某輕型公務(wù)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

劉登程

（中航通飛研究院有限公司，廣東 珠海 519040）

某輕型公務(wù)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

劉登程

（中航通飛研究院有限公司，廣東 珠海 519040）

通過(guò)對(duì)某輕型公務(wù)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)NACA進(jìn)氣口的性能分析與計(jì)算，了解NACA進(jìn)氣口在地面熱設(shè)計(jì)狀態(tài)下存在的問(wèn)題，并針對(duì)此問(wèn)題提出可行的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高空調(diào)系統(tǒng)的性能。

輕型公務(wù)機(jī)；空調(diào)系統(tǒng)；NACA進(jìn)氣口；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 概述

某輕型公務(wù)機(jī)是一款單發(fā)渦槳全復(fù)材飛機(jī)，該飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)采用發(fā)動(dòng)機(jī)引氣對(duì)座艙進(jìn)行增壓、加溫和通風(fēng)，發(fā)動(dòng)機(jī)引氣經(jīng)過(guò)散熱器降溫、流量控制閥限流后供入座艙。散熱器冷邊采用NACA進(jìn)氣口以獲得環(huán)境沖壓空氣，該進(jìn)氣口具備合理的氣動(dòng)外形，能顯著降低飛機(jī)的迎風(fēng)阻力。但是當(dāng)飛機(jī)在地面停機(jī)狀態(tài)下工作時(shí)，由于沒(méi)有足夠的沖壓氣流，導(dǎo)致進(jìn)氣口流量偏低，散熱器效率下降，影響空調(diào)系統(tǒng)性能。本文就空調(diào)系統(tǒng)在地面熱設(shè)計(jì)狀態(tài)下的性能進(jìn)行分析，并針對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析。

2 地面熱設(shè)計(jì)狀態(tài)性能分析

空調(diào)系統(tǒng)NACA進(jìn)氣口位于發(fā)動(dòng)機(jī)艙下罩左側(cè)，其位置及尺寸如圖1所示。

圖1　NACA進(jìn)氣口位置及尺寸

以飛機(jī)在極熱天地面慢車待機(jī)工況作為地面熱設(shè)計(jì)狀態(tài)性能分析點(diǎn)，取環(huán)境溫度t0＝40℃，環(huán)境壓力P0=101325Pa，發(fā)動(dòng)機(jī)慢車時(shí)螺旋槳拉力F＝1400N。

環(huán)境大氣密度ρ0=P0/RT，式中氣體常數(shù)R＝287J/(kg?K)，T＝（t0＋273）K。

螺旋槳拉力由氣流在槳葉兩側(cè)形成的壓差所產(chǎn)生，該壓差值ΔP＝F/A=F/π(D/2)2，式中A為螺旋槳旋轉(zhuǎn)面面積，螺旋槳直徑D＝2311mm。

假設(shè)該壓差值即為螺旋槳后部氣流的壓頭 q∞=ΔP=0.5ρ0v∞2，式中v∞為螺旋槳后氣流速度。

NACA進(jìn)氣口質(zhì)量流量G=mrρ0v∞A1。

式中A1表示NACA口喉部垂直于來(lái)流的截面積，由圖1參數(shù)知A1=wd。

捕獲流量比mr是實(shí)際捕獲空氣流量和截面垂直來(lái)流時(shí)捕獲流量的比值，mr與總壓恢復(fù)系數(shù)Krec的關(guān)系見(jiàn)圖2。對(duì)于一般計(jì)算可取NACA進(jìn)氣口的總壓恢復(fù)系數(shù)為0.7，查圖2知其對(duì)應(yīng)的捕獲流量比mr=0.4。

圖2　NACA進(jìn)氣口總壓恢復(fù)與質(zhì)量流量比關(guān)系

由發(fā)動(dòng)機(jī)引氣參數(shù)知慢車時(shí)的引氣流量 qm=123kg/h，引氣溫度t1=135.16℃。

散熱器熱容量比 C*=qmcp1/Gcp2，假設(shè)散熱器冷熱邊空氣比熱容相等，即cp1=cp2。

散熱器效率

式中散熱器傳熱單元數(shù)NTU=3.45。

供入座艙的空氣溫度即散熱器熱邊出口溫度t2=t1-η(t1-t0)。

由上述計(jì)算可知，在地面熱設(shè)計(jì)狀態(tài)下慢車時(shí)供氣溫度t2=69.2℃。參考 HB7489-97《民用飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)通用要求》中規(guī)定“從任一供氣口進(jìn)入客艙的空氣溫度，正常工作時(shí)不應(yīng)超過(guò) 50℃，艙內(nèi)無(wú)乘客時(shí)不應(yīng)超過(guò) 70℃?！?，此供氣溫度已經(jīng)超過(guò)規(guī)定值，不滿足設(shè)計(jì)要求。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

上述地面熱設(shè)計(jì)狀態(tài)慢車工況一般出現(xiàn)在停機(jī)坪等待起飛等使用模式下，此工況下可考慮采用以下兩種方案解決供氣溫度過(guò)高的問(wèn)題：

a)地面關(guān)閉引氣；

b)增加地面通風(fēng)旁路。

3.1地面關(guān)閉引氣

此方案在切斷發(fā)動(dòng)機(jī)引氣的同時(shí)也切斷了座艙通風(fēng)氣源，蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)對(duì)座艙內(nèi)再循環(huán)空氣進(jìn)行制冷。

