飞机空调研究

飞机空调系统研究王彬1120310102，杨剑雄1120290058（浙江科技学院车辆工程121310013）摘要：通过对飞机空调系统的了解，阐述飞机空调的必要性以及工作原理。关键词：飞机空调系统AirconditioningsystemresearchaircraftWangBin1120310102，YangJianxiong1120290058(ZhejiangUniversityofScienceandTechnology)Abstract:Basedontheaircraftairconditioningsystem,expoundsthenecessityofaircraftairconditioningandworkingprinciple.Keywords:Airconditioningsystem1.飞机空调系统的必要性随着飞行高度的增加，大气压力下降，在大气中氧分压和肺泡空气中的氧分压也会相应降低，血液中的氧气饱和度减少，机体组织细胞得不到正常的氧气供应，人身体出现各种不适情况：头痛、反映迟钝、听觉不灵、视力衰退、情绪不安、嘴唇指甲发紫等。随着气压降低，人体会出现高空胃肠气胀和高空减压症（当高度增加到19.2km时，大气压力降到47mmHg，此压力下水的沸点为37℃，即人体体温；在此压力下，人体体液沸腾，导致组织肿胀，人体损伤，此现象航空医学称之为高空减压症）人体对压力增加更为敏感，所以飞机下降时耳疼严重。压力变化率太大，会产生耳鸣、晕眩、恶心。2.飞机空调系统的工作原理空调系统中有组件流量控制、组件制冷系统、区域温度控制、再循环系统及空气分配管路几个基本部分。它们的主要作用为：通过控制空气流量来控制机舱压力及换气、控制驾驶舱及客舱温度、客舱空气再循环流通。2.1组件流量控制组件流量控制用于控制进入飞机的新鲜空气量流。所需的空气流量是由机组及乘客的数量和泄露的空气流量决定的，并且要大于飞机增压所需的空气流量。通常，左右两部组件流量控制系统给飞机提供同样的空气流量，流量的大小随飞机的飞行状态的改变而改变。2.2组件冷却系统组件冷却系统主要由左右两部分组成，它的主要作用是调节新鲜空气的温度，并去除空气中的水分。左组件一般单独为驾驶舱提供冷却后的空气，以保证驾驶舱的温度，而右组件主要为客舱服务。2.3区域温度控制区域温度控制将飞机内部的温度分成驾驶舱和客舱两个区域分别控制。当需要改变舱内温度时，温度调节器就会发送信号到混合活门，以改变混合空气的比例，从而改变进入机舱的空气温度。2.4再循环系统为了减少气源系统的负载，减少燃油消耗，提高飞机的经济性，再循环系统将机舱内50%的空气过滤后再次利用。这个系统主要由再循环风扇和空气滤两个部分组成。分配管路的主要作用为将调节过得空气送到飞机的两个舱区，对客舱内的空气再循环，为厨房和厕所通风和设备冷却。而分配管路由主分配管路，驾驶舱分配管路，客舱分配管路，再循环系统，通风系统和设备冷却系统组成。2.5分配管路1）主分配管路主分配管路位于前货仓的后壁板内。它将来自两个空调组件的调节空气通过客舱壁板内的提升管路和头顶分配管路送到客舱。头顶分配管路位于客舱天花板内。地面空调接头是用来当飞机停放在地面时由外部空调源为飞机空调系统供气。在主分配管路舱内还装有混合室，混合室的主要作用是将热空气同来自空调组件的冷空气混合后再送到分配管路。需要注意的是混合室是用V型卡箍安装的，作用两个混合室是不能够互换的。2）驾驶舱分配管路驾驶舱分配管路的调节空气来自左组件，调节空气使用沿机身安装的管路，并且与客舱的管路不同。