民用飛機(jī)水廢水系統(tǒng)防冰功能設(shè)計(jì)

張雪蘋，雷美玲，朱翀

(中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司 上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上?！?01210)

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民用飛機(jī)水廢水系統(tǒng)防冰功能設(shè)計(jì)

張雪蘋，雷美玲，朱翀

(中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司 上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

摘要：民用飛機(jī)水廢水系統(tǒng)的設(shè)備及管路布置位置從機(jī)身前部的前EE艙貫穿至機(jī)身后部的水廢水艙，涉及艙段的溫度分布變化較大，若不采取防冰措施，系統(tǒng)結(jié)冰會(huì)導(dǎo)致其功能喪失。采用模塊化分析方法，對(duì)典型民用飛機(jī)水廢水系統(tǒng)途經(jīng)的不同區(qū)域的環(huán)境溫度進(jìn)行分析，確定水廢水系統(tǒng)防冰區(qū)域，并給出確定加熱器布置位置的原則；同時(shí)，針對(duì)不同需要防冰部件的特點(diǎn)，給出對(duì)應(yīng)的防冰方式選用原則及典型加熱器的防冰功率計(jì)算方法。本文采用的水廢水系統(tǒng)防冰功能設(shè)計(jì)方法，可在民用飛機(jī)水廢水系統(tǒng)研制之初、缺少全機(jī)溫度場(chǎng)分布的情況下，為系統(tǒng)的防冰功能設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：民用飛機(jī)；水廢水系統(tǒng)；防冰區(qū)域；防冰方式；加熱器功率計(jì)算

0引言

民用飛機(jī)水系統(tǒng)是指在機(jī)內(nèi)貯藏并提供足夠量的飲用水，為機(jī)上廚房及盥洗室提供飲用水、冷熱盥洗用水和馬桶沖洗用水，以滿足機(jī)組人員及乘客機(jī)上生活需要，是民用飛機(jī)不可或缺的重要系統(tǒng)[1]。在民用飛機(jī)水廢水系統(tǒng)(Water and Waste System，簡(jiǎn)稱WWS)的設(shè)計(jì)中，其防冰功能設(shè)計(jì)是一個(gè)重要方面，水廢水系統(tǒng)內(nèi)水結(jié)冰會(huì)給飛行安全帶來重大隱患。例如，若水服務(wù)板及廢水服務(wù)板設(shè)備內(nèi)水結(jié)冰，系統(tǒng)將無法進(jìn)行地面勤務(wù)工作，影響飛機(jī)派遣；若水箱/廢水箱及相應(yīng)管路凍結(jié)，系統(tǒng)將喪失功能，影響機(jī)組人員及乘客的機(jī)上生活需要，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致水管破裂，影響飛機(jī)的安全飛行[2]。因此，在水廢水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必須考慮系統(tǒng)防冰功能設(shè)計(jì)。

防冰功能設(shè)計(jì)是飛機(jī)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要領(lǐng)域[3]，國(guó)內(nèi)外已對(duì)民用飛機(jī)防冰功能設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量研究，設(shè)計(jì)方法主要包括數(shù)值計(jì)算[4]、風(fēng)洞試驗(yàn)[5]、試飛試驗(yàn)[6]等，但這些研究多是針對(duì)機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、大氣數(shù)據(jù)探測(cè)器等部位或設(shè)備，鮮有文獻(xiàn)對(duì)水廢水系統(tǒng)防冰開展研究。目前，尚未查閱到國(guó)內(nèi)公開發(fā)表的有關(guān)飛機(jī)水廢水系統(tǒng)防冰功能設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)，僅能通過對(duì)航空公司的調(diào)研，了解有限類別機(jī)型的水廢水系統(tǒng)防冰功能設(shè)計(jì)方案。水廢水系統(tǒng)部件及管路通常從前機(jī)身貫穿至中后機(jī)身，涉及艙段的溫度分布變化較大，且部分部段為非溫控區(qū)，是否可以通過數(shù)值計(jì)算方法來準(zhǔn)確地確定其溫度分布未見報(bào)道。國(guó)外，雖然波音、空客等航空公司的多個(gè)型號(hào)飛機(jī)的水廢水系統(tǒng)設(shè)計(jì)已有相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，但無法查閱到其公開的文獻(xiàn)資料。

