民用飞机空调组件性能试验方法研究

江娜

【摘 要】空调组件的地面性能试验是为了充分验证空调组件对技术要求的满足情况。本文基于某民用飞机空调组件，提出了一种评估空调组件性能的试验方案，并给出了合格判据，对后续空调组件的研制提供参考。

【关键词】空调组件；性能试验；民用飞机；性能试验规划

【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

空调组件是飞机环控系统的核心部件，空调组件性能的好坏直接决定了座舱温度、压力、湿度和人均新风量，进而影响了燃油损耗、飞行安全和座舱空气品质。

受限于试验条件，国内对于民用空调组件性能的研究基本是通过计算机仿真来实现的[1-2]，而通过试验研究的文献却鲜有出现。即使是通过试验进行研究的，也仅局限于对关键部件[3]，而非空调组件整体。国外对于空调组件性能的评估是通过试验和仿真相结合的方式完成的。其方法是，首先根据技术要求选取典型工况点进行试验，试验结果一方面用于判断对技术要求和指标要求的符合性，一方面用于修正计算模型。再通过修正后的计算模型计算飞机在各飞行包线、温度包线下空调组件的性能数据，再根据获取的性能数据对空调组件的性能进行评估。

本文针对空调组件三个最重要的性能指标，制冷能力，泄漏量和除湿效率，对空调组件的性能进行了试验方案设计。

1 试验对象

本试验的对象为某民用飞机空调组件，主要由表1所示子部件组成，其外形图见图1。

该空调组件从气源系统引气，高温高压的空气首先进入初级换热器热边，被初级换热器冷边的冲压空气冷却。

离开初级换热器后，气流分为两路，一路主流进入空气循环机的压气机，经过压气机后，压力和温度都升高。从压气机出来之后，气流进入主换热器热边，被主换热器冷边冲压空气冷却，经过主换热器之后温度和压力都降低。气流离开双级换热器之后，进入高压除水循环。气流先进入回热器热边，接着进入冷凝器热边，气流温度降低到水蒸气露点温度后，空气中的水蒸气变成液态水，在冷凝器下游的水分离器中利用离心作用将水和空气分离、除水，然后气流再次进入回热器冷边。在进入空气循环机的涡轮之前，气流温度再次升高。高压空气进入空气循环机中的涡轮膨胀后，气流压力接近座舱压力，同时温度降低。

同时，另一路少量热空气从初级换热器出口旁路至涡轮出口，与经过空气循环机调节的冷空气在涡轮出口混合，混合后的气流进入冷凝器的冷边，作为高压除水的冷源。通过热空气旁路上的TCV开度可调节空调组件的出口温度。

空气循环机中，涡轮、压气机和风扇同轴，高压空气在涡轮中膨胀，带动涡轮高速运转，涡轮通过空气轴承带动压气机和风扇运转。

所有压力传感器、温度传感器以及TCV由综合空气管理控制器（IASC）进行监测和控制，其原理图见图2。

2 试验台架

该空调组件性能试验台架主要包括热动力试验台和组件安装台架。其中热动力试验台由数据采集系统、安全防护系统、供气系统和控制系统组成。数据采集系统用于采集所有传感器数据，安全防护系统用于监测过热和ACM超速，供气系统用于给空调组件冷、热边提供气源，控制系统用于将空调组件调节至测试状态。试验台架原理图见图3。

2.1 组件安装台架

由于飞机飞行在高空，冲压空气进、排气均为对应高度的大气压。另外，座舱压力在高空中，也小于1个大气压。基于以上两点，整个组件安装台架必须安装在高度舱中。高度舱内的压力应能通过设定的飞行高度，控制到对应高度的标准大气压。飞行高度可以0ft～40000ft之间自由选择。

2.2 加装设备

为使空调组件的运行状态与真实飞机上的一致，需要加装以下设备：

1）冲压空气进口导管、冲压空气出口导管、冲压空气排气口——保证冲压空气侧的流阻与真实飞机一致；

2）喷水管、水喷射器——保证PHX、MHX换热效率与真实飞机一致；

3）调节阀——调节空调组件出口压力至其与真实飞机一致。

2.3 测量设备及相关

除空调组件自带的CDTS（T2）、PTS（T4），在空间允许的情况下，还应加装其它传感器监测空调组件的状态。根据该空调组件的布局，在回热器热边进口和冷端出口分别加装一个温度传感器（T3，T5）。为了监测供气参数和冷凝器出口参数，在冷、热供气管路和冷凝器出口管路上也分别加装了温度、压力、湿度和流量传感器（Q1，T1，P1，d1，Q8，T8，P8，T6）。为了监测舱内压力是否与设定高度的外界大气一致，加装了压力传感器（P0）。

由于冷凝器出口处可能有游离水或游离冰存在，为测量冷凝器出口流量，计算泄漏量和除湿效率，在冷凝器下游加装了加热器和流量、温度、温度传感器（d7，Q7，T7），使游离水或游离冰蒸发成气态。加热器仅在冷凝器出口温度小于30℃时工作。传感器具体加装位置见上图3所示。

2.4 热动力试验台控制器

热动力试验台控制器应具备以下功能：

1）应能为TCV、PTS、CDTS提供28V的直流电；

2）应能调节TCV至全开或全关的状态；

3）TCV处于打开状态（非全开）时，应能根据冷凝器出口温度自动调节TCV开度；

4）应能为所有加装传感器提供电源；

5）应能记录所有传感器的测量值；

6）应能控制加装的调节阀，使得冷凝器冷边出口压力保持至设定值；

7）应对加装的加热器具有以下控制功能：

①当冷凝器出口温度大于等于30℃时，加热器不工作；

②当冷凝器出口温度小于30℃时，加热器工作，将冷凝器出口处的游离水或游离冰加热至完全蒸发。

8）应具有过热/超压保护功能。即能监控PHX热边进口压力、ACM转速（N）、压气机出口温度（CDTS）、水分离器出口温度（PTS），当测量值超出阈值3s时，可立即自动切断热边供气。

2.5 供气系统

空调组件用气来自发动机或APU（辅助动力装置）引气，其温度最高可达260℃，压力可达4bar，这就要求试验室具备可提供高温高压气体的能力。另外为考查空调组件的除湿能力，热边供气还必须具备加湿功能。

飞机飞行在空中，最高飞行高度可达40000ft，冲压空气的压力远小于地面大气压，因此要求试验室具备可提供低真空度气源的能力。

3 试验工况

为考查空调组件性能，选取如表2所示的5个严酷的工况点进行试验验证。

4 测试参数

记录如图3所标出的所有压力、温度、湿度、ACM转速以及空调组件冷热边流量传感器读数，作为判断空调组件性能的依据。

5 合格判据

对照技术指标，查看表4所列参数是否符合技术要求。

6 总结

本文对某民用飞机空调组件的性能试验进行了规划，对其是否满足制冷、除湿以及泄漏量要求等方面进行了试验方案设计。给出了一种评估空调组件性能的方法，对后续空调组件的研制提供参考。

【参考文献】

[1]简夕忠，况薇.基于FLOWMASTER软件的民用飞机空调制冷系统仿真分析[J].科技信息，2013.

[2]杨智，况薇.民用飞机座舱制冷系统性能计算方法研究[J].民用飞机设计与研究，2015，（3）：44-.

[3]肖晓劲，袁修干，张兰双，张春蕾.高速电动涡轮-压气机组件试验研究[J].真空与低温，2008，（4）：208-211.

[责任编辑：王楠]