高原環(huán)境對(duì)航空制氧裝備的影響及對(duì)策研究

趙輝，雷金果，謝千東

（空軍勤務(wù)學(xué)院 航空四站系，江蘇 徐州 221000）

高原環(huán)境對(duì)航空制氧裝備的影響及對(duì)策研究

趙輝，雷金果，謝千東

（空軍勤務(wù)學(xué)院 航空四站系，江蘇 徐州 221000）

目的 改善制氧裝備的高原適應(yīng)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(huán)境的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研究壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、電氣設(shè)備等重要部件的高原環(huán)境適應(yīng)性，進(jìn)而得出高原對(duì)制氧裝備工作性能的影響。結(jié)果 高原環(huán)境的特點(diǎn)超出了制氧設(shè)備的設(shè)計(jì)指標(biāo)，會(huì)嚴(yán)重影響制氧設(shè)備的正常運(yùn)行。結(jié)論 采取適當(dāng)?shù)拇胧?duì)制氧設(shè)備重要部件加以改進(jìn)，對(duì)提高制氧設(shè)備的高原適應(yīng)性具有良好效果。

高原環(huán)境；制氧；環(huán)境適應(yīng)性

由于航空制氧設(shè)備主要以空氣為原料，其工作過(guò)程中對(duì)環(huán)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(huán)境對(duì)制氧設(shè)備會(huì)產(chǎn)生較大影響[1]。研究高原環(huán)境對(duì)制氧設(shè)備的影響，并尋找解決對(duì)策對(duì)更好地實(shí)現(xiàn)航空用氧保障具有重要意義。

1　高原環(huán)境特點(diǎn)

高原通常是指海拔超過(guò)1000 m的地區(qū)，我國(guó)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(dá)-45 ℃，晝夜溫差可達(dá)15～30 ℃；平均大氣壓強(qiáng)只有平原地區(qū)的60%～70%，空氣稀薄，氧氣含量只有平原地區(qū)的60%左右[2—4]。由于空氣越稀薄，透明度越大，到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射和紫外線輻射就越強(qiáng)，因此高原地區(qū)通常日光照射、紫外線輻射強(qiáng)烈。高原環(huán)境的各項(xiàng)具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 高原環(huán)境條件參數(shù)Table 1 Plateau environment parameters

2　高原環(huán)境對(duì)制氧設(shè)備的影響

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

2.1 對(duì)空壓機(jī)性能影響

空壓機(jī)排氣量是按一定海拔高度及吸氣溫度設(shè)計(jì)的。空壓機(jī)排氣壓力po計(jì)算如下：

式中：po為出口壓力；pi為進(jìn)口壓力；λ為壓縮比。

由于高原地區(qū)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(shù)限制，壓縮比提升空間有限，空壓機(jī)的排氣壓力會(huì)相應(yīng)降低，導(dǎo)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(duì)透平膨脹機(jī)影響

該制氧設(shè)備的透平膨脹機(jī)采用風(fēng)機(jī)制動(dòng)，大氣壓力的降低導(dǎo)致制動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)氣量減少，使其制動(dòng)效果降低，膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速隨之升高，容易引起超速。膨脹機(jī)的超速不僅不能獲得工況所需冷量，還會(huì)損毀膨脹機(jī)[7]。

其次，透平膨脹機(jī)是制氧裝備主要的制冷部件，透平膨脹機(jī)的制冷量Q0計(jì)算公式[7]為：

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

由于大氣壓力和空氣密度都降低，導(dǎo)致螺桿壓縮機(jī)的排氣量降低，從而導(dǎo)致膨脹機(jī)制冷量減少。由于冷量是制氧的關(guān)鍵，膨脹機(jī)冷量的減少將降低氧氣產(chǎn)量。

2.3 對(duì)氧氣產(chǎn)量的影響

環(huán)境溫度變化大，會(huì)使預(yù)冷機(jī)組出口的空氣溫度變化相應(yīng)加大，從而引起進(jìn)塔空氣溫度的波動(dòng)，導(dǎo)致調(diào)整精餾塔氣液平衡的難度增大[8]，影響工況穩(wěn)定，將直接影響氧的生產(chǎn)。與此同時(shí)，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?jī)H相當(dāng)于海平面的60%左右。在流量不增加的情況下，氧產(chǎn)量也將下降40%左右。由于透平膨脹機(jī)無(wú)法提供足夠的冷量，因此實(shí)際工作中，氧產(chǎn)量下降會(huì)超過(guò)40%。

2.4 對(duì)散熱能力的影響

風(fēng)扇的散熱能力根據(jù)熱量計(jì)算公式為：

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

由式(3)可知，空氣密度及風(fēng)扇風(fēng)量對(duì)散熱能力存在正相關(guān)的關(guān)系，海拔4 km時(shí)的空氣密度下降 35%。根據(jù)式(3)，其他參數(shù)相同時(shí)，風(fēng)扇散熱能力也會(huì)下降35%。雖然海拔增高，環(huán)境溫度降低使風(fēng)扇入口空氣溫度也隨之降低，可部分補(bǔ)償因海拔升高所引起的產(chǎn)品溫升增加值，但是總的來(lái)說(shuō)，降溫效果仍然是下降的[6,8]。