由于采用单独的分配管路，驾驶员就可以单独控制驾驶舱的温度。当左组件不工作时，驾驶舱分配管路也可以由右组件供气。3）客舱分配管路客舱分配管路主要作用是将来自主分配管路的调节空气均匀的分配到客舱。首先，来自主分配管路的调节空气进入安装在机体两侧侧壁板内的提升管路，由提升管路送到天花板内的头顶分配管路。头顶分配管路有间隔的分布在客舱顶板的中央。此后，空调供气进入分布在天花板和侧壁板上的扩散器和喷嘴。同时，前后厨房和厕所的流通空气也由头顶分配管路输送。最后，调节空气在客舱内流通后通过地板上的格栅进入再循环系统或排出机外。4）空气再循环系统在没有地面空调源时，空调系统的气源来自气源系统（关于气源系统我们将在36章详细介绍），为了减少引气量，降低发动机负载，空气再循环系统将客舱中大约50%的空气经过过滤后再送回到主分配管路。空气再循环系统位于前货仓后壁板的主分配管路舱内。再循环系统中主要由收集管路，气滤，再循环风扇，单向活门等组成。再循环风扇将客舱内的空气抽出，通过高效微粒空气滤以过滤掉空气中的灰尘等杂质。单向活门用于防止主分配管路的空气倒流入再循环系统。5）设备冷却系统设备冷却系统使用机舱内的空气为驾驶舱和电子舱的电子设备降温。它由供气和排气两个系统组成，每个系统中都有主用和备用两个风扇。设备冷却系统的空气流量由低流量传感器探测，当供气或排气系统中的空气流量低或完全停止时，传感器将警告信号发送到驾驶舱，提醒机组注意。机外排气活门有两个作用：正常时控制设备冷却空气的排气量，排烟模式中的作用我们将在后面的章节介绍。6）压力控制压力控制系统用于保持机内的客舱高度，使机组和乘客处于安全舒适的气压环境中。它主要包括压力控制，压力释放和压力指示警告三个子系统。压力控制系统子系统通过调节外流活门的开度控制排出机外的空气量，从而控制舱内压力的大小。外流活门开度越大，流出的空气量越大，客舱高度越高，机内空气压力越低；外流活门开度减小则反之。这个子系统的主要部件有客舱压力控制组件，两部数字式客舱压力控制器（简称CPC），外流活门。机组可以通过控制面板使客舱压力控制系统工作在自动，备用自动和人工三种方式。在自动和备用自动方式时，两部CPC都处于激活状态，但只有一部CPC工作负责控制外流活门，另一部备份。当工作的CPC故障时，系统自动转为另一部CPC工作。在人工方式时，外流活门的开度由机组人工控制，机组通过客舱压力控制面板监视和控制客舱高度。在飞机后下部外流活门的两侧安装有两个正释压活门。当外流活门失效关闭，客舱客舱余压达到8.95+/-0.15psi时，正释压活门打开，将客舱内的空气排到机外，降低客舱余压，保护飞机结构安全。当客舱压力回复正常时，正释压活门关闭。整释压活门为机械装置，自动工作，并且与增压系统无任何交联，不需要机组操作。在前面我们已经介绍过，飞机在特殊情况下可能会出现余压为负的情况，而这将会对飞机结构造成损伤，所以在机身下部安装了负释压活门。当客舱余压低于-1.0psi时，活门打开，调节内外压力。与正释压活门相同，负释压活门同样为机械装置，自动工作，并且与增压系统无任何交联，不需要机组操作。在前后两个货仓中都装有货仓气压保险板。当座舱发生爆炸减压时，保险板两侧的压差将保险板推出框架，机体上下两部分压差迅速平衡，避免损伤机体结构。在前后货仓中还装有压力平衡活门。该部件有两个活门组成，当客舱增压时，空气由其中一个流向货仓，而当客舱减压时，空气由另一个活门流出，这样就可以使货仓内的压力与客舱保持一致。最后我们来介绍一下客舱压力警告装置，当客舱高度高于10,000英尺时触发警报，驾驶舱内会有警告喇叭响。