民用飛機空調組件性能試驗方法研究

江娜

【摘 要】空調組件的地面性能試驗是為了充分驗證空調組件對技術要求的滿足情況。本文基于某民用飛機空調組件，提出了一種評估空調組件性能的試驗方案，并給出了合格判據，對后續空調組件的研制提供參考。

【關鍵詞】空調組件；性能試驗；民用飛機；性能試驗規劃

【Abstract】The performance test of air conditioning unit on ground is to fully proof the consistency degree that the air conditioning unit meets the technical requirements. Based on an air conditioning unit of civil aircraft， a scheme and success criteria of performance test was provided， referred for researching air conditioning development.

【Key words】Air conditioning unit； Performance test； Civil aircraft； Performance test scheme

0 引言

空調組件是飛機環控系統的核心部件，空調組件性能的好壞直接決定了座艙溫度、壓力、濕度和人均新風量，進而影響了燃油損耗、飛行安全和座艙空氣品質。

受限于試驗條件，國內對于民用空調組件性能的研究基本是通過計算機仿真來實現的[1-2]，而通過試驗研究的文獻卻鮮有出現。即使是通過試驗進行研究的，也僅局限于對關鍵部件[3]，而非空調組件整體。國外對于空調組件性能的評估是通過試驗和仿真相結合的方式完成的。其方法是，首先根據技術要求選取典型工況點進行試驗，試驗結果一方面用于判斷對技術要求和指標要求的符合性，一方面用于修正計算模型。再通過修正后的計算模型計算飛機在各飛行包線、溫度包線下空調組件的性能數據，再根據獲取的性能數據對空調組件的性能進行評估。

本文針對空調組件三個最重要的性能指標，制冷能力，泄漏量和除濕效率，對空調組件的性能進行了試驗方案設計。

1 試驗對象

本試驗的對象為某民用飛機空調組件，主要由表1所示子部件組成，其外形圖見圖1。

該空調組件從氣源系統引氣，高溫高壓的空氣首先進入初級換熱器熱邊，被初級換熱器冷邊的沖壓空氣冷卻。

離開初級換熱器后，氣流分為兩路，一路主流進入空氣循環機的壓氣機，經過壓氣機后，壓力和溫度都升高。從壓氣機出來之后，氣流進入主換熱器熱邊，被主換熱器冷邊沖壓空氣冷卻，經過主換熱器之后溫度和壓力都降低。氣流離開雙級換熱器之后，進入高壓除水循環。氣流先進入回熱器熱邊，接著進入冷凝器熱邊，氣流溫度降低到水蒸氣露點溫度后，空氣中的水蒸氣變成液態水，在冷凝器下游的水分離器中利用離心作用將水和空氣分離、除水，然后氣流再次進入回熱器冷邊。在進入空氣循環機的渦輪之前，氣流溫度再次升高。高壓空氣進入空氣循環機中的渦輪膨脹后，氣流壓力接近座艙壓力，同時溫度降低。

同時，另一路少量熱空氣從初級換熱器出口旁路至渦輪出口，與經過空氣循環機調節的冷空氣在渦輪出口混合，混合后的氣流進入冷凝器的冷邊，作為高壓除水的冷源。通過熱空氣旁路上的TCV開度可調節空調組件的出口溫度。

空氣循環機中，渦輪、壓氣機和風扇同軸，高壓空氣在渦輪中膨脹，帶動渦輪高速運轉，渦輪通過空氣軸承帶動壓氣機和風扇運轉。

所有壓力傳感器、溫度傳感器以及TCV由綜合空氣管理控制器（IASC）進行監測和控制，其原理圖見圖2。

2 試驗臺架

該空調組件性能試驗臺架主要包括熱動力試驗臺和組件安裝臺架。其中熱動力試驗臺由數據采集系統、安全防護系統、供氣系統和控制系統組成。數據采集系統用于采集所有傳感器數據，安全防護系統用于監測過熱和ACM超速，供氣系統用于給空調組件冷、熱邊提供氣源，控制系統用于將空調組件調節至測試狀態。試驗臺架原理圖見圖3。

2.1 組件安裝臺架

由于飛機飛行在高空，沖壓空氣進、排氣均為對應高度的大氣壓。另外，座艙壓力在高空中，也小于1個大氣壓。基于以上兩點，整個組件安裝臺架必須安裝在高度艙中。高度艙內的壓力應能通過設定的飛行高度，控制到對應高度的標準大氣壓。飛行高度可以0ft～40000ft之間自由選擇。

