座艙排氣供某設備通風冷卻技術研究

馬春香，趙文婷，劉治博，施振飛，陳 偉

（中航工業洪都，江西南昌330024）

0 引言

某教練機某設備需要環控系統進行通風冷卻，要求滿足強迫風冷散熱量3.8kW。而中低空沖壓空氣含濕量較大，為了保證無游離水或冰進入某設備艙，環控系統不能單純采用沖壓空氣冷卻，氣源必須使用發動機引氣。而發動機可供引氣量有限，不允許再做一套系統來冷卻某設備艙，所以開展采用座艙排氣作為冷源來給某設備進行通風冷卻的技術研究。

1 系統設計

利用座艙排氣為某設備提供通風冷卻的方案即從座艙壓力調節器排氣活門處接一管路將座艙的排氣通給某設備機箱（原理見圖1）。

1.1 制冷量理論計算

1.1.1 某設備通風冷卻要求

風量：≥400kg/h，強迫風冷散熱量：3.8kW

圖1 座艙排氣供某設備通風冷卻原理

1.1.2 制冷量計算

根據公式，制冷量Φ＝qcp(tc-ti)；[1]

式中:

q為供氣流量；

cp=1.0 kg/(kg·K)為空氣的質量定壓熱容；

t=55℃為某設備艙排氣溫度；

ti為供氣入口溫度。

經過計算，得出座艙排氣可為某設備通風冷卻提供的制冷量如表1所示。

1.1.3 計算結果分析

從計算得出的結果可以看出，座艙排氣可提供的制冷量在11000m時最低，為3.95kW，而某設備需求的制冷量為3.8kW。因此，環控系統某設備通風冷卻采用座艙排氣提供冷源，其制冷量可以滿足某設備的通風冷卻需求。

表1 座艙排氣可為某設備通風冷卻提供的制冷量表

1.2 管路設計

經過總體協調，結合飛機上的空間、排氣活門尺寸和某設備機箱進風口形狀，設計出了從座艙壓力調節器出口至某設備機箱的管路，管路圖形如圖2所示。

圖2 某設備通風冷卻供氣管路

2 地面模擬試驗

2.1 某設備和某設備通風管路阻力特性試驗

試驗原理如圖3所示。

圖3 某設備和某設備通風管路阻力特性試驗原理

某設備通風管和某設備阻力特性試驗結果見表2。

從以上試驗結果可以看出，某設備通風管和某設備的總流阻、某設備的流阻均隨供氣流量的增加而增加。供氣流量由229.3kg/h變化到699.61kg/h時，某設備通風管和某設備的總流阻由1.4kPa增加到10.9kPa，而某設備的流阻所占比重較大，由1kPa增加到8.1kPa。

表2 某設備通風管和某設備阻力特性試驗數據

2.2 安裝某設備和某設備通風管前、后分別進行座艙壓力調節器靜、動態聯合試驗

試驗原理如圖4所示。

圖4 安裝某設備和某設備通風管前、后的座艙壓力調節器靜、動態聯合試驗原理

圖5 安裝某設備和某設備通風管前、后的壓調靜態特性

將供氣流量為400kg/h的狀態試驗結果繪制出靜態特性曲線見圖5。

從圖5可以看出，在自由通風區，有某設備和某設備通風管的座艙壓力要大于沒有安裝某設備和某設備通風管的座艙壓力；在絕對壓力調節區，有某設備和某設備通風管的座艙壓力與沒有安裝某設備和某設備通風管的座艙壓力基本一致。這是因為在在自由通風區，排氣活門后安裝了某設備通風管和某設備后，給從壓力調節器出來的氣體增加了流動阻力；而在絕對壓力調節區，由于壓力調節器的壓力調節作用，抵消了某設備和某設備通風管的流動阻力的緣故[2]。

