飞机座舱环境控制系统

第六章座舱环境控制系统6.1.座舱环境控制系统概述6.1.1.飞机座舱环境控制系统的的基本任务飞机座舱环境系统的基本任务，是使飞机的座舱和设备舱在各种飞行条件下具有良好的环境参数，以满足飞行人员、乘客和设备的正常工作条件和生活条件。座舱环境参数主要是指座舱空气的温度和压力、以及它们的变化速率，还包括空气的流量、流速、湿度、清洁度和噪声等。6.1.2.大气物理特性及其对人体生理的影响大气物理特性主要是指大气的压力和温度随高度的变化规律.二、大气压力对人体生理的影响大气压力随高度增加而降低，它给飞行带来的主要困难是缺氧和低压；此外，压力变化速率太大也会对人生理造成严重危害.高空减压症主要有如下三种形式:高空气胀皮肤组织气肿高空栓塞三、压力变化速度和爆炸减压的危害飞机急剧上升或下降时，由于大气压力在短时间内变化大,飞机座舱压力也相应变化迅速，引起人体肺腔，腹腔和耳腔等器官的疼痛。四.大气温度和湿度变化对人体的影响五.其它环境参数对人体的影响6.1.3.克服空中不利环境的技术措施由于在高空存在缺氧、低压、低温等不利情况，为保证在高空中人员的安全和舒适，须采取一定的技术措施。一．供氧装置:二．气密座舱（又称增压座舱）气密座舱的主要作用有①使座舱气压增高，以保证机上人员有足够的氧气分压，满足人体对氧气的生理需要。使机上人员不发生由于周围气压过低而导致高空减压症（即对座舱压力进行控制）。③使座舱便于加温或冷却，以保持最适当的温度（即对座舱温度进行控制）6.1.4.气密座舱的型式一．大气通风式气密座舱（适于20-25KM以下高度）二．再生式（自主式）气密座舱（适于25KM以上高度）6.1.5.气密座舱的环境参数座舱温度根据航空医学要求，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。座舱地板和内壁温度基本上应保持与舱内温度一致，内壁的温度应高于露点，使其不致蒙上水汽。座舱高度座舱压力也可以用座舱高度表示。座舱高度是指座舱内空气的绝对压力值所对应的标准气压高度。一般要求飞机在最大设计巡航高度上，能保持大约2,400米（8,000英尺）的座舱高度这样，在气密舱内可以不必使用氧气设备飞行。现代一些大中型飞机上，当座舱高度达到10,000英尺（相当于3,050米）时，通常设有座舱高度警告信号，向机组成员发出警告，表示座舱压力不能再低，此时必须采取措施增大座舱压力。座舱余压座舱内部空气的绝对压力与外部大气压力之差就是座舱空气的剩余压力，简称余正常况下，余压值为正，但在某些特殊情况下，也可能会出现负余压。飞机所能承受的最大余压值取决于座舱的结构强度。飞行中飞机所承受的余压值与飞行高度有关。座舱高度变化率单位时间内座舱高度的变化速率称为座舱高度变化率，它反映的是座舱内压力的变化速度。在爬升或下降过程中，由于其飞行高度的变化，以及座舱供气流量的突然变化，都可能导致座舱压力产生突变。座舱压力对时间的变化率称为座舱压力变化率。飞机升降速度较大，即外界压力变化速率较大时，舱内压力变化的幅度应当较小，并具有比较缓和的变化率。现代大中型民航客机通常限制座舱高度爬升率不超过500ft／min（英尺/分），座舱高度下降率不超过350ft／min（英尺/分）。6.2.气源系统气源系统的功用是提供具有一定的流量、压力和温度的增压空气，以保证座舱温度控制和增压控制。6.2.1.现代大中型民航客机气源系统飞机正常飞行时的气源是由发动机压气机引气提供的，一旦一台或两台发动机引气系统失效时，在一定飞行高度下可由APU供气，有的飞机在起飞阶段也使用APU引气进行空气调节，以减轻发动机在起飞过程中的负荷。双发发动机飞机一般有两个独立的引气系统，中间由隔离活门隔断，需要时两系统可以连通。APU引气通过引气关断活门和单向活门引气到气源总管。在隔离的一侧或两侧设有地面气源接头。