系統中，改變冷熱路空氣混合比例的形式是不同的。

圖1中也展示了737－700的溫度控制系統的基本原理。可以看到，來自氣源的高溫引氣經過流量控制活門的流量調節后，分成了冷熱兩路。一路經過冷卻系統形成冷路空氣，另外一路繞過冷卻系統直接送至水分離器的下游并與冷路空氣摻混，冷熱兩路的流量由空氣混合活門來調節，該活門是一個由電機同軸驅動的雙聯蝶形閥，兩個閥芯連軸安裝在冷熱兩路的管道內并同時朝相反的方向作動，如熱路閥朝關閉方向運動時冷路閥則成比例地向開大方向運動。

圖3是737－800的溫度控制系統基本原理圖，來自氣源的引氣經過流量控制活門后分成兩路，一路稱為配平空氣，該熱路空氣經過各支路的配平空氣調節活門分別供向對應的各個溫控艙區；另一路分別供往溫度控制活門、備用溫度控制活門和冷卻組件。溫度控制活門控制該熱路氣體與冷卻組件渦輪冷卻器渦輪出口的低溫空氣混合，從而控制組件出口溫度。備用溫度控制活門作為溫度控制活門失效后的備份，同時也有防止冷凝器結冰的功能。

對比737－700和737－800 的溫度控制系統可以看出，737－700的溫度控制系統設計上更簡單，就只有一路冷路和一路熱路，一個聯動的空氣混合活門同時控制了冷熱兩路的混氣比例，從而控制供往艙區的空氣溫度，這也是因為737－700的溫度控制區域就只有駕駛艙和客艙兩個獨立的區域；而737－800的客艙分成了前后客艙兩個區域，因此各溫控區域都有單獨可調的配平空氣支路，與來自冷卻組件的空氣進行混合形成適當溫度和流量的氣體供往各個艙區。客艙區域的進一步劃分將一個大溫控區域分成了更小的區域，而這種區域溫度控制和組件溫度控制的結合保證了各個溫控區域溫度的獨立調節，并且進一步提高了溫度控制的精度和響應度。

圖3 737-800溫度控制系統原理圖

4 結語

通過對比737－700和737－800 空調系統的差異可以看出，采用高壓除水的冷卻系統有著更高的除水效率和更好的制冷性能，采用區域/組件溫度控制的溫度控制系統有著更好的溫度控制精度和響應度，它們也是目前大多數民航飛機空調系統采用的技術。熟悉這兩種型號飛機空調系統的構型差異，也有助于地面維護人員在進行737NG 機隊維護時減少出錯的可能性。

［1］宋靜波.飛機構造基礎［M］.北京：航空工業出版社，2004.

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