民用飛機(jī)預(yù)冷器設(shè)計(jì)點(diǎn)選取分析

陳彬

【摘 要】本文分析了考慮結(jié)冰包線外預(yù)冷器換熱性能研究的必要性。通過(guò)預(yù)冷器冷邊流量估算，根據(jù)引氣系統(tǒng)管路及設(shè)備壓損模型對(duì)預(yù)估冷邊流量進(jìn)行校核循環(huán)計(jì)算，得到結(jié)冰包線外不同飛行高度不同環(huán)境溫度條件下，飛機(jī)預(yù)冷器熱邊出口溫度。計(jì)算結(jié)果表明，飛行高度低于21000ft時(shí)，預(yù)冷器熱邊出口溫度已經(jīng)接近260℃，且飛行高度越高，環(huán)境溫度越高，預(yù)冷器熱邊出口溫度越高，引氣超溫越嚴(yán)重。因此預(yù)冷器研制設(shè)計(jì)點(diǎn)需充分考慮結(jié)冰包線外雙發(fā)單引氣防冰系統(tǒng)開(kāi)啟的飛行狀態(tài)。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；結(jié)冰包線外；預(yù)冷器換熱特性

0 引言

預(yù)冷器為民用飛機(jī)氣源系統(tǒng)部分組件，氣源系統(tǒng)從發(fā)動(dòng)機(jī)、APU 或地面高壓氣源引氣，為座艙空調(diào)、機(jī)翼防冰、發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、燃油箱惰化和水箱增壓供氣[1]。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)引氣作為飛機(jī)最主要最重要的氣源，其引氣口引出的高溫壓縮空氣需經(jīng)過(guò)預(yù)冷器降溫調(diào)節(jié)到合適的值才能供入下游用戶[2]。

發(fā)動(dòng)機(jī)引氣具有過(guò)熱保護(hù)功能，通過(guò)引氣溫度傳感器檢測(cè)預(yù)冷器熱邊出口溫度，若預(yù)冷器熱邊出口溫度過(guò)高將導(dǎo)致氣源系統(tǒng)因超溫關(guān)閉，影響下游用戶需求[3-4]。因此預(yù)冷器設(shè)計(jì)點(diǎn)的選取應(yīng)充分考慮飛機(jī)各工況條件下預(yù)冷器熱邊出口溫度指標(biāo)。目前預(yù)冷器設(shè)計(jì)點(diǎn)的選取通常選擇雙發(fā)動(dòng)機(jī)單側(cè)引氣失效防冰系統(tǒng)打開(kāi)的狀態(tài)。目前防冰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)邊界普遍選用中國(guó)民航規(guī)章CCAR25部附錄C的結(jié)冰包線，而實(shí)際飛行中存在結(jié)冰包線外的結(jié)冰環(huán)境，結(jié)冰包線外的工況對(duì)預(yù)冷器更為嚴(yán)酷，預(yù)冷器設(shè)計(jì)點(diǎn)如果忽略結(jié)冰包線外工況的考慮將對(duì)預(yù)冷器引發(fā)超溫故障存在很大風(fēng)險(xiǎn)。因此，本文對(duì)結(jié)冰包線外飛機(jī)預(yù)冷器的換熱過(guò)程進(jìn)行研究，為預(yù)冷器設(shè)計(jì)點(diǎn)的選取提供依據(jù)。

1 結(jié)冰包線外結(jié)冰環(huán)境說(shuō)明

根據(jù)中國(guó)民航規(guī)章CCAR25部規(guī)定，飛機(jī)防冰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證需要表明對(duì)規(guī)章附錄C結(jié)冰包線的符合性。適航當(dāng)局認(rèn)為附錄C的結(jié)冰包線可以覆蓋99%的結(jié)冰環(huán)境。

但是根據(jù)某飛機(jī)的試飛經(jīng)驗(yàn)，自然界中存在附錄C以外的結(jié)冰環(huán)境，結(jié)冰探測(cè)系統(tǒng)發(fā)出結(jié)冰告警時(shí)飛行狀態(tài)在結(jié)冰包線的示意見(jiàn)圖1。通過(guò)圖1可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)冰告警出現(xiàn)的環(huán)境條件已超出附錄C的結(jié)冰包線。因此有必要對(duì)結(jié)冰包線外預(yù)冷器的換熱性能進(jìn)行研究。

2 結(jié)冰包線外預(yù)冷器熱邊出口溫度計(jì)算

現(xiàn)代民機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)引氣溫度調(diào)節(jié)功能一般由風(fēng)扇空氣活門、引氣溫度傳感器實(shí)現(xiàn)。預(yù)冷器是一個(gè)空-空熱交換器，利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷邊風(fēng)扇引氣冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)熱邊高溫高壓氣體，通過(guò)風(fēng)扇空氣活門的開(kāi)度調(diào)節(jié)風(fēng)扇冷空氣流量，進(jìn)而控制預(yù)冷器熱邊出口溫度。下面介紹預(yù)冷器熱邊出口溫度的計(jì)算過(guò)程。

