民機座艙新鮮空氣流量制度的設計方法

王旭陽　王力維

【摘 要】本文介紹了民機座艙對新鮮空氣的設計依據(jù)，給出了通用的設計步驟和方法。并基于440座機的雙通道客機，進行了流量制度設計，設計結(jié)果與同座級商飛飛機進行了比較。結(jié)果表明，本文介紹的流量制度設計流程和方法是工程可執(zhí)行和可靠的。

【關鍵詞】民用飛機；新鮮空氣；流量制度

中圖分類號： V243.6 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）23-0045-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.016

【Abstract】Design requirements are introduced for cabin fresh air flow schedule of civil aircraft.Design flow and method are also presented.Fresh air flow schedule for 440 passengers are designed，and result are compared with the similar commercial aircraft in the market.The comparison shows that the introduced design flow and method are engineering executable and reliable.

【Key words】Civil Aircraft；Fresh air；Flow schedule

0 引言

民用飛機作為高效快捷的載人交通工具，對載人安全、乘坐舒適都具備較高要求。其中向座艙提供足額新鮮空氣是必備的技術手段。

民機空調(diào)系統(tǒng)的核心功能就是向座艙內(nèi)部提供足額新鮮空氣量。高空飛行時外界低溫低壓環(huán)境空氣，無法直接抽引進入座艙使用。目前傳統(tǒng)民用飛機抽引來自發(fā)動機壓氣機5-9級的高溫高壓氣體，經(jīng)空調(diào)系統(tǒng)處理后送入座艙，確保座艙內(nèi)溫度、壓力以及污染物濃度水平符合載人要求。

但從發(fā)動機抽引的空氣量對飛機經(jīng)濟性的影響較大。根據(jù)工程經(jīng)驗，每增加1lb/s的發(fā)動機引氣，飛機燃油代償損失將增加1.5%。民用飛機直接面對全球市場競爭，在進行空調(diào)系統(tǒng)設計時必須極力避免從發(fā)動機抽引過大的新鮮空氣量。

1 座艙新鮮空氣流量制度的設計依據(jù)

民用飛機空調(diào)系統(tǒng)需向座艙提供的新鮮空氣量應滿足如下設計依據(jù)：

a）適航規(guī)章對最低人均新鮮空氣量的需求。如CCAR25.831a）要求正常工況下人均新鮮空氣量不低于0.55 lb/min[1]，AC25-20建議系統(tǒng)可能的失效工況下人均新鮮空氣量不低于0.4 lb/min[2]；

b）座艙保壓需求。SAE ARP 85建議至少使座艙能夠維持300ft/min的增壓速率[3]；

c）艙內(nèi)二氧化碳濃度限制需求。CCAR25.831b）2）要求艙內(nèi)二氧化碳濃度應不高于0.5%[1]；

d）座艙排煙能力要求。AC25-9A建議駕駛艙換氣間隔不大于3min[4]，AC25.795-4建議客艙換氣間隔不大于5min[5]；

e）艙內(nèi)溫度控制性能需求。SAE ARP 85建議艙內(nèi)溫度應能穩(wěn)定在18-29℃區(qū)間內(nèi)，巡航時艙內(nèi)穩(wěn)態(tài)溫度能夠維持在24℃[3]；

f）地面座艙快速加溫和快速冷卻的性能需求，SAE ARP 85建議30 min內(nèi)將艙內(nèi)空氣溫度冷卻或加熱至目標值。

2 座艙新鮮空氣流量制度的設計方法

根據(jù)工程經(jīng)驗，本文推薦的民用飛機座艙新鮮空氣流量制度的設計方法為：

2.1 采用定體積流量

座艙內(nèi)通風口的射流風速是對內(nèi)部流場影響較大的因素，維持定通風射流風速，有利于維持艙內(nèi)流場的穩(wěn)定，不會因通風口射流風速的突變影響迎風面的舒適性。鑒于民用飛機座艙內(nèi)部環(huán)境壓力是隨著飛行高度而變化的，一般從地面的1個大氣壓，變化為巡航高度的0.75個大氣壓。定體積流量的流量制度，可確保在任何飛行階段，艙內(nèi)的通風射流風速保持不變。