本文依據(jù)型號(hào)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合對(duì)航空公司的調(diào)研結(jié)果，采用模塊化分析方法，對(duì)民用飛機(jī)水廢水系統(tǒng)途經(jīng)的不同區(qū)域的環(huán)境溫度進(jìn)行分析，確定水廢水系統(tǒng)的防冰區(qū)域，給出對(duì)應(yīng)的防冰方式選用原則及典型加熱器的防冰功率計(jì)算方法，對(duì)民用飛機(jī)水廢水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探究，以期在民用飛機(jī)水廢水系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，為系統(tǒng)防冰功能的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1典型機(jī)型水廢水系統(tǒng)設(shè)備及其布置位置

水廢水系統(tǒng)設(shè)備及管路布置沿飛機(jī)航向從前機(jī)身的EE艙貫穿至中后機(jī)身的水廢水艙，從機(jī)身內(nèi)部延伸至機(jī)身外部的蒙皮附近，途徑的艙段包括溫控區(qū)和非溫控區(qū)，溫度分布差別較大。同時(shí)，考慮到合理、充分地利用機(jī)身內(nèi)部空間，水廢水系統(tǒng)管路鋪設(shè)常貼近機(jī)身蒙皮，因此飛機(jī)高空飛行時(shí)，水廢水系統(tǒng)易受外部環(huán)境溫度的影響，溫度相對(duì)較低，在確定防冰區(qū)域時(shí)，需重點(diǎn)考慮。

廢水輸送管路僅當(dāng)馬桶使用時(shí)或灰水界面閥存儲(chǔ)到一定水量、往下排放灰水時(shí)才會(huì)存水，且排水過程時(shí)間較短，不會(huì)在排放過程中結(jié)冰，其他時(shí)間段內(nèi)管路中不會(huì)存儲(chǔ)水，或者只有少量的抽吸過程中殘留的水，不會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)量的冰堵塞廢水管。故在水廢水防冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，無需考慮廢水輸送管路的防冰，僅需對(duì)廢水箱、廢水排放管及供水、分配管路等主要部件進(jìn)行防結(jié)冰設(shè)計(jì)。

從前EE艙至中后機(jī)身散貨艙，水廢水系統(tǒng)僅布置有供水管路和排放閥，中后機(jī)身部段的水廢水艙是包含水廢水系統(tǒng)部件及管路較多的艙段，例如水箱、廢水箱、加水/排放閥、供水管路等，服務(wù)板類設(shè)備也安裝于水廢水艙段的機(jī)身貼近外蒙皮的位置上。典型機(jī)型水廢水系統(tǒng)的安裝布置如圖1所示。

圖1　典型機(jī)型水廢水系統(tǒng)安裝布置

2基于模塊化溫度分析的防冰區(qū)域確定方法

2.1基于模塊化溫度分析方法

水廢水系統(tǒng)設(shè)備及管路所處位置的溫度特點(diǎn)是其是否需要采取防冰措施的輸入條件。民用飛機(jī)水廢水系統(tǒng)大部分設(shè)備及管路均布置在客艙地板下方，途徑位置多為非溫控區(qū)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，很難用數(shù)值計(jì)算模擬出真實(shí)環(huán)境下的溫度場(chǎng)。在缺乏溫度場(chǎng)的情況下，基于區(qū)域溫度分布特點(diǎn)，采用模塊化溫度分析方法，建立初步防冰區(qū)域確定原則，對(duì)于如圖1所示的典型機(jī)型水廢水系統(tǒng)安裝布置，可以做如下模塊化分析。

(1) 處于溫控區(qū)的設(shè)備無需防冰，例如EE艙內(nèi)的供水管。

(2) 對(duì)于貨艙類溫控區(qū)，因?yàn)樨浥摰脑O(shè)計(jì)溫度一般維持在2～35 ℃之間，相鄰三角區(qū)內(nèi)的設(shè)備，例如溫控區(qū)與三角區(qū)之間的隔板(保溫板)，考慮到其傳熱性能較差，溫控區(qū)內(nèi)溫度無法有效傳遞至三角區(qū)，故該三角區(qū)內(nèi)的設(shè)備需要進(jìn)行防冰設(shè)計(jì)；而研制試飛經(jīng)驗(yàn)表明，非保溫材料可有效地將溫控區(qū)內(nèi)的熱量傳遞至三角區(qū)，故對(duì)于非保溫材料的隔板，若三角區(qū)內(nèi)溫度高于0 ℃，則該區(qū)域內(nèi)的設(shè)備無需防冰。研究前貨艙、后貨艙及散貨艙三角區(qū)內(nèi)設(shè)備的防冰需求時(shí)，亦可按照上述原則處理。