机组可以通过按压“ALTHORNCUTOUT”按钮关闭警告，当客场高度到达下一个警报高度时，喇叭会再次响起。7）加温系统加温系统提供热空气到舱门区域及货仓中，以防止结冰并提高舒适度。它分为三个部分:前货仓加温，后货仓加温及门区加温。为前货仓加温的热空气来自设备冷却系统排出的空气。加温气流首先沿着前货仓地板及侧壁板流动，之后进入分配总管内与客舱内循环空气混合。而后货仓的加温空气来自客舱。客舱内的循环空气经过侧壁板下的格栅进入货仓的地板和侧壁板内，随后经由外流活门排出机外。加温空气在货仓壁板内还能起到绝热的作用，避免货仓内的热量经由蒙皮向机外传导。加温系统中的门区加温是为了提高门区温度，避免区域低温。客舱内的两个进口门加温采用空调的热空气，其加温管路通过柔性软管与空调系统的供气管路连接。其中左前登机门的加热空气来自驾驶舱空调分配管路。离翼紧急逃离门的加温采用电加温的方式，即在每个逃离门的内衬板，装饰板等位置安装电热毯。8）制冷系统制冷系统作为整个空调系统中的重要组成部分，它的主要功能包括：控制空调组件（以下简称组件）的引气量；降低空气温度；控制组件出口空气的温度和湿度。制冷系统的组成包括：空调/引气控制面板，流量控制关断活门，两级交换器，空气循环机，冲压空气系统，低温限制系统和水分离系统。下面我们将逐一介绍各个组成部分。空调/引气控制面板用来指示和控制冷却系统。来自气源系统的引气首先经过流量控制关断活门，由活门控制到达组件的引气流量。该活门为电控气动活门，当组件选择电门位于OFF位时，由弹簧力保持在关位。当电门置于AUTO或HIGH位置时，增压空气进入作动器，克服弹簧力，打开活门，引气经过流量控制后就到达主级热交换器。冲压空气系统用于控制流过主级和次级热交换器的冲压空气气流。冲压空气系统有三种工作模式：地面，飞行（襟翼未收上），飞行（襟翼收上）。在当飞处于地面模式时，冲压空气进口门全开，使冲压空气进气量达到最大，进口折流门处于全伸出位，以阻挡冰雪等外来物进入内部管道。当飞机在地面停放时并没有迎面气流形成冲压空气，所以此时的气流完全由空气循环机中的涡轮带动风扇形成的。当工作在襟翼未收上为时，进口门及折流门都处于打开为。当襟翼完全收上时，进口门的开度受冲压空气控制器控制。冲压空气控制器收集来自ACM压气机出口的温度，当温度过高时则增加进口门开度，增大冲压空气进气量；温度过低时则关小进口门。如果在飞行过程中对应的空调组件关闭，则冲压空气进口门也将关闭，以减小阻力。主级热交换器将来自引气系统空气与来自机外的冲压空气进行第一次热交换后送到空气循环机（以下简称ACM）。737NG系列飞机采用三轮空气轴承式空气循环机。其中三轮是指压气机，涡轮和叶轮风扇。ACM的作用是降低空气温度，后面我们将参照图例介绍他的工作原理。由于ACM内部的三轮式设计为高速旋转部件，所以采用了空气轴承的方式，以降低摩擦力。需要注意的是不能反向转动ACM内部的轮轴，这样会损坏口气轴承。次级热交换的功能与主级热交换器的功能类似，将从ACM压气机出口的增压空气与冲压空气进行热交换，有冲压空气带走热量，降低增压空气的温度。低温限制系统用于监控进入水分离器的空气温度不低于35℉，以避免进入水分离器的水分结冰。它主要包括温度探测器，控制器和活门三个部分。探测器探测水分离器内部温度，当温度低于34℉时，发送信号到控制器，控制器打开活门，当温度高于36℉时，则关闭活门，在34℉到36℉之间时，控制器不发送信号到活门。参考文献：[1]曹建华，白冰如．飞机构造[M].国防工业出版社,2013,3.