第六章飞机空调系统案例

第六章飞机空调系统现代科技广泛采用密封增压舱，这些增压密封舱包括驾驶舱、客舱、设备舱以及货舱部分。飞机座舱空气调节系统是为这些区域创造良好的座舱环境，这是现代大、中型客机高空、高速飞行是保障旅客舒适性的必备条件，该系统的工作性能对于飞机的性能及其上座率有着重要的影响。第一节概述一、大气环境条件及其对人体生理的影响(一)大气温度和压力随高变化的规律地球的外表面被大气层所包围，大气层总厚度约为3000km，但分布不均匀。将大气分为五层，从地球表面向上分别是：对流层、平流层、中间层、电离层和散逸层。民用飞机基本上是在对流层飞行，最高升限接近平流层的下部。Atmosphericlevels对流层中间层平流层Ionosphere（电离层）热层对流层顶平流层顶中间层顶exosphere散逸层（外层）不同航空器的运行高度1、大气温度与高度的关系由于太阳辐射使地表面温度升高，地表受热后，通过传导和红外辐射向其附近空气散发热量，而其中的红外辐射大部分被大气层部的二氧化碳和水蒸汽所吸收。对流层的主要特征是：空气发生强烈的水平和垂直运动。高度每增加1km，气温平均下降6.5°C，即气温随高度的平均递减率为-6.5°C/km；另外，因为温度下降，空气的饱和含湿量下降。温度随高度的变化15°C-56°C11Z(km)t(°C)0-0,65°/100m202、大气成分及大气压力与高度的关系大气是多种气体和水蒸气的混合物。从海平面到90km之间，大气成分极为稳定，称为均匀大气层。在90km以上，大气的相对成分开始随高度和时间而变化，称为非均匀大气层。干洁大气的主要成分气体容积含量（%）分子量临界温度(℃)氮气78.08428.0134-147.2氧气20.94631.9988-118.9氩0.93439.948-122.0二氧化碳0.03844.0099531.0臭氧0～7×10-847.9982-5.0大气压力的单位为帕(Pa)或千帕(KPa)。在空调系统中，空气的压力是用仪表测出的，但仪表指示的压力不是空气压力的绝对值，而是与环境大气压力的差值，称为工作压力(或表压)，工作压力与绝对压力的关系为：绝对压力=环境压力+工作压力(二)湿空气的状态参数和标准大气1、湿度的概念及湿空气的状态参数湿度时表示空气中水蒸气含量多少的尺度。表征空气湿度的状态参数通常有以下四种：水蒸汽分压力、绝对湿度、相对湿度及含湿量。所谓水蒸汽分压力是指水蒸气在空气中所占的分压力，符号为pq，单位为Pa。由于空气是由干空气和水蒸气组成的，那么它也符合道尔顿定律，大气压力等于水蒸汽分压力和干空气分压力之和，即p=pq+pg从气体分子运动观点来看，气体分子愈多，即撞击容器壁的机会愈多，表现出来的压力也愈高。因此，水蒸汽分压力的大小反映了空气中水蒸气含量的多少。绝对湿度是用单位体积湿空气中所含的水蒸气的质量表示，符号为E，单位为g/m3或kg/m3。饱和空气的含湿量称为饱和含湿量。空气的饱和含湿量随着温度的下降而减少。2、标准大气标准大气是由权威性机构颁布的一种“模式大气”，它根据实测资料，用简化方式近似地表示大气温度、压力和密度等参数的平均垂直分布。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。通用的国际标准大气的主要内容包括：(1)大气是静止的，空气是干燥洁净的理想气体。(2)海平面大气物理属性的主要常数：温度空气密度空气压力音速标准重力加速度干空气的气体常数30/225.1mkg)760(325.1010mmHgPapsma/294.340020/80665.9smgkgKJR/05278.287)15.288(1500KTCt(3)大气温度、压力、密度随高度的计算式为：在对流层（0〈H〈11km）在平流层（11km〈H〈20km）HTTH0RHHpp/10)4430/1(RHH/10)4430/1(CtH5.56KTH65.21663401100011.22613HHep6340110003636.0HHe(三)大气参数变化对人体生理的影响1、低气压对人体的影响高空大气压力降低对人体主要有两方面的影响：一是由于大气中氧气分压力降低所引起的高空缺氧；另一方面是低气压本身对人体产生的物理影响。