737—800型飛機空調(diào)系統(tǒng)分析

呂霞

【摘 要】空調(diào)系統(tǒng)主要為機組乘客和設備提供一個可調(diào)節(jié)的內(nèi)部環(huán)境，它主要有組件流量控制、組件制冷、區(qū)域溫度控制、再循環(huán)以及空氣分配五個部份的功能。為減少對來自氣源系統(tǒng)新鮮空氣的需求，大約一半的客艙空氣經(jīng)過再循環(huán)系統(tǒng)被重復利用。舒適座艙環(huán)境的調(diào)節(jié)是由飛行員來完成。飛行員根據(jù)季節(jié)特點及航路中的不同需要，必須對座艙溫度進行適當調(diào)節(jié)。本文僅對空調(diào)系統(tǒng)的基本工作原理和幾個比較重要部件進行了簡單的闡述。

【關(guān)鍵詞】空調(diào)系統(tǒng) 空調(diào)分配 溫度控制

波音737-800飛機近年活躍在國內(nèi)外市場，其具有高巡航速度、低油耗、低噪聲的特性，同時具備運營和維護成本經(jīng)濟性的特點，因此該機型成為國內(nèi)眾多家航空公司的熱門選購機型之一。

座艙溫度控制是通過向飛機內(nèi)提供適當適當?shù)膲毫蜏囟鹊臍怏w，讓乘客有一個安全，舒適的乘機環(huán)境。從功能上講，主要有組件流量控制、組件制冷區(qū)域溫度控制、再循環(huán)以及空氣分配五個部分，來自氣源系統(tǒng)的新鮮空氣通過左右兩個流量控制與關(guān)斷活門，進入空調(diào)系統(tǒng)，該活門控制進入飛機的新鮮空氣的量。新鮮空氣進入制冷組件后，被降溫和抽濕，再進入空調(diào)分配系統(tǒng)。對左組件的控制通常可保證駕駛艙制冷，而對右組件的控制則保證對混合總管的制冷。來自組件和地面空調(diào)接口的空調(diào)氣通過分配系統(tǒng)進入溫度控制區(qū)域，區(qū)域溫度控制部分為進入用戶區(qū)域的空調(diào)空氣加溫，并調(diào)節(jié)氣壓，B737-800飛機上有三個溫度控制區(qū)域：駕駛艙區(qū)域、前客艙區(qū)域和后客艙區(qū)域。為了通風，大約一半的客艙空氣經(jīng)過再循環(huán)系統(tǒng)被重復利用，這樣可減少對來自氣源系統(tǒng)新鮮空氣的需求。

1 波音737-800空調(diào)冷卻技術(shù)

波音737-800的飛機的冷卻系統(tǒng)采用三輪式冷卻系統(tǒng)主要由左右發(fā)動機或者APU引氣提供氣源，經(jīng)過三輪式空氣循環(huán)冷卻系統(tǒng)，混合成合適的溫度和壓力為客艙提供舒適的溫度。系統(tǒng)工作過程如下：

來自氣源系統(tǒng)（發(fā)動機、APU）的引氣首先通過流量控制與關(guān)斷活門（FCSOV），控制調(diào)節(jié)進入下一級組件的引氣流量。流量控制與關(guān)斷活門是電控的和氣壓作動的。它由彈簧力保持在關(guān)位。經(jīng)過調(diào)節(jié)后空氣進入主熱交換器，主熱交換器通過沖壓空氣對來自FSCOV的引起進行初級降溫，冷卻過后的空氣進入ACM的壓縮機部分。空氣經(jīng)壓縮升溫后，進入次級熱交換器，次熱交換器接收來自ACM的壓縮空氣，加溫壓縮空氣在次熱交換器通過沖壓空氣再次降溫后變成冷卻壓縮空氣，再經(jīng)水分離器除濕后回到ACM，迅速膨脹，并被送到冷凝器。冷凝器的冷路空氣是渦輪出口的低溫空氣，使流經(jīng)冷凝器的氣體溫度進一步降低，然后氣體流人除水器進行除水。空氣通過高壓水分離器把絕大部分的水分分離，部分沒有分離的水分通過再加溫器內(nèi)再蒸發(fā)，較干燥的空氣進入渦輪膨脹冷卻而獲得很低的溫度，再通過冷凝器，它一方面作為冷源，另一方面把渦輪出口凝結(jié)出的少量水分或冰加溫溶化并蒸發(fā)，使冷凝器出口可提供干燥而較低溫度的空氣，從渦輪經(jīng)冷凝器流出的氣體即為冷路空氣。冷卻系統(tǒng)主要采用了兩種形式的冷卻組件，一是熱交換器，流過它的熱路空氣是發(fā)動機引氣，而冷路空氣是流過沖壓空氣管道的外界空氣，冷熱兩路空氣經(jīng)過熱交換使引氣的溫度降低；二是空氣循環(huán)機（以下簡稱ACM），ACM 由固定于同一傳動軸上的渦輪、壓氣機和風扇組成。當熱空氣流過ACM 的渦輪時，發(fā)生絕熱膨脹的熱力過程，氣體對渦輪做功，帶動渦輪轉(zhuǎn)動；而且氣體的內(nèi)能降低，使流過渦輪的氣體的溫度進一步降低，以降低引氣的溫度。渦輪轉(zhuǎn)動可帶動風扇轉(zhuǎn)動，風扇位于沖壓空氣管道，它可使飛機在地面及低速飛行狀態(tài)下，仍可保證熱交換器有足夠的冷卻空氣。