此時(shí)座艙空氣的污染源主要來(lái)自艙內(nèi)人員呼出的二氧化碳和通過(guò)口腔、皮膚排出的水汽和氣味。二氧化碳對(duì)人體是有害的，當(dāng)空氣中二氧化碳的濃度達(dá)到 2%時(shí)使呼吸速率加快，5%時(shí)呼吸變得短促，達(dá)到 10%以上時(shí)將會(huì)使人窒息。CCAR-25部第25.831條(b)(2)規(guī)定“飛行期間通常有旅客或者機(jī)組乘坐的艙的二氧化碳濃度不得超過(guò) 0.5%體積含量(海平面當(dāng)量)”。

某輕型公務(wù)機(jī)座艙容積V=6.3m3，艙內(nèi)最大乘員數(shù)5人。座艙內(nèi)二氧化碳初始濃度為0.03%，飛行員釋放出來(lái)的二氧化碳量q1=25L/h，旅客釋放出來(lái)的二氧化碳量 q2=20L/h。飛行員人數(shù)n1=1，旅客人數(shù)為n2，地面開(kāi)車時(shí)間為t，則座艙內(nèi)二氧化碳濃度為

按上式計(jì)算得到座艙內(nèi)二氧化碳濃度隨艙內(nèi)人員數(shù)及開(kāi)車時(shí)間的變化見(jiàn)表1。

表1　座艙內(nèi)二氧化碳濃度變化表

由表1可見(jiàn)，在座艙滿員的情況下，地面開(kāi)車15min后座艙內(nèi)二氧化碳濃度即達(dá)到0.45%，接近了CCAR-25部的規(guī)定值0.5%。此外，艙內(nèi)人員所產(chǎn)生的水汽和氣味雖無(wú)毒無(wú)害，但亦使人產(chǎn)生不適感。故此方案下為了保證艙內(nèi)人員的安全及舒適度，應(yīng)限制飛機(jī)在地面高溫環(huán)境條件下的使用頻率及使用時(shí)間。

3.2增加地面通風(fēng)旁路

此方案在切斷發(fā)動(dòng)機(jī)引氣后增加了旁路引氣功能，使用環(huán)境空氣對(duì)座艙進(jìn)行通風(fēng)。地面通風(fēng)旁路的實(shí)現(xiàn)方式亦有多種，在不影響飛機(jī)其他系統(tǒng)的前提下，可直接將NACA口沖壓空氣引入座艙，需增加控制機(jī)構(gòu)（旁路引氣活門）以實(shí)現(xiàn)地面旁路引氣功能和引氣散熱功能的分離，其原理圖見(jiàn)圖3。

圖3　地面通風(fēng)旁路原理圖

在地面時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)旁路引氣活門關(guān)閉散熱器冷邊空氣通路，NACA口沖壓空氣直接供入座艙，實(shí)現(xiàn)座艙通風(fēng)功能。此時(shí)供入座艙的空氣溫度為 40℃，流量 G=118.5kg/h。參考CCAR-25部規(guī)定的每人最低新鮮空氣供給量250g/min，座艙滿員時(shí)所需通風(fēng)空氣流量為 75kg/h?？梢?jiàn)此方案下通風(fēng)空氣溫度和流量均滿足設(shè)計(jì)要求。

該方案能良好的解決因NACA進(jìn)氣口流量不足導(dǎo)致散熱器效率下降供氣溫度偏高的問(wèn)題，而且沒(méi)有使用條件限制。

4 小結(jié)

本文對(duì)某輕型公務(wù)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)地面熱設(shè)計(jì)狀態(tài)下的NACA進(jìn)氣口性能進(jìn)行了簡(jiǎn)單的計(jì)算和分析，分析表明NACA進(jìn)氣口在地面時(shí)引氣流量無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，并針對(duì)因此導(dǎo)致座艙供氣溫度過(guò)高的問(wèn)題，給出了相對(duì)可行的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。關(guān)于NACA進(jìn)氣口的流量計(jì)算，將在后續(xù)的研制試驗(yàn)中加以測(cè)試驗(yàn)證，為以后的設(shè)計(jì)提供更詳盡的數(shù)據(jù)支持。

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

[2] 薛勇,宋志強(qiáng),徐朱瑞.民用飛機(jī)埋入式NACA進(jìn)氣口設(shè)計(jì)方法[J].科技信息,2014,(6).

[3] HB7489-1997.民用飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)通用要求[S].1997.

[4] CCAR-25-R4.運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].中國(guó)民用航空總局,2011.

Optimization Design For Air Conditioning System of A Light Business Aircraft

The analysis and calculation of the NACA inlet of a light business aircraft shows the problem of the air conditioning system, which the cabin supply air temperature is too high in the high temperature conditions. This paper gives an optimization solution to solve the problem, also improves the performance of the air conditioning system.

Light business aircraft; air conditioning system; NACA inlet; optimization design

V245.3

A

1008-1151(2015)04-0071-02

2015-03-15

劉登程（1989-），男，中航通飛研究院有限公司助理工程師，研究方向?yàn)轱w行器環(huán)境控制系統(tǒng)。