江娜

【摘 要】空調(diào)組件的地面性能試驗(yàn)是為了充分驗(yàn)證空調(diào)組件對(duì)技術(shù)要求的滿足情況。本文基于某民用飛機(jī)空調(diào)組件，提出了一種評(píng)估空調(diào)組件性能的試驗(yàn)方案，并給出了合格判據(jù)，對(duì)后續(xù)空調(diào)組件的研制提供參考。

【關(guān)鍵詞】空調(diào)組件；性能試驗(yàn)；民用飛機(jī)；性能試驗(yàn)規(guī)劃

【Abstract】The performance test of air conditioning unit on ground is to fully proof the consistency degree that the air conditioning unit meets the technical requirements. Based on an air conditioning unit of civil aircraft， a scheme and success criteria of performance test was provided， referred for researching air conditioning development.

【Key words】Air conditioning unit； Performance test； Civil aircraft； Performance test scheme

0 引言

空調(diào)組件是飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)的核心部件，空調(diào)組件性能的好壞直接決定了座艙溫度、壓力、濕度和人均新風(fēng)量，進(jìn)而影響了燃油損耗、飛行安全和座艙空氣品質(zhì)。

受限于試驗(yàn)條件，國(guó)內(nèi)對(duì)于民用空調(diào)組件性能的研究基本是通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真來(lái)實(shí)現(xiàn)的[1-2]，而通過(guò)試驗(yàn)研究的文獻(xiàn)卻鮮有出現(xiàn)。即使是通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行研究的，也僅局限于對(duì)關(guān)鍵部件[3]，而非空調(diào)組件整體。國(guó)外對(duì)于空調(diào)組件性能的評(píng)估是通過(guò)試驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方式完成的。其方法是，首先根據(jù)技術(shù)要求選取典型工況點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果一方面用于判斷對(duì)技術(shù)要求和指標(biāo)要求的符合性，一方面用于修正計(jì)算模型。再通過(guò)修正后的計(jì)算模型計(jì)算飛機(jī)在各飛行包線、溫度包線下空調(diào)組件的性能數(shù)據(jù)，再根據(jù)獲取的性能數(shù)據(jù)對(duì)空調(diào)組件的性能進(jìn)行評(píng)估。

本文針對(duì)空調(diào)組件三個(gè)最重要的性能指標(biāo)，制冷能力，泄漏量和除濕效率，對(duì)空調(diào)組件的性能進(jìn)行了試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。

1 試驗(yàn)對(duì)象

本試驗(yàn)的對(duì)象為某民用飛機(jī)空調(diào)組件，主要由表1所示子部件組成，其外形圖見(jiàn)圖1。

該空調(diào)組件從氣源系統(tǒng)引氣，高溫高壓的空氣首先進(jìn)入初級(jí)換熱器熱邊，被初級(jí)換熱器冷邊的沖壓空氣冷卻。

離開(kāi)初級(jí)換熱器后，氣流分為兩路，一路主流進(jìn)入空氣循環(huán)機(jī)的壓氣機(jī)，經(jīng)過(guò)壓氣機(jī)后，壓力和溫度都升高。從壓氣機(jī)出來(lái)之后，氣流進(jìn)入主換熱器熱邊，被主換熱器冷邊沖壓空氣冷卻，經(jīng)過(guò)主換熱器之后溫度和壓力都降低。氣流離開(kāi)雙級(jí)換熱器之后，進(jìn)入高壓除水循環(huán)。氣流先進(jìn)入回?zé)崞鳠徇?，接著進(jìn)入冷凝器熱邊，氣流溫度降低到水蒸氣露點(diǎn)溫度后，空氣中的水蒸氣變成液態(tài)水，在冷凝器下游的水分離器中利用離心作用將水和空氣分離、除水，然后氣流再次進(jìn)入回?zé)崞骼溥?。在進(jìn)入空氣循環(huán)機(jī)的渦輪之前，氣流溫度再次升高。高壓空氣進(jìn)入空氣循環(huán)機(jī)中的渦輪膨脹后，氣流壓力接近座艙壓力，同時(shí)溫度降低。

同時(shí)，另一路少量熱空氣從初級(jí)換熱器出口旁路至渦輪出口，與經(jīng)過(guò)空氣循環(huán)機(jī)調(diào)節(jié)的冷空氣在渦輪出口混合，混合后的氣流進(jìn)入冷凝器的冷邊，作為高壓除水的冷源。通過(guò)熱空氣旁路上的TCV開(kāi)度可調(diào)節(jié)空調(diào)組件的出口溫度。

空氣循環(huán)機(jī)中，渦輪、壓氣機(jī)和風(fēng)扇同軸，高壓空氣在渦輪中膨脹，帶動(dòng)渦輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)，渦輪通過(guò)空氣軸承帶動(dòng)壓氣機(jī)和風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)。

所有壓力傳感器、溫度傳感器以及TCV由綜合空氣管理控制器（IASC）進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，其原理圖見(jiàn)圖2。

2 試驗(yàn)臺(tái)架

該空調(diào)組件性能試驗(yàn)臺(tái)架主要包括熱動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)和組件安裝臺(tái)架。其中熱動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于采集所有傳感器數(shù)據(jù)，安全防護(hù)系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)過(guò)熱和ACM超速，供氣系統(tǒng)用于給空調(diào)組件冷、熱邊提供氣源，控制系統(tǒng)用于將空調(diào)組件調(diào)節(jié)至測(cè)試狀態(tài)。試驗(yàn)臺(tái)架原理圖見(jiàn)圖3。