在主熱交換器進口與ACM 渦輪出口之間的旁通管路上有兩個并聯(lián)的活門，一個是溫度控制活門，另一個是備用溫度控制活門。溫度控制活門用于控制一條旁通熱路空氣，可控制空調(diào)組件的輸出溫度。備用溫度控制活門有兩個作用，它可在正常溫度控制故障時提供組件溫度控制；而且還可以增加組件排氣溫度以防止冷凝器結(jié)冰。

2 波音737-800空調(diào)分配

流經(jīng)流量控制活門的引氣（熱空氣）分別流過左右冷卻組件，產(chǎn)生冷路空氣；另一路引氣（熱空氣）分別流過壓力調(diào)節(jié)活門及三個摻混空氣活門。摻混空氣壓力調(diào)節(jié)活門用于控制通往摻混空氣活門空氣的流量及壓力，它可以調(diào)節(jié)活門下游壓力高于座艙壓力4PSI（磅/平方英寸），從而減低空氣流入座艙時的噪音。三個摻混空氣調(diào)節(jié)活門分別控制三條熱路空氣與相對應的冷路空氣混合，然后將調(diào)節(jié)好的空氣分別輸送到三個座艙區(qū)域。通過控制摻混空氣活門的開度，即可控制冷、熱路空氣的混合比例，從而控制通往座艙空氣的溫度。共有兩個溫度控制器來實現(xiàn)對座艙溫度的自動控制。溫度控制器接受座艙溫度的選擇信號、各座艙區(qū)域溫度傳感器及供氣管道溫度傳感器信號對各座艙區(qū)域溫度進行自動控制。

3 B737-800溫度控制系統(tǒng)特點

B737—800型飛機的座艙溫度控制系統(tǒng)采用了60年代出現(xiàn)的三輪式空氣循環(huán)冷卻技術(shù)（ACM），又稱簡單-升壓式。它利用空氣在渦輪中膨脹作功驅(qū)動同軸壓氣機與風扇進行制冷。由氣源來的高溫高壓空氣在初級熱交換器中預冷后進入壓氣機升壓、升溫，再經(jīng)次級熱交換器冷卻后進入渦輪膨脹作功，并進一步降溫，最后供座艙或電子設備艙使用。它綜合了簡單式空氣循環(huán)冷卻技術(shù)和升壓式空氣循環(huán)冷卻技術(shù)的優(yōu)點，所需的供氣壓力低、功率小、渦輪功率大部分為壓氣機吸收，充分利用能量，解決地面停機狀態(tài)下的座艙制冷問題。ACM由渦輪、壓氣機和風扇在同軸上組成。位于空調(diào)艙內(nèi)ACM通過渦輪內(nèi)的膨脹功來降低氣溫，壓氣機吸收了渦輪大部分功率，在各種飛行條件下仍恩能夠保持空調(diào)系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定。在相同工作條件下，其耗油量小，經(jīng)濟性能突出，對發(fā)動機工作影響也小。ACM由箔托空氣軸承支撐。在高速運動時摩擦力非常小，也不用進行日常加油、清潔等維護，方便了日常維護工作。