现代喷气客机增压气源来自发动机压气机的引气经过调压关断活门（PRSOV），它主要有三个作用：限制活门下游压力限制下游温度提供引气关断功能。PRSOV通过调节活门的开度，控制下游的压力，下游最大压力一般控制在40-50PSI（磅/平方英寸）。PRSOV活门及控制器本身并不具有专门的限温装置，它的限温控制是通过减小PRSOV活门的开度来实现的。当预冷器下游（热路）温度过高时，PRSOV活门会逐渐关小。随着PRSOV活门的逐渐关小，通过此活门的流量也随之逐渐减小，使流经预冷器的热空气流量减小，而相对来讲，预冷器的冷却空气流量增大，使热空气在预冷器内得到更充分的冷却，因此可以阻止热空气温度的进一步升高，以达到限温的目的。当引气过热（或超压时）时，系统中的过热电门（或超压电门）可将过热信号传给PRSOV控制器，以实现在引气过热时自动关断。PRSOV也可以人工关断。预冷器系统的作用是限制引气温度，防止高温损伤引气管道附近的相邻部件。因此预冷器属于空气/空气式热交换器，它的冷却空气来自发动机风扇空气，热路空气是发动机压气机的中压级或高压级引气。预冷器控制活门传感器将预冷器下游的温度信号传给预冷器控制活门，预冷器控制活门将根据此传感器的信号调节活门的开度，通过调节冷却空气（发动机风扇空气）的流量来限制预冷器下游发动机引气的温度。6.2.2.其它形式的压力源机械驱动增压器活塞式发动机内的增压器为座舱增压提供了最简单的方法。通过增压器向气缸输送的压缩空气的总管中引出空气。这种装置只能在发动机汽化器是装在增压器下游时使用。如图6-7所示，发动机曲轴，通过齿轮带动增压器叶轮转动，从而提供引气。图6-8是另一种类型的增压器，它将发动机曲轴转动通过皮带轮传送到增压叶轮，而此叶轮可抽吸外界空气作为增压气源。废气驱动涡轮增压器单独的座舱压缩机主要用于燃气涡轮发动机6.3.座舱空气调节系统座舱空调系统的主要作用是：控制通往座舱空气的流量、调节温度、排除空气中过多的水分，最后将空调空气分配到座舱的各个出气口。座舱空调系统主要由冷却系统、冲压空气系统、温度控制系统、再循环系统和分配系统等几个子系统组成。6.3.1.流量控制流量控制活门用于控制通往空调组件的空气流量，它还可以起到组件关断的作用。6.3.2.空气循环冷却系统空气循环冷却系统的作用是使用冷却装置（涡轮冷却器和热交换器），使高温引气冷却，形成冷路空气。一．空气循环冷却系统的类型涡轮风扇式（或涡轮通风式）冷却系统涡轮风扇式冷却系统由热交换器、冷却涡轮和风扇组成涡轮压气机式（或升压式）冷却系统涡轮压气机式冷却系统由两级热交换器，压气机和涡轮组成的涡轮冷却器组成。热交换器和涡轮冷却器都是冷却装置。升压式冷却系统早期在英美飞机上，尤其在旅客机上获得较广的采用。因为：早期发动机压气机的密封装置不够完善，直接从发动机压气机引气不能解决污染问题。有时采用专用座舱增压器，其增压比小，故往往采用升压式冷却系统。现代喷气式飞机上用发动机压气机作为增压供气源的情况下，亦可采用升压式冷却系统。①在高空，发动机压气机出口压力较低，为保证座舱增压，升压式冷却系统可部分解决这个问题。②在高速飞行条件下，由于其涡轮膨胀比可比涡轮通风式冷却系统大。故其制冷能力亦大。③在相同制冷能力下，升压式冷却系统的供气压力或引气量可以较小，故对飞机性能代偿损失小，使发动机耗油小，经济性好。④升压式冷却系统的涡轮运转平稳，不像涡轮通风式冷却系统的涡轮转速变化大。涡轮寿命长。升压式系统的缺点:飞机在地面停机状态下或起飞滑跑时，由于两只热交换器缺乏冲压空气，而使系统制冷能力很小。而涡轮通风式冷却系统的冷却空气被冷却涡轮所驱动的风扇推动，故仍有良好的制冷能力。解决方法：采用专用的通风风扇，电机传动或空气涡轮驱动，当飞机在地面停机状态或起飞滑跑时，抽吸冷却空气。另外可采用发动机压气机直接引气的引射器，用以引射冷却空气。涡轮压气机风扇式（三轮式）冷却系统现代飞机大多采用空气循环冷却系统，升压式冷却系统的缺点是地面冷却能力差；而涡轮通风式冷却系统，地面虽有冷却能力，但其循环效率低。