(3) 對(duì)于再循環(huán)風(fēng)扇艙、水廢水艙類的溫控增壓區(qū)，其溫度要求不低于-15 ℃，考慮到客艙氣流對(duì)其有加溫作用，該艙段的溫度一般遠(yuǎn)高于-15 ℃，型號(hào)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)表明，該區(qū)域的溫度一般維持在0 ℃左右，布置小功率的電加熱器即可。

(4) 處于非溫控增壓區(qū)內(nèi)的設(shè)備需進(jìn)行防冰設(shè)計(jì)，例如中央翼、起落架艙相鄰艙段的設(shè)備等。

(5) 機(jī)身內(nèi)靠近蒙皮處的設(shè)備，其所處位置受外界環(huán)境溫度影響較大，且容易存在溫控死角，即使相鄰區(qū)域溫度高于0 ℃，但靠近蒙皮的區(qū)域也有可能低于0 ℃，因此需要進(jìn)行防冰設(shè)計(jì)，例如貼近蒙皮框架上布置的水管。

(6) 貼近機(jī)身外蒙皮的服務(wù)板類設(shè)備，直接暴露于外界環(huán)境中，故對(duì)于在正常使用過程中能接觸到水或廢水的服務(wù)板上的設(shè)備，需進(jìn)行防冰設(shè)計(jì)。

(7) 研究防冰設(shè)備時(shí)，還應(yīng)注意：①飛行中不存水的設(shè)備無需防冰，例如加水管路、排放管路等；②閥類設(shè)備在低溫環(huán)境下執(zhí)行加水/排放操作時(shí)，若閥中殘留的水凍結(jié)，將會(huì)影響其打開或關(guān)閉操作，故閥類設(shè)備需要防冰。

2.2基于模塊化溫度分析方法樣例分析

以如圖1所示的典型單通道民用飛機(jī)水廢水系統(tǒng)安裝布置為例，結(jié)合全機(jī)各艙段的溫控特點(diǎn)，采用模塊化分析方法，對(duì)該機(jī)型各艙段內(nèi)的水廢水系統(tǒng)需防冰部件進(jìn)行分析，其結(jié)果如表1所示。

表1　各艙段水廢水系統(tǒng)防冰需求

從表1可以看出：對(duì)于該機(jī)型水廢水系統(tǒng)設(shè)備，僅有直接布置于前EE艙和中EE艙溫控區(qū)的水廢水設(shè)備無需防冰，其他處于溫控區(qū)隔壁的三角區(qū)或者非溫控區(qū)艙段內(nèi)的水廢水設(shè)備均需防冰。

3系統(tǒng)防冰方式的選擇

水廢水系統(tǒng)防冰設(shè)計(jì)具有涉及范圍大、防冰設(shè)備多樣化等特點(diǎn)，在水廢水系統(tǒng)設(shè)備防冰設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合需防冰設(shè)備的特點(diǎn)和安裝位置，選擇合適的防冰措施。

3.1管路類設(shè)備

水廢水系統(tǒng)需防冰的管路類設(shè)備分為三種：飲用水系統(tǒng)的主供水管路[7]、分配管路、廢水處理系統(tǒng)的廢水箱排放管路。

主供水管路的內(nèi)徑通常為3/4 in，且從前機(jī)身一直貫穿至中后機(jī)身，需防冰的管路較長(zhǎng)，結(jié)合管徑特點(diǎn)并考慮經(jīng)濟(jì)性，一般采用插入電加熱器的防冰方式，在管路中內(nèi)置電加熱絲，電加熱絲的長(zhǎng)度依據(jù)需防冰的管長(zhǎng)而定。該防冰方式如圖2所示。

圖2　管路插入式電加熱器

分配管路的內(nèi)徑通常為1/2 in，考慮到其管徑較小，且布置位置通常是從地板下方穿板至地板上方的廚房和盥洗室，管路較短，因此通常采用可加熱管路，即直接將加熱絲布置在管壁中，通過加熱管壁來達(dá)到防冰的效果，如圖3所示。

圖3　加熱軟管

廢水箱排放管路因其管路較粗，通常采用毯式加熱器，在管路四周包裹一圈加熱毯，以達(dá)到防冰的效果。

3.2水箱、廢水箱、閥類設(shè)備

水箱和廢水箱因?yàn)轶w積較大，與低溫環(huán)境的接觸面較大，為了達(dá)到良好的加溫和后續(xù)保溫效果，通常采用毯式加熱方式，即采用電加熱毯包裹箱體對(duì)其加溫，同時(shí)，加熱毯的包裹還能起到很好的保溫效果，如圖4所示。

