高原環境對航空制氧裝備的影響及對策研究

趙輝，雷金果，謝千東

（空軍勤務學院 航空四站系，江蘇 徐州 221000）

高原環境對航空制氧裝備的影響及對策研究

趙輝，雷金果，謝千東

（空軍勤務學院 航空四站系，江蘇 徐州 221000）

目的 改善制氧裝備的高原適應性，提高其高原保障性能。方法 由部分到整體，在研究了高原環境的特點的基礎上，研究壓縮機、膨脹機、電氣設備等重要部件的高原環境適應性，進而得出高原對制氧裝備工作性能的影響。結果 高原環境的特點超出了制氧設備的設計指標，會嚴重影響制氧設備的正常運行。結論 采取適當的措施對制氧設備重要部件加以改進，對提高制氧設備的高原適應性具有良好效果。

高原環境；制氧；環境適應性

由于航空制氧設備主要以空氣為原料，其工作過程中對環境的依賴性較大，低壓、空氣稀薄、溫差大以及低含氧量的高原環境對制氧設備會產生較大影響[1]。研究高原環境對制氧設備的影響，并尋找解決對策對更好地實現航空用氧保障具有重要意義。

1　高原環境特點

高原通常是指海拔超過1000 m的地區，我國高原面積廣大。其平均海拔在4000 m以上，年平均氣溫低，溫差大，最低氣溫可達-45 ℃，晝夜溫差可達15～30 ℃；平均大氣壓強只有平原地區的60%～70%，空氣稀薄，氧氣含量只有平原地區的60%左右[2—4]。由于空氣越稀薄，透明度越大，到達地面的太陽輻射和紫外線輻射就越強，因此高原地區通常日光照射、紫外線輻射強烈。高原環境的各項具體參數見表1。

表1 高原環境條件參數Table 1 Plateau environment parameters

2　高原環境對制氧設備的影響

由于航空用氧要求比較高，氧氣純度≥99.5%，露點溫度≤-65 ℃[5]，所以部隊現役的制氧裝備主要采用深冷法原理。由于深冷法制氧過程中溫度、氣體流量、壓力等對氧氣產量、純度等影響較大，所以在高原環境下會受到較大影響。作為制氧裝備重要部件的空壓機、透平膨脹機、散熱裝置等對工作環境的依賴性較大，因此在高原地區往往會受到較大影響。

2.1 對空壓機性能影響

空壓機排氣量是按一定海拔高度及吸氣溫度設計的。空壓機排氣壓力po計算如下：

式中：po為出口壓力；pi為進口壓力；λ為壓縮比。

由于高原地區大氣壓力低，所以pi減小的情況下，要保證 po不變，就必須提高壓縮比。由于技術限制，壓縮比提升空間有限，空壓機的排氣壓力會相應降低，導致壓縮氣體溶劑流量明顯減少，單位功耗隨之增加[5—6]。

2.2 對透平膨脹機影響

該制氧設備的透平膨脹機采用風機制動，大氣壓力的降低導致制動風機進氣量減少，使其制動效果降低，膨脹機的轉速隨之升高，容易引起超速。膨脹機的超速不僅不能獲得工況所需冷量，還會損毀膨脹機[7]。

其次，透平膨脹機是制氧裝備主要的制冷部件，透平膨脹機的制冷量Q0計算公式[7]為：

式中：qm為膨脹氣體的質量流量；Δhs為單位質量膨脹氣體在透平膨脹機中的等熵焓降；η為透平膨脹機的等熵效率。

由于大氣壓力和空氣密度都降低，導致螺桿壓縮機的排氣量降低，從而導致膨脹機制冷量減少。由于冷量是制氧的關鍵，膨脹機冷量的減少將降低氧氣產量。

2.3 對氧氣產量的影響

環境溫度變化大，會使預冷機組出口的空氣溫度變化相應加大，從而引起進塔空氣溫度的波動，導致調整精餾塔氣液平衡的難度增大[8]，影響工況穩定，將直接影響氧的生產。與此同時，隨著海拔的升高，氧含量不斷降低。在海拔4 km處，空氣中氧含量僅相當于海平面的60%左右。在流量不增加的情況下，氧產量也將下降40%左右。由于透平膨脹機無法提供足夠的冷量，因此實際工作中，氧產量下降會超過40%。

2.4 對散熱能力的影響

風扇的散熱能力根據熱量計算公式為：

式中：Q為風扇風量，m3/h；p為空氣密度，kg/m3；CP為空氣比熱容，J/(kg·K)；to為風扇出口空氣溫度，K；ti為風扇入口空氣溫度，K。

由式(3)可知，空氣密度及風扇風量對散熱能力存在正相關的關系，海拔4 km時的空氣密度下降 35%。根據式(3)，其他參數相同時，風扇散熱能力也會下降35%。雖然海拔增高，環境溫度降低使風扇入口空氣溫度也隨之降低，可部分補償因海拔升高所引起的產品溫升增加值，但是總的來說，降溫效果仍然是下降的[6,8]。