为了提高空气循环效率，出现了把升压式和涡轮通风式组合起来成为一个升压─涡轮通风式组合冷却系统。这种系统冷却装置的特点是：涡轮用以驱动一根轴上的冷却空气风扇和升压式压气机，所以该系统又名三轮式冷却系统。三轮式冷却系统，既吸收了升压式系统的优点：供气小，节省功率；又吸收了涡轮通风式系统的优点：地面有冷却能力。并且，由于升压式压气机吸收了涡轮功率的主要部分（85%左右），故也可防止冷却装置的超速。这是升压式系统和涡轮通风式系统的自然发展，它在现代民航客机上获得了广泛的应用。引气→流量控制活门→一级热交换器→压气机→二级热交换器→再加温器（热端）→冷凝器（热端）→除水器→再加温器（冷端）→涡轮→冷凝器（冷端）→冷路空气出口二．座舱湿度控制飞机在高空飞行时，外界大气湿度较低。但在地面或低空飞行时，外界大气湿度过高，会使座舱内滴水，产生雾汽，座舱风挡上产生水雾，导致系统结冰，还会使空气循环冷却系统的制冷能力降低。所以现代民航客机一般都装有去湿装置，以保证供给座舱和设备舱的空气不含有游离水分。一般在空气循环冷却系统中都利用水分离器（或称除水器）进行除水。水分离器的作用是分离、收集和除去空气中过多的水分。水分离器可装在涡轮冷却器冷却涡轮上游的高压段，也可装在涡轮下游的低压段。将水分离器装在涡轮上游的高压段的叫高压除水；装在涡轮下游的低压段的叫低压除水。低压除水在空调系统中，一般涡轮进口之前的压力称为高压，而涡轮出口之后的压力称为低压。这是因为在涡轮进口之前的气体是经过压缩机增压后的气体，而气体流过涡轮后膨胀作功，其压力和温度都降低。低压除水即在涡轮出口之后管路上安装水分离器进行除水。低压除水主要用于中小型飞机。高压除水高压除水的效率较高，因而多用于大型客机空调系统。由于高压除水使空气进入冷却涡轮之前已经进行了除水处理，流经涡轮的就是干燥的空气，因此可防止涡轮冷却器结冰。引气→流量控制活门→一级热交换器→压气机→二级热交换器→再加温器（热端）→冷凝器（热端）→除水器→再加温器（冷端）→涡轮→冷凝器（冷端）→冷路空气出口高压除水效率高，低压除水效率低。低压除水还有其它缺点:（1）流阻大，使涡轮出口反压高（2）低压水分离器的凝聚网易堵塞，要经常装拆维修保养；而高压除水可以消除这些缺点。高压除水机理与低压除水不一样，高压除水是在冷凝器中凝结出水分，它已变为较大的水滴，所以不需要凝聚网袋，并且易于从空气中分离出来，高压除水效率一般可达95～98。在同样的温度条件下，压力高的湿空气中所能含有的水蒸汽量就少，其余凝结出水分来，所以压力愈高，凝结出的水分愈多，分出的水分也愈多，从而使空气中所含的水蒸汽量大大减少，这样可使涡轮出口允许温度大大降低，在同样制冷能力下，引气量可以大大减少。三．冷却系统主要附件空气式热交换器按热交换器载热介质的性质不同，可分为空气/空气热交换器和空气/液体热交换器。空气/空气热交换器的冷却和被冷却的流体都是空气，空气/液体热交换器则采用水、燃油、氟立昂等液体做为热交换器的冷却介质。空气/空气式热交换器借助外界冷空气与发动机引来的增压空气之间的能量交换，将热空气的热量传给冷气流而实现降温。空气式热换器有三种形式：顺流式、逆流式和叉流式①顺流式热交换器顺流式热交换器的冷流与热流流动方向相同，这样冷、热流之间的温差越来越小，热交换能力也越来越小，所以效率不高。②逆流式热交换器逆流式热交换器的冷流与热流方向相反，则冷、热气流之间的温差可以一直保持比较大，因此流体间的热交换比较充分，其热交换效率比顺流式高,但结构上较复杂。③叉流式热交换器叉流式热交换器冷、热气流为正交，其热交换效率在顺流式与逆流式之间。如采用多程叉流式热交换器，其效率可以与逆流式接近。涡轮冷却器（空气循环机）涡轮冷却器的冷却原理是：空气绝热膨胀作功时，其温度显著降低。空气流过涡轮时，其温度和压力都降低。高速气流流入涡轮叶轮，冲击叶轮，使叶轮产生高速旋转，涡轮的转动又带动同轴的压气机