空调系统--飞机结构与系统

空调系统张宏伟环境控制系统概述大气物理特性大气的压力和温度随高度变化而变化的规律标准大气压力随高度变化的规律(红线）标准大气温度随高度变化的规律(绿线)HP/T标准大气国际航空界根据对北纬40—50区域的地球大气多年观测的结果，加以模型化，给出的一种假想的大气模型。国际性组织颁布的称为国际标准大气，国家颁布的称为国家标准大气。标准大气是作为校准飞机航行仪表和比较飞机性能的依据。我国于1980年由国家标准总局发表了《中华人民共和国国家标准大气（30km以下部分）》（GB1920-1980）。规定起点H=0处为海平面，其对应的标准大气参数为：空气温度t0=15℃（288.15K）=59℉空气压强p0=101325牛／米2=29.92英寸汞柱=1013毫巴空气密度0=1.2250千克／米3=0.002377磅﹒秒2/英寸4音速a0=340.294米／秒=661.5kts重力加速度g0=9.807米/秒2=32.17英尺/秒2高度温度压力密度H(m)T(K)t(℃)P(kPa)P(mmHg)δ（p/p0）(kg/m3)（/0）-1000294.6521.50113.93854.551.12441.34701.0996-500291.4018.25107.47806.151.06071.28491.04890288.1515.00101.325760.001.00001.22501.00001000281.658.5089.876674.120.88701.11170.90752000275.152.0079.501596.300.78461.00660.82173000268.66-4.4970.121525.950.69200.90930.74234000262.17-10.9861.660462.490.60850.81940.66895000255.28-17.4754.048405.390.53340.73640.60126000249.19-23.9647.217354.160.46600.66010.53897000242.70-30.4541.105308.310.40570.59000.48178000236.22-36.9335.651267.400.35190.52580.42929000229.73-43.4230.800231.020.30400.46710.381310000223.25-49.9026.499198.760.26150.41350.337611000216.77-56.3822.699170.260.22400.36480.297812000216.65-56.5019.399145.500.19150.31190.254613000216.65-56.5016.579124.350.16360.26660.217614000216.65-56.5014.170106.280.14000.22790.186015000216.65-56.5012.11190.850.11950.19480.1590高空环境对人体生理影响高空缺氧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、嘴唇指甲发紫等高度范围（km）033557＞7影响程度无症状区代偿区障碍区危险区高空环境对人体生理影响低压的危害随着气压降低，人体会出现高空减压症高空胃肠气胀高空栓塞皮肤组织气肿压力变化率和爆炸减压的危害压力变化率太大，会产生耳鸣、晕眩、恶心人体对压力增加更为敏感，所以飞机下降时耳疼严重爆炸减压，座舱在高空突然失密的情况下，压力变化率极大，对人体产生极大危害发生爆炸减压事故后的安全措施迅速将飞机下降到4,000m左右的安全高度尽快使用氧