座艙排氣供某設(shè)備通風(fēng)冷卻技術(shù)研究

馬春香，趙文婷，劉治博，施振飛，陳 偉

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

0 引言

某教練機(jī)某設(shè)備需要環(huán)控系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)冷卻，要求滿足強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱量3.8kW。而中低空沖壓空氣含濕量較大，為了保證無(wú)游離水或冰進(jìn)入某設(shè)備艙，環(huán)控系統(tǒng)不能單純采用沖壓空氣冷卻，氣源必須使用發(fā)動(dòng)機(jī)引氣。而發(fā)動(dòng)機(jī)可供引氣量有限，不允許再做一套系統(tǒng)來(lái)冷卻某設(shè)備艙，所以開(kāi)展采用座艙排氣作為冷源來(lái)給某設(shè)備進(jìn)行通風(fēng)冷卻的技術(shù)研究。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用座艙排氣為某設(shè)備提供通風(fēng)冷卻的方案即從座艙壓力調(diào)節(jié)器排氣活門(mén)處接一管路將座艙的排氣通給某設(shè)備機(jī)箱（原理見(jiàn)圖1）。

1.1 制冷量理論計(jì)算

1.1.1 某設(shè)備通風(fēng)冷卻要求

風(fēng)量：≥400kg/h，強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱量：3.8kW

圖1 座艙排氣供某設(shè)備通風(fēng)冷卻原理

1.1.2 制冷量計(jì)算

根據(jù)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(zhì)量定壓熱容；

t=55℃為某設(shè)備艙排氣溫度；

ti為供氣入口溫度。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出座艙排氣可為某設(shè)備通風(fēng)冷卻提供的制冷量如表1所示。

1.1.3 計(jì)算結(jié)果分析

從計(jì)算得出的結(jié)果可以看出，座艙排氣可提供的制冷量在11000m時(shí)最低，為3.95kW，而某設(shè)備需求的制冷量為3.8kW。因此，環(huán)控系統(tǒng)某設(shè)備通風(fēng)冷卻采用座艙排氣提供冷源，其制冷量可以滿足某設(shè)備的通風(fēng)冷卻需求。

表1 座艙排氣可為某設(shè)備通風(fēng)冷卻提供的制冷量表

1.2 管路設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)總體協(xié)調(diào)，結(jié)合飛機(jī)上的空間、排氣活門(mén)尺寸和某設(shè)備機(jī)箱進(jìn)風(fēng)口形狀，設(shè)計(jì)出了從座艙壓力調(diào)節(jié)器出口至某設(shè)備機(jī)箱的管路，管路圖形如圖2所示。

圖2 某設(shè)備通風(fēng)冷卻供氣管路

2 地面模擬試驗(yàn)

2.1 某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管路阻力特性試驗(yàn)

試驗(yàn)原理如圖3所示。

圖3 某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管路阻力特性試驗(yàn)原理

某設(shè)備通風(fēng)管和某設(shè)備阻力特性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，某設(shè)備通風(fēng)管和某設(shè)備的總流阻、某設(shè)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(shí)，某設(shè)備通風(fēng)管和某設(shè)備的總流阻由1.4kPa增加到10.9kPa，而某設(shè)備的流阻所占比重較大，由1kPa增加到8.1kPa。

表2 某設(shè)備通風(fēng)管和某設(shè)備阻力特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 安裝某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管前、后分別進(jìn)行座艙壓力調(diào)節(jié)器靜、動(dòng)態(tài)聯(lián)合試驗(yàn)

試驗(yàn)原理如圖4所示。

圖4 安裝某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管前、后的座艙壓力調(diào)節(jié)器靜、動(dòng)態(tài)聯(lián)合試驗(yàn)原理

圖5 安裝某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管前、后的壓調(diào)靜態(tài)特性

將供氣流量為400kg/h的狀態(tài)試驗(yàn)結(jié)果繪制出靜態(tài)特性曲線見(jiàn)圖5。

從圖5可以看出，在自由通風(fēng)區(qū)，有某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管的座艙壓力要大于沒(méi)有安裝某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管的座艙壓力；在絕對(duì)壓力調(diào)節(jié)區(qū)，有某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管的座艙壓力與沒(méi)有安裝某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管的座艙壓力基本一致。這是因?yàn)樵谠谧杂赏L(fēng)區(qū)，排氣活門(mén)后安裝了某設(shè)備通風(fēng)管和某設(shè)備后，給從壓力調(diào)節(jié)器出來(lái)的氣體增加了流動(dòng)阻力；而在絕對(duì)壓力調(diào)節(jié)區(qū)，由于壓力調(diào)節(jié)器的壓力調(diào)節(jié)作用，抵消了某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管的流動(dòng)阻力的緣故[2]。

