民用飛機預冷器設(shè)計點選取分析

1、    民用飛機預冷器設(shè)計點選取分析    陳彬【摘 要】本文分析了考慮結(jié)冰包線外預冷器換熱性能研究的必要性。通過預冷器冷邊流量估算，根據(jù)引氣系統(tǒng)管路及設(shè)備壓損模型對預估冷邊流量進行校核循環(huán)計算，得到結(jié)冰包線外不同飛行高度不同環(huán)境溫度條件下，飛機預冷器熱邊出口溫度。計算結(jié)果表明，飛行高度低于21000ft時，預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，預冷器熱邊出口溫度越高，引氣超溫越嚴重。因此預冷器研制設(shè)計點需充分考慮結(jié)冰包線外雙發(fā)單引氣防冰系統(tǒng)開啟的飛行狀態(tài)。【關(guān)鍵詞】民用飛機；結(jié)冰包線外；預冷器換熱特性0 引言預冷器為民用飛機氣

2、源系統(tǒng)部分組件，氣源系統(tǒng)從發(fā)動機、apu 或地面高壓氣源引氣，為座艙空調(diào)、機翼防冰、發(fā)動機起動、燃油箱惰化和水箱增壓供氣1。其中，發(fā)動機引氣作為飛機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)過預冷器降溫調(diào)節(jié)到合適的值才能供入下游用戶2。發(fā)動機引氣具有過熱保護功能，通過引氣溫度傳感器檢測預冷器熱邊出口溫度，若預冷器熱邊出口溫度過高將導致氣源系統(tǒng)因超溫關(guān)閉，影響下游用戶需求3-4。因此預冷器設(shè)計點的選取應充分考慮飛機各工況條件下預冷器熱邊出口溫度指標。目前預冷器設(shè)計點的選取通常選擇雙發(fā)動機單側(cè)引氣失效防冰系統(tǒng)打開的狀態(tài)。目前防冰系統(tǒng)的設(shè)計邊界普遍選用中國民航規(guī)章ccar25部附錄c的結(jié)冰包

3、線，而實際飛行中存在結(jié)冰包線外的結(jié)冰環(huán)境，結(jié)冰包線外的工況對預冷器更為嚴酷，預冷器設(shè)計點如果忽略結(jié)冰包線外工況的考慮將對預冷器引發(fā)超溫故障存在很大風險。因此，本文對結(jié)冰包線外飛機預冷器的換熱過程進行研究，為預冷器設(shè)計點的選取提供依據(jù)。1 結(jié)冰包線外結(jié)冰環(huán)境說明根據(jù)中國民航規(guī)章ccar25部規(guī)定，飛機防冰系統(tǒng)的設(shè)計和驗證需要表明對規(guī)章附錄c結(jié)冰包線的符合性。適航當局認為附錄c的結(jié)冰包線可以覆蓋99%的結(jié)冰環(huán)境。但是根據(jù)某飛機的試飛經(jīng)驗，自然界中存在附錄c以外的結(jié)冰環(huán)境，結(jié)冰探測系統(tǒng)發(fā)出結(jié)冰告警時飛行狀態(tài)在結(jié)冰包線的示意見圖1。通過圖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

4、必要對結(jié)冰包線外預冷器的換熱性能進行研究。2 結(jié)冰包線外預冷器熱邊出口溫度計算現(xiàn)代民機發(fā)動機引氣溫度調(diào)節(jié)功能一般由風扇空氣活門、引氣溫度傳感器實現(xiàn)。預冷器是一個空-空熱交換器，利用發(fā)動機冷邊風扇引氣冷卻發(fā)動機熱邊高溫高壓氣體，通過風扇空氣活門的開度調(diào)節(jié)風扇冷空氣流量，進而控制預冷器熱邊出口溫度。下面介紹預冷器熱邊出口溫度的計算過程。2.1 確定預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)動機正常工作，單側(cè)引氣失效，此時從單臺發(fā)動機的引氣量最大，相應預冷器的換熱量最大。確定相應工況下空調(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冷器的熱邊流量。2.2 初步確定預冷器冷邊流量根

5、據(jù)公式（1）計算預冷器換熱效率。其中thi為預冷器熱邊入口溫度，根據(jù)發(fā)動機引氣參數(shù)確定；tho為預設(shè)的預冷器熱邊出口溫度；tci為預冷器冷邊入口（即發(fā)動機風扇入口）溫度。根據(jù)計算得出的預冷器換熱效率，預冷器熱邊流量以及預冷器效率性能表（該表定義了不同的冷熱邊流量對應的預冷器效率）初步確定預冷器滿足換熱量需求時的冷邊流量。2.3 確定預冷器效率，計算預冷器熱邊出口溫度根據(jù)當前預冷器冷熱邊流量，通過預冷器效率性能表，查得預冷器熱邊效率為，由式（2）計算預冷器熱邊出口溫度tho。tho=thi-（thi-tci）（2）2.4 計算風扇空氣活門實際壓損根據(jù)系統(tǒng)管路及設(shè)備壓損模型計算得出預冷器冷邊出口壓

6、力，即風扇空氣活門進口壓力。結(jié)合排氣出口大氣壓力和損失的排氣動壓計算得出風扇空氣活門出口壓力。風扇空氣活門進出口壓差即為風扇空氣活門實際壓損。2.5 校核預冷器冷邊流量是否供應正常根據(jù)風扇空氣活門實際壓損判定預冷器冷邊流量是否能正常供應。若計算得到的風扇空氣活門實際壓損大于風扇空氣活門全開壓損，說明此時風扇空氣活門未全開，預冷器冷邊流量能滿足系統(tǒng)需求，此時滿足需求的冷邊流量對應的預冷器出口溫度即為所求；若風扇空氣活門實際壓損小于風扇空氣活門全開壓損，說明冷邊流量過大不能滿足需求，應減小冷邊流量。2.6 循環(huán)減小冷邊流量減小冷邊流量，重復2.3至2.5計算步驟，直至風扇空氣活門實際壓力損失等于活

7、門的全開壓力損失。計算最終預冷器冷邊流量和預冷器熱邊出口溫度。3 結(jié)冰包線外預冷器熱邊出口溫度計算結(jié)果度越高，預冷器熱邊出口溫度越高，引氣超溫越嚴重。具體計算結(jié)果見圖2。因此，對于預冷器的設(shè)計點需充分考慮結(jié)冰包線外雙發(fā)單引氣防冰系統(tǒng)開啟的狀態(tài)點。首先嚴格保證在附錄c邊界工況下雙發(fā)單引氣防冰狀態(tài)下預冷器能夠?qū)囟日{(diào)節(jié)在設(shè)計值以內(nèi)；并將結(jié)冰包線外飛行包線內(nèi)的狀態(tài)點作為校核點。4 結(jié)語本文證明了預冷器設(shè)計需考慮結(jié)冰包線外結(jié)冰環(huán)境的必要性。為預冷器設(shè)計滿足換熱需求提供依據(jù)?；谝龤庀到y(tǒng)控制邏輯，計算了結(jié)冰包線外預冷器熱邊出口溫度，為預冷器換熱性能校核提供方法。【參考文獻】1黃曉聃，王睿.民用飛機引氣系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)性能計算j.科技信息，2011（20）：795-796.2潘明旭.a320系列飛機發(fā)動機引氣系統(tǒng)原理及故障分析j.中國民航飛行學院學報，2013（02）：49-51+54.3