气设备温度和湿度的影响环境温度和湿度对人体的温度和水分的平衡影响很大人体适宜温度为15-26℃（最佳20-22℃）湿度对人体影响主要是干燥，需供应饮料其他影响因素臭氧/噪声/空气清洁度/密封舱通风克服高空环境的措施供氧装置气密座舱（又称增压座舱）三、气密座舱的环境参数温度15~26℃温度场均匀压力座舱高度8,000ft（超过10,000ft有警告）余压控制是保证飞机飞行时结构安全，不同飞机余压规定值不同，与飞机最大使用高度有关压力变化率爬升率≯500ft/min下降率≯350ft/min通风量每小时换气次数不低于25－30次（约每2分钟一次）空气流速0.2m/s现代喷气客机空调系统基本组成和工作原理增压气源压力调节和关断活门流量控制活门温度控制活门制冷组件混合室座舱温度控制器人工控制电门温度选择器压力控制器座舱高度余高度变化率压6.2气源系统气源系统功用向座舱提供增压气源，并对供入的空气进行压力、流量及温度的控制，然后经空调组件调节其温度、压力等参数后供入座舱发动机或机翼前缘等的防冰加温水系统、液压系统增压等气源系统组成增压供气源发动机压气机引气增压器引气APU引气地面气源车供气参数控制压力/流量/温度现代喷气客机增压气源发动机压气机引气压力调节关断活门高压级引气活门引气调节器预冷器预冷调节器引气电门低压级引气高压级引气风扇高压压气机到用压系统高压引气控制器来自空调系统的关断信号来自发动机灭火电门信号发动机引气引气部位：喷气发动机的高压压气机低压级引气&高压级引气低压级引气不足时，可以用高压级引气进行补充，低压级有单向活门，防止反流减少发动机功率的损耗交输供气由交输活门控制，装在两套系统的中间管道上用途任何一台发动机引气可供任一路空调系统工作启动发动机缺点：污染气源并对发动机性能有影响（功率损失）发动机引气引气控制发动机压气机引气由压力调节和关断活门（简称“PRSOV”）控制。引气关断引气异常关断空调系统故障关断发动机火警关断人工关断APU引气APU引气可以用于地面空调、起动发动机另外在飞机起飞或复飞时，为了减少发动机功率的损耗，常常用APU引气代替发动机引气双引气警告灯APU引气活门打开时是不允许再打开主发动机引气活门用APU供气起动发动机时，双引气警告灯亮，这是正常情况其他类型的供压气源地面气源座舱增压器引气压力调节装置——压力调节和关断活门气源系统的调节与控制关闭线圈打开线圈保持簧片锁定电磁活门引气压力调节装置——压力调节和关断活门功用引气开关可保持出口压力一定工作出口压力45PSI过压关断180PSI反向关断-0.18PSI温度控制预冷器冷却引气（风扇）出口气温450℉超温关断490℉气源系统的调节与控制空气清洁器作用清除引气中的杂质，防止一级热交换器堵塞构造进气道周边百叶窗式叶片控制活门（利用襟翼位置电门来控制）工作情况—高空关闭、低空打开当襟翼放下到某一角度时，打开在地面主发供气时打开APU和地面气源供气时关闭控制活门脏空气清洁空气发动机引气外界大气流量控制活门组成（组件活门）文氏管调压器控制方法进口/喉部压差法喉部静压与总压比较法进口静压P1喉部静压P2总压P*气流进口/喉部压差法文氏管特性P2/P1≤0.528时，V2为音速，音速阻塞P2/P10.528时，为亚音速流动，流量随P2/P1的增加而减小原理（节流原理）调压器感受喉部压力和进口压差，控制活门开度，调节气体流量流量控制活门可以根据不同的情况控制流向下游的空气量Q00.5281P2/P1最大流量流量调节器活门作动机构节流活门引气流量调节原理－节流法空调下游系统喉部静压与总压比较法2221VPP*2221VPP*典型组件活门-喉部静压与总压比较法座舱压力传感器基准压力调节器上游压力传感器控制腔锥形阀真空膜盒6.3温度控制系统6.3.1空气循环式座舱温度控制基