供氣流量為400kg/h的狀態(tài)座艙余壓曲線圖見(jiàn)圖6。

從圖6可以看出：

1）飛機(jī)俯沖時(shí)兩種安裝方式的座艙余壓曲線比較

在飛機(jī)俯沖階段，飛機(jī)從飛行高度為14000米的高度上開(kāi)始俯沖，沒(méi)有安裝某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管狀態(tài)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(dá)自由通風(fēng)區(qū)后座艙壓力只比大氣壓力高出一點(diǎn) （壓差為排氣活門(mén)的阻力）；在安裝了某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管的座艙余壓為28.9kPa，這是因?yàn)轱w行高度大于10000米時(shí)，進(jìn)入余壓調(diào)節(jié)區(qū)，飛機(jī)座艙的余壓應(yīng)隨著高度的變化而保持不變 （標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管的座艙壓力大于沒(méi)有安裝某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管的座艙壓力。

在自由通風(fēng)區(qū)，沒(méi)有安裝某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管的座艙壓力和安裝了某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管的座艙壓力與大氣壓力基本相近。

在絕對(duì)壓力調(diào)節(jié)區(qū)和自由通風(fēng)區(qū)，兩種安裝方式的壓力調(diào)節(jié)規(guī)律基本相當(dāng)。整個(gè)俯沖階段，座艙壓力是一增加過(guò)程，環(huán)控系統(tǒng)供入座艙的空氣流量一部分經(jīng)壓力調(diào)節(jié)器活門(mén)排出，另一部分用來(lái)向座艙充壓，以提高座艙壓力，這個(gè)過(guò)程中排氣活門(mén)的排氣流量要小于環(huán)控系統(tǒng)的供氣量，因此此時(shí)排氣阻力要小于正常供氣時(shí)的阻力，座艙壓力就要小于正常的座艙壓力。

2）飛機(jī)爬升時(shí)兩種安裝方式的座艙余壓曲線比較

在飛機(jī)的爬升過(guò)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(fēng)區(qū)，安裝了某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管的座艙壓力變化速率有所減緩。這是因?yàn)榘惭b了某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)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(fēng)區(qū)和絕對(duì)壓力調(diào)節(jié)區(qū)的前半段，安裝某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管后，座艙壓力大于正常的座艙壓力。這是因?yàn)樵谂郎倪^(guò)程中不僅由空調(diào)系統(tǒng)供給座艙的空氣流量要通過(guò)座艙壓力調(diào)節(jié)器的排氣活門(mén)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(mén)排出艙外，在這個(gè)過(guò)程中排氣活門(mén)的排氣流量大于空調(diào)系統(tǒng)的供氣量，排氣阻力要大于正常供氣時(shí)的阻力，如果此時(shí)的排氣阻力大于壓力調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)能力時(shí)，座艙壓力就會(huì)大于正常的座艙壓力。

圖6 安裝某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管前、后的動(dòng)態(tài)座艙余壓曲線圖

在絕對(duì)壓力調(diào)節(jié)區(qū)的后半段和余壓調(diào)節(jié)區(qū)，安裝某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管前、后的座艙壓力基本一致，這是因?yàn)殡S著飛行高度的增加，座艙壓力達(dá)到壓力調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)范圍時(shí)，由于壓力調(diào)節(jié)器的調(diào)壓作用，抵消了排氣阻力。

3 結(jié)論

1）加裝了某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管后增加了排氣活門(mén)的排氣阻力。

2）在壓力調(diào)節(jié)器的靜態(tài)特性中，在自由通風(fēng)區(qū)，安裝了某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管后的座艙壓力大于沒(méi)有安裝某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管的座艙壓力。在絕對(duì)壓力調(diào)節(jié)區(qū)，安裝某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管后對(duì)座艙壓力影響較小。在10000m以上余壓調(diào)節(jié)區(qū)，加裝了某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管后的座艙壓力基本保持在規(guī)定的壓力值范圍內(nèi)。

3）在壓力調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)特性中，飛機(jī)俯沖時(shí)，兩種安裝方式對(duì)座艙壓力制度的影響基本相當(dāng)，無(wú)明顯區(qū)別。

4）在壓力調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)特性中，飛機(jī)爬升時(shí)，加裝了某設(shè)備和某設(shè)備通風(fēng)管后使活門(mén)排氣阻力增加，在自由通風(fēng)區(qū)和部分絕對(duì)壓力調(diào)節(jié)區(qū)致使座艙壓力大于規(guī)定的值。直至10000m以上余壓調(diào)節(jié)區(qū)，座艙余壓基本在規(guī)定的余壓值范圍內(nèi)。

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

[2]王浚,徐揚(yáng)禾.飛機(jī)座艙參數(shù)控制.北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1980.