2.1 確定預(yù)冷器熱邊換熱量

本文選取的引氣構(gòu)型為雙發(fā)單引氣構(gòu)型，兩側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，單側(cè)引氣失效，此時(shí)從單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的引氣量最大，相應(yīng)預(yù)冷器的換熱量最大。確定相應(yīng)工況下空調(diào)系統(tǒng)，防冰系統(tǒng)以及其他引氣用戶所需的流量和即為預(yù)冷器的熱邊流量。

2.2 初步確定預(yù)冷器冷邊流量

根據(jù)公式（1）計(jì)算預(yù)冷器換熱效率η。其中THI為預(yù)冷器熱邊入口溫度，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)引氣參數(shù)確定；THO為預(yù)設(shè)的預(yù)冷器熱邊出口溫度；TCI為預(yù)冷器冷邊入口（即發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇入口）溫度。根據(jù)計(jì)算得出的預(yù)冷器換熱效率，預(yù)冷器熱邊流量以及預(yù)冷器效率性能表（該表定義了不同的冷熱邊流量對(duì)應(yīng)的預(yù)冷器效率）初步確定預(yù)冷器滿足換熱量需求時(shí)的冷邊流量。

2.3 確定預(yù)冷器效率，計(jì)算預(yù)冷器熱邊出口溫度

根據(jù)當(dāng)前預(yù)冷器冷熱邊流量，通過(guò)預(yù)冷器效率性能表，查得預(yù)冷器熱邊效率為η，由式（2）計(jì)算預(yù)冷器熱邊出口溫度THO。

THO=THi-η（THi-TCi）（2）

2.4 計(jì)算風(fēng)扇空氣活門實(shí)際壓損

根據(jù)系統(tǒng)管路及設(shè)備壓損模型計(jì)算得出預(yù)冷器冷邊出口壓力，即風(fēng)扇空氣活門進(jìn)口壓力。結(jié)合排氣出口大氣壓力和損失的排氣動(dòng)壓計(jì)算得出風(fēng)扇空氣活門出口壓力。風(fēng)扇空氣活門進(jìn)出口壓差即為風(fēng)扇空氣活門實(shí)際壓損。

2.5 校核預(yù)冷器冷邊流量是否供應(yīng)正常

根據(jù)風(fēng)扇空氣活門實(shí)際壓損判定預(yù)冷器冷邊流量是否能正常供應(yīng)。若計(jì)算得到的風(fēng)扇空氣活門實(shí)際壓損大于風(fēng)扇空氣活門全開(kāi)壓損，說(shuō)明此時(shí)風(fēng)扇空氣活門未全開(kāi)，預(yù)冷器冷邊流量能滿足系統(tǒng)需求，此時(shí)滿足需求的冷邊流量對(duì)應(yīng)的預(yù)冷器出口溫度即為所求；若風(fēng)扇空氣活門實(shí)際壓損小于風(fēng)扇空氣活門全開(kāi)壓損，說(shuō)明冷邊流量過(guò)大不能滿足需求，應(yīng)減小冷邊流量。

2.6 循環(huán)減小冷邊流量

減小冷邊流量，重復(fù)2.3至2.5計(jì)算步驟，直至風(fēng)扇空氣活門實(shí)際壓力損失等于活門的全開(kāi)壓力損失。計(jì)算最終預(yù)冷器冷邊流量和預(yù)冷器熱邊出口溫度。

3 結(jié)冰包線外預(yù)冷器熱邊出口溫度計(jì)算結(jié)果

度越高，預(yù)冷器熱邊出口溫度越高，引氣超溫越嚴(yán)重。具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。

因此，對(duì)于預(yù)冷器的設(shè)計(jì)點(diǎn)需充分考慮結(jié)冰包線外雙發(fā)單引氣防冰系統(tǒng)開(kāi)啟的狀態(tài)點(diǎn)。首先嚴(yán)格保證在附錄C邊界工況下雙發(fā)單引氣防冰狀態(tài)下預(yù)冷器能夠?qū)囟日{(diào)節(jié)在設(shè)計(jì)值以內(nèi)；并將結(jié)冰包線外飛行包線內(nèi)的狀態(tài)點(diǎn)作為校核點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文證明了預(yù)冷器設(shè)計(jì)需考慮結(jié)冰包線外結(jié)冰環(huán)境的必要性。為預(yù)冷器設(shè)計(jì)滿足換熱需求提供依據(jù)。基于引氣系統(tǒng)控制邏輯，計(jì)算了結(jié)冰包線外預(yù)冷器熱邊出口溫度，為預(yù)冷器換熱性能校核提供方法。

【參考文獻(xiàn)】

[1]黃曉聃，王睿.民用飛機(jī)引氣系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)性能計(jì)算[J].科技信息，2011（20）：795-796.

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