2.2 加裝設備

為使空調組件的運行狀態與真實飛機上的一致，需要加裝以下設備：

1）沖壓空氣進口導管、沖壓空氣出口導管、沖壓空氣排氣口——保證沖壓空氣側的流阻與真實飛機一致；

2）噴水管、水噴射器——保證PHX、MHX換熱效率與真實飛機一致；

3）調節閥——調節空調組件出口壓力至其與真實飛機一致。

2.3 測量設備及相關

除空調組件自帶的CDTS（T2）、PTS（T4），在空間允許的情況下，還應加裝其它傳感器監測空調組件的狀態。根據該空調組件的布局，在回熱器熱邊進口和冷端出口分別加裝一個溫度傳感器（T3，T5）。為了監測供氣參數和冷凝器出口參數，在冷、熱供氣管路和冷凝器出口管路上也分別加裝了溫度、壓力、濕度和流量傳感器（Q1，T1，P1，d1，Q8，T8，P8，T6）。為了監測艙內壓力是否與設定高度的外界大氣一致，加裝了壓力傳感器（P0）。

由于冷凝器出口處可能有游離水或游離冰存在，為測量冷凝器出口流量，計算泄漏量和除濕效率，在冷凝器下游加裝了加熱器和流量、溫度、溫度傳感器（d7，Q7，T7），使游離水或游離冰蒸發成氣態。加熱器僅在冷凝器出口溫度小于30℃時工作。傳感器具體加裝位置見上圖3所示。

2.4 熱動力試驗臺控制器

熱動力試驗臺控制器應具備以下功能：

1）應能為TCV、PTS、CDTS提供28V的直流電；

2）應能調節TCV至全開或全關的狀態；

3）TCV處于打開狀態（非全開）時，應能根據冷凝器出口溫度自動調節TCV開度；

4）應能為所有加裝傳感器提供電源；

5）應能記錄所有傳感器的測量值；

6）應能控制加裝的調節閥，使得冷凝器冷邊出口壓力保持至設定值；

7）應對加裝的加熱器具有以下控制功能：

①當冷凝器出口溫度大于等于30℃時，加熱器不工作；

②當冷凝器出口溫度小于30℃時，加熱器工作，將冷凝器出口處的游離水或游離冰加熱至完全蒸發。

8）應具有過熱/超壓保護功能。即能監控PHX熱邊進口壓力、ACM轉速（N）、壓氣機出口溫度（CDTS）、水分離器出口溫度（PTS），當測量值超出閾值3s時，可立即自動切斷熱邊供氣。

2.5 供氣系統

空調組件用氣來自發動機或APU（輔助動力裝置）引氣，其溫度最高可達260℃，壓力可達4bar，這就要求試驗室具備可提供高溫高壓氣體的能力。另外為考查空調組件的除濕能力，熱邊供氣還必須具備加濕功能。

飛機飛行在空中，最高飛行高度可達40000ft，沖壓空氣的壓力遠小于地面大氣壓，因此要求試驗室具備可提供低真空度氣源的能力。

3 試驗工況

為考查空調組件性能，選取如表2所示的5個嚴酷的工況點進行試驗驗證。

4 測試參數

記錄如圖3所標出的所有壓力、溫度、濕度、ACM轉速以及空調組件冷熱邊流量傳感器讀數，作為判斷空調組件性能的依據。

5 合格判據

對照技術指標，查看表4所列參數是否符合技術要求。

6 總結

本文對某民用飛機空調組件的性能試驗進行了規劃，對其是否滿足制冷、除濕以及泄漏量要求等方面進行了試驗方案設計。給出了一種評估空調組件性能的方法，對后續空調組件的研制提供參考。

【參考文獻】

[1]簡夕忠，況薇.基于FLOWMASTER軟件的民用飛機空調制冷系統仿真分析[J].科技信息，2013.

[2]楊智，況薇.民用飛機座艙制冷系統性能計算方法研究[J].民用飛機設計與研究，2015，（3）：44-.

[3]肖曉勁，袁修干，張蘭雙，張春蕾.高速電動渦輪-壓氣機組件試驗研究[J].真空與低溫，2008，（4）：208-211.

[責任編輯：王楠]