(1)高空缺氧由于缺氧是由于高空吸入分压降低所引起的，故亦称为“高空缺氧”。人体在不同高度上缺氧反应的症状表现比较复杂，起决定意义的因素是上升的高度。按功效与安全的系统要求，根据不同程度急性缺氧对人体的影响，确定了六种生理界限值：①最佳值—对人体无任何缺氧效应的生理界限值。②夜航安全值—夜间飞行是保证视觉功能正常的生理界限值，高度1.5km。③功效保证值—白天飞行时保证飞行人员不因缺氧而降低的生理界限值，高度2.5km。④功效允许值—允许有轻度缺氧反应，但对功效无明显影响的生理界限值，高度4km。⑤缺氧耐限值—缺氧反应明显，达到难以耐受的启示生理界限值，高度5km。⑥缺氧极限值—引起意识障碍的生理界限值，高度7.5km。(2)低压的危害低气压的危害程度取决于低压程度与减压速度。(3)压力变化过速和爆炸减压的危害所谓爆炸减压是飞机的增压座舱在高空突然失去气密的一种事故。原因可能是在飞行期间，由于增压座舱及连接件强度不够，使座舱顶盖、门、窗等结构突然遭到破坏；也可能是由于外来的因素。爆炸减压的现象是飞机在瞬时失去气密而爆发巨响，舱内压力迅速释放，由于压差过大，有时会出现气浪冲击，降人掀起甚至抛出机外。2、大气温度和湿度变化对人体的影响(1)温度变化对人体的影响物体的散热有对流、传导和辐射三种形式。(2)湿度变化对人体的影响低湿度对人的工作效能没有有害的影响，或者至少低湿度的任何影响不是立即就能显示出来，有关症状的发生随时间的增加而增加，所以在旅客机的飞行时间里一般都没有考虑增湿的问题。(3)其它环境参数对人体的影响大气中的臭氧、宇宙射线、环境噪音、空气清洁度对人体也有不同程度的影响。二、飞机座舱空调系统的任务和气密座舱(一)座舱空调系统的任务1、座舱空调系统的基本任务在各种不同的飞行状态和外界条件下，使飞机的驾驶舱、旅客舱、设备舱及货舱具有良好的环境参数，以保证飞行人员和乘客的正常工作条件和生活环境、设备的正常工作及货物的安全。飞机座舱空气参数座舱空气的温度、压力和压力变化率，空气的湿度、清洁度、噪音、舱壁内表面温度空气的循环流动特性和气流速度等。客舱空调具有以下特点：①重量限制：轻；②体积限制：小；③供气量要求：大；④湿度要求：相对湿度低；⑤限制流量较大的气流输入座舱内；⑥对座舱进行增压；2、创造空中座舱环境的技术措施(1)供氧装置为提高氧的浓度，以补偿氧分压随高度增加而引起的下降，通常从4km左右高度开始供氧。(2)气密座舱（又称增压舱）它是将飞机座舱密封，然后给它供气增压，使舱内压力大于外界大气压力，并对座舱空气参数进行调节，以满足人体生理和工作的需要。3、气密座舱的类型和基本要求(1)气密座舱的类型气密座舱的基本结构形式有两种：一种是再生式，另一种是大气通风式。①再生式气密座舱又称自主式气密座舱。它利用安装在飞机上的氧气瓶和冷气瓶作为增压气源，瓶内气体经过调节装置后输入密封舱，用以补充泄漏的空气和消耗的氧气，使用过的空气经再生处理后重新进入座舱。②大气通风式气密座舱就是通过密封系统将座舱与大气隔绝开来，再由飞机发动机压气机的引气系统或其它增压装置将高空稀薄的空气压缩后输入舱内，向座舱供气增压，使座舱内形成较外界高空环境大气压力高的舱内气体压力环境。飞行高度超过10万米，抵达热层X15A(2)对气密座舱的基本要求对旅客机气密座舱有以下三方面的要求：①座舱内空气参数应符合人体生理卫生标准和一定舒适程度。②座舱具有一定的强度及空调系统工作安全可靠。③座舱应具有一定的气密性。4、气密座舱的环境参数及其要求气密舱的主要环境参数是座舱空气的温度、压力、压力变化率以及座舱余压，还有空气湿度和清洁度等。