本原理温度控制器接受预定温度，管道预感器温度和管道供气极限温度及座舱实际温度进行比较，输出偏差电流，经变换放大后，驱动温度控制活门，改变冷热路流量比从而控制温度温度控制活门制冷组件混合室座舱温度控制器人工控制电门温度选择器压力控制器座舱高度余高度变化率压温度控制系统主要附件温度传感器热敏电阻传感器（负温度系数，热灵敏性较好）电阻丝温度传感器（正温度系数）热电偶温度传感器（电压与热端温度成正比）温度控制活门单活门式：活门只安装在热路上双活门式：马达同时驱动两个活门，两个活门运动方向相反电子式温度控制器（惠斯登电桥原理）温度电桥，利用预定温度和实际温度的偏差，自动调节温度控制活门开度，改变冷热路空气流量对比，控制座舱温度温升速率电桥，其作用是感受供入座舱空气的温度变化率，以控制温度控制活门的开启、关闭的速度，从而减小超调量，防止温度波动极限温度控制电桥：感受供入座舱的空气温度，与预定最高极限温度比较，当达到预定极限温度值时，输出信号使温控活门向全冷方向转动，以确保安全制冷组件蒸发循环制冷装置空气循环制冷装置蒸发循环制冷原理：利用制冷剂（冷媒）状态的变化完成热量的转移制冷剂：氟利昂R12制冷组件内平衡式热膨胀活门原理蒸发循环制冷系统维护注意自身安全维护时应戴上护目镜、手套，穿上防护服等。及时充灌氟利昂维护整个系统后，在加注氟利昂前应先将系统抽真空当系统的氟利昂液体指示器（装在冷凝器出口处）中出现气泡时，表明需要灌充氟利昂注意灌充方向应给压缩机补充滑油灌充结束时，若低压压力表（测量蒸发器出口的压力表）仍指示真空，则表明系统内部堵塞。保证蒸发器空气流量空气循环制冷原理空气循环制冷系统主要是采用由发动机带动的座舱增压器或者直接由发动机引出的高温高压空气经过热交换器初步冷却后再经过涡轮进行膨胀，对外作功，空气本身的温度和压力大大降低，由此获得具有要求的温度和压力的冷空气。优点重量轻、成本低、调节和控制方便、可靠性较高、检查和维护的工作量小、附件在飞机上的安排没有特殊要求。座舱通风、增压和冷却可由同一系统来完成。缺点性能系数、温度调节精度以及地面停机时系统工作的可靠性等方面不如蒸发循环制冷系统。如无其他附加措施时，使用的高度和速度受一定的限制。空气循环制冷基本元件热交换器按流体的流动方向不同，可分为顺流式、逆流式、叉流式和复合式。逆流式热交换器的冷却效果最好。热交换器清洗方法有清洗液清洗法、蒸汽清洗法、超生波清洗法空气循环制冷基本元件涡轮冷却器工作原理气流经过与机壳固定在一起的喷嘴环时，一部分压力能转换为气体的动能，即喷嘴环内的气体压力降低，速度增加。自喷嘴环出来的高速气流径向流入涡轮，冲击涡轮叶片，使涡轮高速旋转，将气体内能转换为机械能，同时气体剧烈膨胀，温度可降到接近0℃，甚至低于0℃。在轴的另一端固定着风扇（或压气机）作为负载，当涡轮转动时，风扇消耗涡轮功率，防止涡轮空载超速。负载的大小在一定程度上决定了涡轮的制冷功率和效率。涡轮轴承轴喷嘴环风扇气流风扇气流风扇气流空气循环制冷基本元件涡轮冷却器轴承轴承用薄的箔片材料制成，在工作时无需外部供压，依靠气体的粘性，旋转的轴将气体带入由轴和箔片之间形成的一个收敛楔。它将气体的动压头变成压力，形成有托起压力的气膜，支持轴的旋转。箔片推力轴承卸下的箔片箔片组合件背板弹簧组件轴颈轴承箔片壳体组装箔片卸下的箔片箔片空气循环制冷基本元件涡轮冷却器轴承的特点寿命长，工作可靠即使发生故障，对转子也不会产生破坏性的影响不需要润滑其负载能力随转速增大而提高高转速性能好，高低温工作范围大结构简单，维护方便空气循环制冷基本元件涡轮冷却器类型涡轮风扇式涡轮压气机式涡轮压气机风扇式（三轮式）空气循环制冷－简单式工作原理热空气先经过热交换器（初级/二级）降温，而后送入涡轮冷却器的涡轮膨胀作功，消耗增压空气内能，使温度近一步降