供氣流量為400kg/h的狀態座艙余壓曲線圖見圖6。

從圖6可以看出：

1）飛機俯沖時兩種安裝方式的座艙余壓曲線比較

在飛機俯沖階段，飛機從飛行高度為14000米的高度上開始俯沖，沒有安裝某設備和某設備通風管狀態下的座艙余壓為26.98kPa，隨著飛行高度的降低，座艙余壓逐漸減小，到達自由通風區后座艙壓力只比大氣壓力高出一點 （壓差為排氣活門的阻力）；在安裝了某設備和某設備通風管的座艙余壓為28.9kPa，這是因為飛行高度大于10000米時，進入余壓調節區，飛機座艙的余壓應隨著高度的變化而保持不變 （標準值為29.4Kpa）。但由于隨著飛行高度的增加，座艙排出的氣體密度在減小，排氣阻力在增加，使得座艙余壓逐漸增加，因此在10000米高度以上，由于排氣阻力的影響，安裝了某設備和某設備通風管的座艙壓力大于沒有安裝某設備和某設備通風管的座艙壓力。

在自由通風區，沒有安裝某設備和某設備通風管的座艙壓力和安裝了某設備和某設備通風管的座艙壓力與大氣壓力基本相近。

在絕對壓力調節區和自由通風區，兩種安裝方式的壓力調節規律基本相當。整個俯沖階段，座艙壓力是一增加過程，環控系統供入座艙的空氣流量一部分經壓力調節器活門排出，另一部分用來向座艙充壓，以提高座艙壓力，這個過程中排氣活門的排氣流量要小于環控系統的供氣量，因此此時排氣阻力要小于正常供氣時的阻力，座艙壓力就要小于正常的座艙壓力。

2）飛機爬升時兩種安裝方式的座艙余壓曲線比較

在飛機的爬升過程中（3000m到10000m），座艙壓力是隨著高度的增加而減小。

在自由通風區，安裝了某設備和某設備通風管的座艙壓力變化速率有所減緩。這是因為安裝了某設備和某設備通風管的座艙壓力受排氣阻力的影響，在同樣供氣流量下，隨著高度的增加，排氣阻力在增加，這樣使得座艙壓力與大氣壓力的差值逐步在增加，最終使得座艙壓力變化速率有所減緩。

在自由通風區和絕對壓力調節區的前半段，安裝某設備和某設備通風管后，座艙壓力大于正常的座艙壓力。這是因為在爬升的過程中不僅由空調系統供給座艙的空氣流量要通過座艙壓力調節器的排氣活門排出艙外，而且由于座艙壓力的降低而多出的部分氣體也需要從排氣活門排出艙外，在這個過程中排氣活門的排氣流量大于空調系統的供氣量，排氣阻力要大于正常供氣時的阻力，如果此時的排氣阻力大于壓力調節器的調節能力時，座艙壓力就會大于正常的座艙壓力。

圖6 安裝某設備和某設備通風管前、后的動態座艙余壓曲線圖

在絕對壓力調節區的后半段和余壓調節區，安裝某設備和某設備通風管前、后的座艙壓力基本一致，這是因為隨著飛行高度的增加，座艙壓力達到壓力調節器的調節范圍時，由于壓力調節器的調壓作用，抵消了排氣阻力。

3 結論

1）加裝了某設備和某設備通風管后增加了排氣活門的排氣阻力。

2）在壓力調節器的靜態特性中，在自由通風區，安裝了某設備和某設備通風管后的座艙壓力大于沒有安裝某設備和某設備通風管的座艙壓力。在絕對壓力調節區，安裝某設備和某設備通風管后對座艙壓力影響較小。在10000m以上余壓調節區，加裝了某設備和某設備通風管后的座艙壓力基本保持在規定的壓力值范圍內。

3）在壓力調節器的動態特性中，飛機俯沖時，兩種安裝方式對座艙壓力制度的影響基本相當，無明顯區別。

4）在壓力調節器的動態特性中，飛機爬升時，加裝了某設備和某設備通風管后使活門排氣阻力增加，在自由通風區和部分絕對壓力調節區致使座艙壓力大于規定的值。直至10000m以上余壓調節區，座艙余壓基本在規定的余壓值范圍內。

[1]壽榮中，何慧姍.飛行器環境控制.北京:北京航空航天大學出版社,2004.

[2]王浚,徐揚禾.飛機座艙參數控制.北京：國防工業出版社,1980.