(1)对座舱温度的要求最舒适的座舱温度为：20～22°C，正常保持在15～26°C的舒适区范围内。(2)座舱压力的要求①座舱空气压力pc②座舱高度Hc③座舱余压△pc④座舱空气的压力变化率dpc/dt(二)对座舱气密性的要求与检查1、对座舱气密性的要求座舱的允许泄漏量是按照下列要求确定的：①在正常飞行条件下，经过经过不严密处从座舱流出的空气量不应超过增压源的最小可用供气量，这是保持座舱余压所必须的。②在应急情况下，停止向座舱供气时，应能保证飞机以允许的垂直速度下降到某一安全高度。③座舱最大漏气量加上必要的通风排气量，应不超过部分增压源失效后的供气量。2、座舱气密性的检查（1）漏气补偿法认为舱内空气的温度保持不变。由座舱各漏气处漏出的空气量等于向座舱供入的空气量。（2）座舱压力降法压力降法又称压差检验法。在规定的时间内测定压力降低值；或者是座舱压力降低至规定的压力值时，测定相应的时间。在所研究的时间内座舱的空气温度可视为不变。漏气补偿法比较适应于座舱容积小而漏气量较大的座舱，而压力降法则适应于座舱容积大而漏气量较小的情况，目前，对于大、中型旅客机，普遍采用的是压力降法。现代飞机座舱空气调节系统的主要特点及发展趋势现代飞机座舱空气调节系统具有如下几个方面的特点：1、采用多重控制，调节的准确性和稳定性高2、减少引气量和降低燃油代偿损失，工作效率高3、改善可靠性和维护性，提高部件的组合功能（1）针对可靠性最薄弱的环节进行改进（2）提高部件的组合功能4、大量采用先进的电子技术，使系统的控制、自检和显示技术日臻完善。第二节气源系统一、座舱通气换气条件及要求（一）通气换气量旅客机常用座舱的换气次数K来表示座舱的通气换气水平，它是座舱通气量L与座舱容积Vc之比，即K=L/Vc。在正常情况下，每人每分钟大约需要0.7~0.9kg的新鲜空气，每人所需要的合适的座舱容积大约为1~1.8M3，座舱每小时的通风换气次数不能少于25~30次。（二）空气流速一般来说，客舱内的空气流速小于0.1m/s时，不会引起乘客的感觉，当客舱内的空气流动速度大于0.33m/s时，就会使乘客有穿堂风的感觉，一般客舱内的空气流速为0.2m/s，但作为上方的单独通风喷口处除外。二、气源系统的基本构形（一）大气通风式座舱座舱增压气源的基本形式1、发动机压气机B-737-300型在起飞、爬升和大部分的巡航状态从第5级引气，当第5级不能满足要求时，则用第9级引气。2、专用座舱增压器子爵号VC-10（二）现代喷气式客机增压空气的来源及用途增压空气的主要用途可以归纳为四个方面飞机座舱的空调与增压飞机机翼前缘及发动机进气道前缘的热气防冰发动机启动用电源饮用水、燃油及液压油箱等系统的增压。（三）现代喷气客机系统的基本结构1、气源系统的布局B-737飞机起源系统的布局，为两台涡轮风扇发动机的飞机的引气系统，它可以作为现代大多数民用飞机气源系统的典型代表，实际是对于三台或四台放大机的飞机也是大同小异。对于起源系统的结构，一般来说，每台发电机引气分别形成两套独立的子系统，中间由隔离活门隔断，并可在需要时连通。2、典型飞机的气源系统（1）BAe-146飞机的气源系统（2）B-737-300飞机的气源系统三、气源系统的调节与控制（一）引气系统的压力调节一般来说，引气系统近常用的压力调节装置是通过控制机构改变供气管路中活门的开度来保证引气的压力为一定值，或使得冷却涡轮前后的压力比基本保持为常数。现代飞机所采用的引气压力调节装置多为电控气动式，而且经常与引气开关装置合为一体，构成引气压力调节与关断活门。（二）引气系统的温度调节为了保证空调系统良好的工作，许多现代客机上都采用了引气温度控制装置，即利用预冷器来降低发动机的引气温度。引气预冷器的冷源为发动机风扇引气或冲压空气。现代飞机所采用的引气温度控制系统是由预冷器和预冷器控制活门两大部分组成，预冷器一般为叉流式热交换器，冷却流体为发动机风扇级引出的空气，其热路为发动机引气。（三）引气活门的控制活门为了确保引气系统的正常工