此外，民機空調(diào)系統(tǒng)采用文丘里管進行流量測量，利用蝶閥進行流量控制。采用定體積流量制度，降低了系統(tǒng)流量檢測和控制的難度。

2.2 設計多種流量模式，涵蓋不同設計依據(jù)需求

a）高流量模式（HI模式）。覆蓋特殊工況對空調(diào)系統(tǒng)高流量的需求：

1）當艙內(nèi)出現(xiàn)煙霧時，啟動座艙排煙功能，加快座艙通風換氣率；

2）極端冷熱天時外部熱載荷增大，需增大通風量，維持座艙溫度在較舒適或可長時間耐受范圍；

3）地面機體冷、熱浸透后，需增大通風量，快速加溫或冷卻座艙溫度。

b）默認流量模式（Nominal模式）。覆蓋100%上座率時對空調(diào)系統(tǒng)的最大流量需求：

1）適航規(guī)章對最低人均新鮮空氣量的需求；

2）非極限天氣下，座艙內(nèi)空氣溫度控制在舒適范圍。

c）最低流量模式（Minimum模式）。在失效工況下為確保載人和飛行安全，空調(diào)系統(tǒng)必須保障的最低流量：

1）適航規(guī)章對最低人均新鮮空氣量的需求；

2）座艙保壓需求；

3）艙內(nèi)二氧化碳濃度限制需求

4）非極限天氣下，艙內(nèi)溫度控制在較舒適或人體可長時間耐受的范圍內(nèi)。

d）經(jīng)濟流量模式（ECO模式）

空調(diào)系統(tǒng)實際運行時，供氣量可低于Nominal模式，依據(jù)實際上座率線性插值確定，從而減少發(fā)動機引氣量，降低民機運營成本。但一般不得低于Minimum模式。

3 民用飛機座艙新鮮空氣流量制度的設計步驟

根據(jù)工程經(jīng)驗，本文推薦的流量制度設計步驟如下圖所示：

基于上圖設計完成流量制度后，應開展設計依據(jù)的確認工作，如下圖所示：

4 流量制度設計示例

以典型440座級的寬體客機為例，設計得到的流量制度以及對設計依據(jù)的確認結(jié)果如下：

從圖3可以看出，根據(jù)本文開展的民機流量制度設計，完全符合設計依據(jù)，設計依據(jù)的滿足情況得以確認。

將該流量制度與相似座級的B777飛機的流量制度進行對比分析，如圖4所示：

a）B777無HI模式，但其Nominal模式與本文的設計示例的Nominal模式相當。因Nominal模式代表正常工況下飛機對空調(diào)系統(tǒng)的最大能力需求，故此可以斷言，依據(jù)本文推薦的民用飛機座艙新鮮空氣流量制度的設計方法是工程可執(zhí)行且可靠的。

b）本文的設計示例的Minimum模式大大低于B777，這說明嚴格基于設計依據(jù)確定的Minimum模式，將遠遠減低在失效工況下的發(fā)動機引氣負擔。

5 結(jié)論

本文給出了民機座艙對新鮮空氣的設計依據(jù)，并基于工程經(jīng)驗，介紹了一種通用的設計步驟和設計方法，以及設計結(jié)果對設計依據(jù)的確認路徑。

并基于本文介紹的設計方法，對典型的440座機寬體客機進行了流量制度設計，設計結(jié)果與同座級B777飛機進行了比較。結(jié)果表明，本文介紹的流量制度設計流程和方法是工程可執(zhí)行和可靠的。

【參考文獻】

[1]中國民用航空規(guī)章第25部-運輸類飛機適航標準.民航局令第209號.2011.

[2]Pressurization， Ventilation and oxygen systems assessment for subsonic flight.

[3]Including high altitude operation. Advisory Circular AC25-20.1996.

[4]Air Conditioning Systems for Subsonic Airplanes.SAE ARP85F.2012.

[5]Smoke detection，penetration， and evacuation tests and related flight manual.emergency procedures.Advisory Circular AC25-9A.1994.

[6]Passenger cabin smoke protection. Advisory Circular AC25.795-4.2008.