2.1 組件安裝臺(tái)架

由于飛機(jī)飛行在高空，沖壓空氣進(jìn)、排氣均為對(duì)應(yīng)高度的大氣壓。另外，座艙壓力在高空中，也小于1個(gè)大氣壓?；谝陨蟽牲c(diǎn)，整個(gè)組件安裝臺(tái)架必須安裝在高度艙中。高度艙內(nèi)的壓力應(yīng)能通過(guò)設(shè)定的飛行高度，控制到對(duì)應(yīng)高度的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。飛行高度可以0ft～40000ft之間自由選擇。

2.2 加裝設(shè)備

為使空調(diào)組件的運(yùn)行狀態(tài)與真實(shí)飛機(jī)上的一致，需要加裝以下設(shè)備：

1）沖壓空氣進(jìn)口導(dǎo)管、沖壓空氣出口導(dǎo)管、沖壓空氣排氣口——保證沖壓空氣側(cè)的流阻與真實(shí)飛機(jī)一致；

2）噴水管、水噴射器——保證PHX、MHX換熱效率與真實(shí)飛機(jī)一致；

3）調(diào)節(jié)閥——調(diào)節(jié)空調(diào)組件出口壓力至其與真實(shí)飛機(jī)一致。

2.3 測(cè)量設(shè)備及相關(guān)

除空調(diào)組件自帶的CDTS（T2）、PTS（T4），在空間允許的情況下，還應(yīng)加裝其它傳感器監(jiān)測(cè)空調(diào)組件的狀態(tài)。根據(jù)該空調(diào)組件的布局，在回?zé)崞鳠徇呥M(jìn)口和冷端出口分別加裝一個(gè)溫度傳感器（T3，T5）。為了監(jiān)測(cè)供氣參數(shù)和冷凝器出口參數(shù)，在冷、熱供氣管路和冷凝器出口管路上也分別加裝了溫度、壓力、濕度和流量傳感器（Q1，T1，P1，d1，Q8，T8，P8，T6）。為了監(jiān)測(cè)艙內(nèi)壓力是否與設(shè)定高度的外界大氣一致，加裝了壓力傳感器（P0）。

由于冷凝器出口處可能有游離水或游離冰存在，為測(cè)量冷凝器出口流量，計(jì)算泄漏量和除濕效率，在冷凝器下游加裝了加熱器和流量、溫度、溫度傳感器（d7，Q7，T7），使游離水或游離冰蒸發(fā)成氣態(tài)。加熱器僅在冷凝器出口溫度小于30℃時(shí)工作。傳感器具體加裝位置見(jiàn)上圖3所示。

2.4 熱動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)控制器

熱動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)控制器應(yīng)具備以下功能：

1）應(yīng)能為T(mén)CV、PTS、CDTS提供28V的直流電；

2）應(yīng)能調(diào)節(jié)TCV至全開(kāi)或全關(guān)的狀態(tài)；

3）TCV處于打開(kāi)狀態(tài)（非全開(kāi)）時(shí)，應(yīng)能根據(jù)冷凝器出口溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)TCV開(kāi)度；

4）應(yīng)能為所有加裝傳感器提供電源；

5）應(yīng)能記錄所有傳感器的測(cè)量值；

6）應(yīng)能控制加裝的調(diào)節(jié)閥，使得冷凝器冷邊出口壓力保持至設(shè)定值；

7）應(yīng)對(duì)加裝的加熱器具有以下控制功能：

①當(dāng)冷凝器出口溫度大于等于30℃時(shí)，加熱器不工作；

②當(dāng)冷凝器出口溫度小于30℃時(shí)，加熱器工作，將冷凝器出口處的游離水或游離冰加熱至完全蒸發(fā)。

8）應(yīng)具有過(guò)熱/超壓保護(hù)功能。即能監(jiān)控PHX熱邊進(jìn)口壓力、ACM轉(zhuǎn)速（N）、壓氣機(jī)出口溫度（CDTS）、水分離器出口溫度（PTS），當(dāng)測(cè)量值超出閾值3s時(shí)，可立即自動(dòng)切斷熱邊供氣。

2.5 供氣系統(tǒng)

空調(diào)組件用氣來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)或APU（輔助動(dòng)力裝置）引氣，其溫度最高可達(dá)260℃，壓力可達(dá)4bar，這就要求試驗(yàn)室具備可提供高溫高壓氣體的能力。另外為考查空調(diào)組件的除濕能力，熱邊供氣還必須具備加濕功能。

飛機(jī)飛行在空中，最高飛行高度可達(dá)40000ft，沖壓空氣的壓力遠(yuǎn)小于地面大氣壓，因此要求試驗(yàn)室具備可提供低真空度氣源的能力。

3 試驗(yàn)工況

為考查空調(diào)組件性能，選取如表2所示的5個(gè)嚴(yán)酷的工況點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 測(cè)試參數(shù)

記錄如圖3所標(biāo)出的所有壓力、溫度、濕度、ACM轉(zhuǎn)速以及空調(diào)組件冷熱邊流量傳感器讀數(shù)，作為判斷空調(diào)組件性能的依據(jù)。

5 合格判據(jù)

對(duì)照技術(shù)指標(biāo)，查看表4所列參數(shù)是否符合技術(shù)要求。

6 總結(jié)

本文對(duì)某民用飛機(jī)空調(diào)組件的性能試驗(yàn)進(jìn)行了規(guī)劃，對(duì)其是否滿足制冷、除濕以及泄漏量要求等方面進(jìn)行了試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。給出了一種評(píng)估空調(diào)組件性能的方法，對(duì)后續(xù)空調(diào)組件的研制提供參考。

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[責(zé)任編輯：王楠]