2.5 其他方面

由于高原環(huán)境的特殊性，導(dǎo)線等的絕緣強(qiáng)度降低，在海拔5 km以內(nèi)，每升高1 km，外絕緣強(qiáng)度降低8%～13%[9]?？諝庀”?dǎo)致?lián)舸╇妷合鄳?yīng)的降低?？諝饨橘|(zhì)滅弧開(kāi)關(guān)的電器的滅弧性能降低，通斷能力下降，直流電弧的燃弧時(shí)間延長(zhǎng)[10—11]。

3　對(duì)策措施

針對(duì)高原環(huán)境的特點(diǎn)，采取相應(yīng)的措施，使制氧裝備部件的選型、參數(shù)等更適合高原環(huán)境的特點(diǎn)，對(duì)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(shè)備的原料是空氣，供氣壓力和流量是保證制氧順利的兩個(gè)最重要的前提[12]。在高原環(huán)境下，空壓機(jī)的進(jìn)氣壓力和質(zhì)量流量會(huì)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(wèn)題的前提，主要措施有：

1）提高螺桿壓縮機(jī)的壓縮比。由于高原大氣壓力低，壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力偏低，適當(dāng)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(jìn)氣壓力，確保工況所需供氣壓力。這種方法簡(jiǎn)單實(shí)用，不過(guò)需要做好設(shè)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(jī)壓縮比有一定限制，所以加裝增壓器更簡(jiǎn)單一點(diǎn)。不管是哪種方法，都會(huì)增加功耗。

3.2 改造透平膨脹機(jī)

針對(duì)高原環(huán)境導(dǎo)致的透平膨脹機(jī)制動(dòng)性能變差，必須給以重視并認(rèn)真解決。要解決這個(gè)問(wèn)題，首先要想辦法增加制動(dòng)壓力，具體做法如下：

1）提高制動(dòng)端的制動(dòng)效率。由于風(fēng)機(jī)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(zhuǎn)速的作用[8]，所以對(duì)風(fēng)機(jī)輪進(jìn)行改造，增大阻力可以有效提高制動(dòng)效果。

2）對(duì)膨脹機(jī)的配套管路進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，盡量減少制動(dòng)氣體沿途的阻力，讓更多的制動(dòng)氣體進(jìn)入制動(dòng)端。同時(shí)對(duì)制動(dòng)氣進(jìn)出閥重新設(shè)計(jì)，擴(kuò)大制動(dòng)氣的調(diào)節(jié)范圍。

3）適當(dāng)改造透平膨脹機(jī)，增加透平膨脹機(jī)的質(zhì)量流量，達(dá)到增加制冷量的目的。

透平膨脹機(jī)質(zhì)量流量mq計(jì)算公式為：

式中：qm為膨脹氣體的質(zhì)量流量；A1為噴嘴橫截面積；k為絕熱指數(shù)；p0為膨脹機(jī)進(jìn)口壓力；p1為膨脹機(jī)出口壓力；v0為膨脹機(jī)進(jìn)口處氣體比熱容?？梢?jiàn)，由于壓縮比不易提高，所以適當(dāng)增加A1噴嘴橫截面積，即可以達(dá)到增加質(zhì)量流量的目的。

通過(guò)對(duì)透平膨脹機(jī)的改造，可以有效提高其高原適應(yīng)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(fēng)冷降溫為主，所以為了改善高原環(huán)境下的工作特性，可以對(duì)風(fēng)扇葉片進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整或選用其他型號(hào)的風(fēng)扇，提高降溫能力。

2）高原環(huán)境對(duì)裝備的電氣特性有較大影響，必須對(duì)電器特性加以改進(jìn)?？梢圆扇》离姇灤胧捎眯阅芨玫牟牧吓c器件，同時(shí)對(duì)于器件較密集的部位，如電控柜可以按表2適當(dāng)對(duì)空隙進(jìn)行調(diào)整[14]。

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

同時(shí)，由于高原缺氧會(huì)導(dǎo)致人反映變慢[16]，難免會(huì)出錯(cuò)，所以應(yīng)對(duì)重要的部件或操作設(shè)置糾錯(cuò)設(shè)計(jì)，防止由于錯(cuò)誤的操作影響制氧過(guò)程甚至損壞制氧設(shè)備。

4　結(jié)語(yǔ)

高原的特殊環(huán)境對(duì)航空制氧設(shè)備的正常工作具有較大的影響，這里主要分析了高原環(huán)境的特點(diǎn)以及對(duì)制氧裝備的各個(gè)部件的影響，并提出了具體的解決方法，對(duì)于提高航空制氧裝備的高原適應(yīng)性具有一定的指導(dǎo)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(shù)與信息化。

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