2.5 其他方面

由于高原環境的特殊性，導線等的絕緣強度降低，在海拔5 km以內，每升高1 km，外絕緣強度降低8%～13%[9]。空氣稀薄導致擊穿電壓相應的降低。空氣介質滅弧開關的電器的滅弧性能降低，通斷能力下降，直流電弧的燃弧時間延長[10—11]。

3　對策措施

針對高原環境的特點，采取相應的措施，使制氧裝備部件的選型、參數等更適合高原環境的特點，對于提高制氧裝備的高原工作能力具有重要意義。

3.1 確保供氣壓力和流量

制氧設備的原料是空氣，供氣壓力和流量是保證制氧順利的兩個最重要的前提[12]。在高原環境下，空壓機的進氣壓力和質量流量會隨著大氣壓力的降低而降低，確保供氣壓力和流量符合要求是解決高原制氧問題的前提，主要措施有：

1）提高螺桿壓縮機的壓縮比。由于高原大氣壓力低，壓縮機進氣壓力偏低，適當提高壓縮比可以有效提高排氣壓力，保證供氣流量，但壓縮比的增加有一定的限制。

2）加裝增壓器。增壓器可以有效提高進氣壓力，確保工況所需供氣壓力。這種方法簡單實用，不過需要做好設備的選型與匹配工作[13]。

雖然兩種方法都可以保證供氣壓力和流量，但是壓縮機壓縮比有一定限制，所以加裝增壓器更簡單一點。不管是哪種方法，都會增加功耗。

3.2 改造透平膨脹機

針對高原環境導致的透平膨脹機制動性能變差，必須給以重視并認真解決。要解決這個問題，首先要想辦法增加制動壓力，具體做法如下：

1）提高制動端的制動效率。由于風機輪除了可以壓縮空氣，以吸收工作氣體傳給工作輪的能量，還具有限制主軸轉速的作用[8]，所以對風機輪進行改造，增大阻力可以有效提高制動效果。

2）對膨脹機的配套管路進行重新設計，盡量減少制動氣體沿途的阻力，讓更多的制動氣體進入制動端。同時對制動氣進出閥重新設計，擴大制動氣的調節范圍。

3）適當改造透平膨脹機，增加透平膨脹機的質量流量，達到增加制冷量的目的。

透平膨脹機質量流量mq計算公式為：

式中：qm為膨脹氣體的質量流量；A1為噴嘴橫截面積；k為絕熱指數；p0為膨脹機進口壓力；p1為膨脹機出口壓力；v0為膨脹機進口處氣體比熱容。可見，由于壓縮比不易提高，所以適當增加A1噴嘴橫截面積，即可以達到增加質量流量的目的。

通過對透平膨脹機的改造，可以有效提高其高原適應性，有效提高制氧裝備的高原工作性能

3.3 其他方面

1）由于該裝備主要以風冷降溫為主，所以為了改善高原環境下的工作特性，可以對風扇葉片進行適當的調整或選用其他型號的風扇，提高降溫能力。

2）高原環境對裝備的電氣特性有較大影響，必須對電器特性加以改進。可以采取防電暈措施，采用性能更好的材料與器件，同時對于器件較密集的部位，如電控柜可以按表2適當對空隙進行調整[14]。

表2 電控柜間隙修正系數Table 2 Correction coefficient of electric control cabinet

同時，由于高原缺氧會導致人反映變慢[16]，難免會出錯，所以應對重要的部件或操作設置糾錯設計，防止由于錯誤的操作影響制氧過程甚至損壞制氧設備。

4　結語

高原的特殊環境對航空制氧設備的正常工作具有較大的影響，這里主要分析了高原環境的特點以及對制氧裝備的各個部件的影響，并提出了具體的解決方法，對于提高航空制氧裝備的高原適應性具有一定的指導意義。

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Influence of Plateau Environment on Oxygen Equipment and Countermeasures

ZHAO Hui, LEI Jin-guo, XIE Qian-dong
(Department of Aviation No.4 Station, Air Force Logistics College, Xuzhou 221000, China)

Objective To improve the adaptability of oxygen equipment to plateau environment and upgrade its supportability efficiency in plateau. Methods From part to the whole, the plateau adaptability of the compressor, expander, electrical equipment and other important components of the oxygen equipment were studied based on the knowledge of characteristics of the plateau environment, and then the influence of plateau environment on oxygen equipment was summarized. Results The characteristics of plateau environment was beyond design indicators of oxygen equipment and would seriously affect the normal work of the equipment. Conclusion Appropriate measures to improve the important components can significantly enhance the adaptability of oxygen equipment to plateau environmental.

plateau environment; oxygen production; environment adaptability

2016-03-28；Revised：2016-04-28

10.7643/ issn.1672-9242.2016.05.018

TJ01；V241

A

1672-9242(2016)05-0111-04

2016-03-28；

2016-04-28

趙輝，（1990—），男，江蘇徐州，碩士研究生，主要研究方向:航空四站保障技術與信息化。

Biography：ZHAO Hui（1990—）， male， from Xuzhou， Jiangsu， master， Security and information technology of four station