民用飛機預(yù)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(yù)冷器換熱性能研究的必要性。通過預(yù)冷器冷邊流量估算，根據(jù)引氣系統(tǒng)管路及設(shè)備壓損模型對預(yù)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(yù)冷器熱邊出口溫度。計算結(jié)果表明，飛行高度低于21000ft時，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(yù)冷器換熱特性

0 引言

預(yù)冷器為民用飛機氣源系統(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(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)動機引氣具有過熱保護功能，通過引氣溫度傳感器檢測預(yù)冷器熱邊出口溫度，若預(yù)冷器熱邊出口溫度過高將導(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)計點的選取應(yīng)充分考慮飛機各工況條件下預(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(yù)冷器更為嚴(yán)酷，預(yù)冷器設(shè)計點如果忽略結(jié)冰包線外工況的考慮將對預(yù)冷器引發(fā)超溫故障存在很大風(fēng)險。因此，本文對結(jié)冰包線外飛機預(yù)冷器的換熱過程進行研究，為預(yù)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(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。因此有必要對結(jié)冰包線外預(yù)冷器的換熱性能進行研究。

2 結(jié)冰包線外預(yù)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(fēng)扇空氣活門、引氣溫度傳感器實現(xiàn)。預(yù)冷器是一個空-空熱交換器，利用發(fā)動機冷邊風(fēng)扇引氣冷卻發(fā)動機熱邊高溫高壓氣體，通過風(fēng)扇空氣活門的開度調(diào)節(jié)風(fēng)扇冷空氣流量，進而控制預(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算過程。

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(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)動機引氣參數(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)動機風(fēng)扇入口）溫度。根據(jù)計算得出的預(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的冷邊流量。

2.3 確定預(yù)冷器效率，計算預(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）計算預(yù)冷器熱邊出口溫度THO。

THO=THi-η（THi-TCi）（2）

2.4 計算風(fēng)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(yù)冷器冷邊出口壓力，即風(fēng)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(fēng)扇空氣活門出口壓力。風(fēng)扇空氣活門進出口壓差即為風(fēng)扇空氣活門實際壓損。

2.5 校核預(yù)冷器冷邊流量是否供應(yīng)正常

根據(jù)風(fēng)扇空氣活門實際壓損判定預(yù)冷器冷邊流量是否能正常供應(yīng)。若計算得到的風(fēng)扇空氣活門實際壓損大于風(fēng)扇空氣活門全開壓損，說明此時風(fēng)扇空氣活門未全開，預(yù)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(yīng)的預(yù)冷器出口溫度即為所求；若風(fēng)扇空氣活門實際壓損小于風(fēng)扇空氣活門全開壓損，說明冷邊流量過大不能滿足需求，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計算步驟，直至風(fēng)扇空氣活門實際壓力損失等于活門的全開壓力損失。計算最終預(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。具體計算結(jié)果見圖2。

因此，對于預(yù)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(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(yù)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(yù)冷器設(shè)計滿足換熱需求提供依據(jù)。基于引氣系統(tǒng)控制邏輯，計算了結(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】

[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(xué)院學(xué)報，2013（02）：49-51+54.

[3]劉永建.A320空調(diào)/引氣系統(tǒng)故障淺析[J].江蘇航空，2002（03）：18-21.

[4]王磊，候盼盼.民用飛機氣源系統(tǒng)性能仿真研究[J].民用飛機設(shè)計與研究， 2012，（S1）：166-168.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]