冷卻系統(tǒng)的另外一個特點也是難題就是除濕。除濕是為了調(diào)節(jié)空氣中水蒸氣含量過大對人的舒適與工作，以及設備的工作和可靠性帶來不利的影響。在60年代時出現(xiàn)了低壓除水空氣循環(huán)冷卻技術(shù)。它利用在渦輪冷卻器出口（低壓處）安裝一個水分離器的方法進行除水。使用低壓除水空氣循環(huán)冷卻技術(shù)的環(huán)境控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、價格便宜。在70年代飛機上廣泛采用這種技術(shù)。但低壓除水技術(shù)效率低、維修性差，降低了制冷冷力。后來70年代發(fā)展了效率更高的高壓除水技術(shù)，而737-800則采用了這種除水技術(shù)。所謂高壓除水就是指除水發(fā)生在渦輪進口的高壓處。由氣源來的高溫高壓空氣經(jīng)過初級熱交換器預冷后，經(jīng)壓氣機壓縮，空氣的溫度和壓力都升高，進入次級熱交換器降溫，再流入冷凝器熱邊，利用渦輪出口的冷空氣再次降溫。這時空氣的溫度雖高于0°C，但已低于其露點溫度，對應的飽和含濕量仍以水蒸氣的形式存在于氣流中，多余的水蒸氣量要凝析成為游離水珠，夾雜在氣流中流入高壓水分離器，利用離心力將絕大部分的游離水珠從氣流中分離出來，排到次級熱交換器冷邊入口，水的蒸發(fā)潛熱降低沖壓空氣溫度，從而降低次級熱交換器熱邊出口空氣溫度，回收部分能量。空氣經(jīng)高壓除水后，流入渦輪膨脹作功，因為空氣中含濕量已很少，渦輪出口空氣溫度很低，氣流中的水蒸氣又被冷凝出來，成為冰粒子、雪粒子和過冷冰，夾雜在冷氣流中流入冷凝器冷邊，氣流吸熱溫度回升，游離水再度蒸發(fā)成水蒸氣，成為非飽和和低溫空氣供給座艙和電子設備艙。

737-800客艙溫度控制特點是其多余度的客艙溫度控制，其座艙溫度控制由左、右組件/區(qū)域溫度控制器（以下簡稱溫度控制器）控制。溫度控制器可接收來自區(qū)域溫度選擇器、座艙溫度傳感器、區(qū)域管道溫度傳感器、組件溫度傳感器和混合總管溫度傳感器的信號，輸出控制信號，通過控制組件溫度控制活門及摻混空氣活門進行座艙溫度控制。區(qū)域溫度選擇器用于設定座艙溫度，選擇范圍為18— 30℃ 。座艙溫度控制主要包含兩個方面，一是組件溫度控制，它是通過控制溫度控制活門控制冷卻組件的排氣溫度，以滿足區(qū)域溫度控制的需求；二是區(qū)域溫度控制，它是通過控制摻混空氣活門的開度，控制冷熱路空氣的混合比例，以實現(xiàn)座艙區(qū)域溫度控制。當駕駛員選定了合適的座艙溫度后，溫度控制器按照需要最大冷卻區(qū)域的需求控制組件的排氣溫度。它們是通過控制溫度控制活門來控制組件排氣溫度。兩個組件輸出同樣的溫度。組件溫度控制器控制摻混空氣活門將熱空氣與組件排氣混合，通過控制冷熱路空氣的混合比例控制通往三個座艙區(qū)域空氣的溫度。溫度控制器比較設定溫度與座艙區(qū)域當時的溫度（由座艙區(qū)域溫度傳感器感受），產(chǎn)生管道需求信號，此信號用于區(qū)域溫度控制以控制摻混空氣活門，它也用于控制溫度控制活門以進行自動組件溫度控制。在每個組件/區(qū)域溫度控制器內(nèi)都有下列通道：駕駛艙區(qū)域溫度控制通道、客艙區(qū)域溫度控制通道、自動組件溫度控制通道、備用組件溫度控制通道及沖壓空氣作動器控制通道。其通道式控制實現(xiàn)了任何一個溫度控制器都可為另一組件提供自動備用控制。例如駕駛艙區(qū)域溫度控制由右溫度控制器控制（主駕駛艙區(qū)域溫度控制通道），如果主駕駛艙區(qū)域溫度控制失效，則控制系統(tǒng)可自動轉(zhuǎn)換到備用駕駛艙區(qū)域溫度控制通道（左溫度控制器內(nèi)），它同樣可控制摻混空氣活門以控制座艙溫度。如果主及備用駕駛艙區(qū)域溫度控制都失效，區(qū)域溫度控制系統(tǒng)則會關(guān)斷，此關(guān)斷信號可到達溫度控制器的組件控制部分。左溫度控制器控制左組件以滿足駕駛艙區(qū)域管道的需求；右溫度控制器控制右組件，以滿足客艙最冷溫度的需求。此種多“余度”設計，在系統(tǒng)控制發(fā)生故障時，仍能保證系統(tǒng)的工作，提高了系統(tǒng)抗故障的能力。