民用飛機(jī)預(yù)冷器設(shè)計點選取分析

1、民用飛機(jī)預(yù)冷器設(shè)計點選取分析【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(jìn)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(jī)預(yù)冷器熱邊出口溫度。計算結(jié)果說明，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)?！娟P(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；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(jī)氣源系統(tǒng)局部組件，氣源系統(tǒng)從發(fā)動機(jī)、APU或地面高壓氣源引氣，為座

2、艙空調(diào)、機(jī)翼防冰、發(fā)動機(jī)起動、燃油箱惰化和水箱增壓供氣【1】。其中，發(fā)動機(jī)引氣作為飛機(jī)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)到適宜的值才能供入下游用戶【2】。發(fā)動機(jī)引氣具有過熱保護(hù)功能，通過引氣溫度傳感器檢測預(yù)冷器熱邊出口溫度，假設(shè)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(jī)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(jī)單側(cè)引氣失效防冰系統(tǒng)翻開的狀態(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

3、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(jī)預(yù)冷器的換熱過程進(jìn)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(jī)防冰系統(tǒng)的設(shè)計和驗證需要說明對規(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(jī)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(jìn)行研究。2結(jié)冰包線外預(yù)冷

4、器熱邊出口溫度計算現(xiàn)代民機(jī)發(fā)動機(jī)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(jī)冷邊風(fēng)扇引氣冷卻發(fā)動機(jī)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(jìn)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(jī)正常工作，單側(cè)引氣失效，此時從單臺發(fā)動機(jī)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。其中THI為預(yù)冷器熱邊入口溫度，根據(jù)

5、發(fā)動機(jī)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(jī)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，由式2計算預(yù)冷器熱邊出口溫度THO。THO=THi-THi-TCi22.4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(jìn)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

6、。風(fēng)扇空氣活門進(jìn)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)。假設(shè)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；假設(shè)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

7、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)?；谝龤庀到y(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(xiàn)】【1】黃曉聃，王睿.民用飛機(jī)引氣系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)性能計算J.科技信息，202120：795-796.【2】潘明旭.A320系列飛機(jī)發(fā)動機(jī)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，202102