圖4　水箱、廢水箱毯式電加熱器

閥類設(shè)備的防冰措施和水箱/廢水箱類似，也是采用包裹毯式加熱器來達(dá)到防冰的目的，如圖5所示。

圖5　閥類設(shè)備毯式電加熱器

3.3服務(wù)板上的設(shè)備

服務(wù)板上的設(shè)備體積較小，與服務(wù)板有很好的貼合面，通常采用加熱墊來防冰。加熱墊安裝在設(shè)備和服務(wù)板中間的安裝面上，通過加熱墊發(fā)熱來達(dá)到防冰效果，如圖6所示。

圖6　服務(wù)板上的設(shè)備加熱墊

4加熱功率分析

在進(jìn)行加熱器熱功率分析時(shí)，應(yīng)考慮到：設(shè)備中的水在不使用時(shí)是靜止的，故無需考慮管路中水流動(dòng)對(duì)熱功率的影響；而使用水時(shí)管路內(nèi)的水雖然發(fā)生流動(dòng)，但水箱中的水是具有加溫和保溫措施的，故也無需考慮流動(dòng)對(duì)熱功率的影響。對(duì)于廢水設(shè)備同理。

由于缺乏相關(guān)艙段的溫度場(chǎng)分布信息，對(duì)于水廢水系統(tǒng)部件防冰功率的計(jì)算，本文依據(jù)典型型號(hào)飛機(jī)的艙段溫控特點(diǎn)，將成熟經(jīng)驗(yàn)公式作為功率計(jì)算的設(shè)計(jì)依據(jù)。對(duì)于某些特定設(shè)備的加熱功率，結(jié)合歷史使用經(jīng)驗(yàn)值，給出其加熱功率的推薦值。

下文以定型系統(tǒng)供水管路為研究對(duì)象，介紹其電加熱功率的計(jì)算方法[8]。

(1) 主供水管路(內(nèi)置電加熱絲)

對(duì)于管徑為1 in的主供水管路，其內(nèi)置電加熱絲的加熱功率與長(zhǎng)度成正比。而在實(shí)際加熱功率的確定過程中，缺乏各艙段的溫度分布數(shù)據(jù)，同時(shí)，一段內(nèi)置加熱絲通常貫穿多個(gè)艙段，各艙段的溫度分布不同，故無法準(zhǔn)確計(jì)算出每個(gè)電加熱絲所需的加熱功率。

依據(jù)典型機(jī)型的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，按照每英寸長(zhǎng)度配置的電加熱功率為1 W，對(duì)于長(zhǎng)度為L(zhǎng)(in)的電加熱絲，其加熱功率P(W)為：

P=1×L

(1)

該防冰電加熱器功率計(jì)算方法已應(yīng)用在B787、E170/190等多個(gè)機(jī)型，實(shí)踐表明該功率的配置方法可以滿足防冰要求。

(2) 分配管路(電加熱軟管)

電加熱軟管的加熱功率與管子的長(zhǎng)度和外徑成正比，同時(shí)，管路兩端的連接接頭形式對(duì)分配管路的加熱功率也有影響。依據(jù)SAE AS標(biāo)準(zhǔn)[8]，在環(huán)境溫度低至-54 ℃的條件下，該類型軟管的加熱功率能夠保證管路中的水溫保持在4.4～18 ℃的范圍內(nèi)。其加熱功率可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(式(2))進(jìn)行計(jì)算：

P=(4a+8.5)×b/12+c×a2±10%

(2)

式中：a為管徑(in)；b為管長(zhǎng)(in)；c=15，表示軟管兩端為擴(kuò)口或無擴(kuò)口接頭，c=10，表示軟管一端為擴(kuò)口或無擴(kuò)口接頭，另一端為諸如AS1650[9]柔性管接頭，c=7.5，表示軟管兩端均為諸如AS1650柔性管接頭。

(3) 水箱、廢水箱

水箱、廢水箱一般安裝于非溫控增壓區(qū)(例如水廢水艙和再循環(huán)增壓艙)，在典型單通道中短程干線飛機(jī)設(shè)計(jì)中，要求非溫控增壓艙的環(huán)境溫度一般不低于-15 ℃，受客艙排出的暖空氣影響(客艙排氣溫度一般維持在18～30 ℃)，非溫控增壓艙真實(shí)的環(huán)境溫度一般在0 ℃左右(靠近蒙皮處溫度除外，該處溫度一般較低)，相似機(jī)型的高寒機(jī)場(chǎng)試飛結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。水箱、廢水箱的容積較大，處于非溫控增壓區(qū)的大部分箱體處于0 ℃左右的環(huán)境中，僅有少部分箱體的外表面會(huì)靠近蒙皮，因此，采用低功率的加熱毯進(jìn)行加熱保護(hù)即可。典型機(jī)型的水箱、廢水箱加熱器布置數(shù)據(jù)表明：對(duì)于容積不超過300 L的箱體，一般選用的加熱毯功率不超過1 kW，后續(xù)可通過試飛試驗(yàn)來對(duì)加熱功率進(jìn)行最終的計(jì)算和驗(yàn)證。

(4) 服務(wù)板類設(shè)備及閥類設(shè)備

安裝在服務(wù)板上的設(shè)備(例如加水/排放接頭、沖洗接頭、排放球閥等)及閥類設(shè)備，與水管中存有靜止的水不同，它們?cè)谑褂眠^程中不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間存水，僅在加水或者排放時(shí)才會(huì)有水流經(jīng)過，故其所需的加熱功率很小，一般在50 W以下。使用經(jīng)驗(yàn)表明：該功率能夠滿足其服務(wù)范圍內(nèi)的防冰要求。

5結(jié)論

(1) 為最大化地減輕系統(tǒng)重量，應(yīng)避免安裝不必要的加熱器，系統(tǒng)電加熱器應(yīng)設(shè)計(jì)為可拆卸形式，對(duì)于任一電加熱器，若試飛試驗(yàn)證明其無需安裝，則該加熱器必須能夠拆除且無需帶來其他重大更改(貨架產(chǎn)品除外)。

(2) 對(duì)于管路類工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件，其電加熱器加熱功率無需通過數(shù)值方法進(jìn)行計(jì)算，僅按照本文第4節(jié)所提方法來確定即可；對(duì)于服務(wù)板類設(shè)備，不同機(jī)型的工作環(huán)境溫度范圍相差較小，經(jīng)驗(yàn)表明本文所推薦的加熱功率是滿足要求的；對(duì)于水箱、廢水箱加熱毯，若能獲得其周圍的環(huán)境溫度場(chǎng)，則可通過數(shù)值計(jì)算來獲得更加準(zhǔn)確的加熱功率。本文推薦的加熱功率計(jì)算方法和加熱值均較為保守，但考慮到加熱器本身具有過熱保護(hù)功能，當(dāng)加熱功率稍大時(shí)將縮短加熱時(shí)間，并不會(huì)對(duì)設(shè)備及加熱器本身造成破壞。

(3) 本文以型號(hào)研制經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，可在民用飛機(jī)水廢水系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初、缺乏布置區(qū)域溫度場(chǎng)的情況下，為系統(tǒng)的防冰功能設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。本研究?jī)?nèi)容適用于民用飛機(jī)水廢水系統(tǒng)初步防冰功能的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，系統(tǒng)后續(xù)防冰性能的優(yōu)化與驗(yàn)證應(yīng)通過試飛試驗(yàn)來完成。

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張雪蘋(1987-)，女，碩士，工程師。主要研究方向：民機(jī)水廢水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、飛機(jī)防冰設(shè)計(jì)。

雷美玲(1979-)，女，高級(jí)工程師。主要研究方向：民機(jī)水廢水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、飛機(jī)防冰設(shè)計(jì)。

朱翀(1988-)，男，碩士，工程師。主要研究方向：民機(jī)水廢水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、水廢水系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算等。

(編輯：馬文靜)

Method of Civil Aircraft Water and Waste System Icing-protection Design

Zhang Xueping, Lei Meiling, Zhu Chong

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Commercial Aircraft Corporation of China, Ltd., Shanghai 201210, China)

Abstract:The location of the components and lines of water and waste system(WWS) in civil aircraft are crossing from the the FWD EE bin to the AFT WWS compartment along the fuselage. Temperature distribution is complex among different zones. The system will lose function due to icing without icing protection when in low temperature. The heater’s location is a key point but difficult to confirm. The temperature of different zones is analyzed by using the module analysis method to confirm the icing protection areas, and the electrical heater location confirming rule is provided. To make the icing protection efficiency maximum, the appropriate icing protection method for different components is given, and the heater electrical power calculation methods for hose, line and tank are provided too. The icing protection method in this paper can provide the reference for civil aircraft WWS design without the aircraft temperature distribution layout.

Key words:civil aircraft; water and waste system; icing protection areas; icing protection method; heater electrical power calculation

作者簡(jiǎn)介：

中圖分類號(hào)：V37

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.16615/j.cnki.1674-8190.2016.01.015

文章編號(hào):1674-8190(2016)01-106-06

通信作者：張雪蘋,zhangxueping@comac.cc

收稿日期：2015-09-23；修回日期：2015-12-12