飞机空调系统.pptx

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。Atmospheric levels 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811 km1、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6.5C，即气温随高度的平均递减率为-6.5C/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15C-56C11Z(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 气体气体 容积含量容积含量（%）分子量分子量 临界温度临界温度()()氮气氮气78.08478.08428.0134 28.0134-147.2-147.2氧气氧气20.946 20.946 31.9988 31.9988-118.9-118.9 氩氩0.9340.93439.948 39.948-122.0-122.0 二氧化碳二氧化碳0.0380.03844.00995 44.00995 31.0 31.0 臭氧臭氧0 07 7 1010-8-8 47.9982 47.9982-5.0-5.0 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(3)大气温度、压力、密度随高度的计算式为：在对流层（0H11km）在平流层（11kmH20km）(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：最佳值对人体无任何缺氧效应的生理界限值。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。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。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。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。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v座舱空气的温度、压力和压力变化率，v空气的湿度、清洁度、噪音、舱壁内表面温度v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：重量限制：轻；体积限制：小；供气量要求：大；湿度要求：相对湿度低；限制流量较大的气流输入座舱内；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。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。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：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。座舱具有一定的强度及空调系统工作安全可靠。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：2022C，正常保持在1526C的舒适区范围内。(2)座舱压力的要求座舱空气压力pc座舱高度Hc座舱余压pc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：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。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。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（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0.70.9kg的新鲜空气，每人所需要的合适的座舱容积大约为11.8M3，座舱每小时的通风换气次数不能少于2530次。（二）空气流速（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（一）大气通风式座舱座舱增压气源的基本形式形式1 1、发动机压气机、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 2、专用座舱增压器、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（二）现代喷气式客机增压空气的来源及用途用途增压空气的主要用途可以归纳为四个方面v飞机座舱的空调与增压v飞机机翼前缘及发动机进气道前缘的热气防冰v发动机启动用电源v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（三）现代喷气客机系统的基本结构v1 1、气源系统的布局、气源系统的布局vB-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。v2 2、典型飞机的气源系统、典型飞机的气源系统v（1）BAe-146飞机的气源系统v（2）B-737-300飞机的气源系统三、气源系统的调节与控制三、气源系统的调节与控制（一）引气系统的压力调节（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（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。v（三）引气活门的控制活门（三）引气活门的控制活门为了确保引气系统的正常工作，完成引气系统的温度、压力及流量的控制与调节，现代飞机的气源系统中都设置有许多具有各种功能的引气控制开关装置，按照工作原理的不同，可将引气控制开关装置分为以下几种：机械操纵式引气活门气动式引气活门电动式引气活门电控气动式引气活门（四）辅助动力装置引气（四）辅助动力装置引气辅助动力装置APU的气源通过APU引气活门引出，为避免发动机供气时增压空气倒流到APU内，在APU供气管路上装有单向活门。APU引气可以用于地面空调、启动发动机，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，尤其是对于波音和空中客车等在起飞、着陆时需要预增压的飞机，更需要APU引气。四、B-757飞机的气源系统高压级引气是由高压关断活门控制的，该活门是由高压及控制其控制的。引起预冷器对引起的温度进行控制。第三节 座舱空气调节系统一、座舱加温系统一般来说，经过发动机压气机或座舱增压器的空气就可以满足座舱加温的要求，因此，现代大多数客机的空气调节系统同时可以完成加温的任务。这种系统就是将热空气直接供入座舱，使座舱内的空气形成对流，从而保证整个座舱内的空气温度达到要求。(一)燃烧加温器加温器的原理如图所示：(二)电加温器电加温器一般作为喷气式飞机辅助的加温设备，它只有在一定的飞行状态下，如下滑、爬升时才使用，有的飞机在地面停机状态亦可使用。(三)废气加温器利用发动机排气作为热源的加温系统示意图：二、座舱制冷系统 飞机上采用的制冷系统有空气循环制冷系统和蒸发循环制冷系统两种形式。(一)空气循环制冷系统空气循环制冷系统主要是采用有发动机带动的座舱增压器或者直接由发动机引出的空气供入座舱来对座舱进行制冷。1、简单式空气循环制冷系统原理图如图所示：2、升压式空气循环制冷系统升压式空气循环制冷系统也称为涡轮-压气机式空气循环制冷系统。如图所示原理图：升压式空气循环制冷系统中的热交换器可以用冲压空气进行冷却，也可以使用燃油或其他冷源。这种制冷系统具有以下特点：由于涡轮输出功使涡轮前的空气增压，与简单式制冷系统相比，显著改善了系统的性能；系统可以以很高的效率提供所需的制冷量；对高空工作条件，升压使系统在很大的飞行条件范围内都能提供额定的制冷量；为保证系统在地面具有制冷能力，装有专门的电动风扇或动力涡轮驱动风扇来抽吸热交换器冷边空气。、三轮式空气循环制冷系统三轮式空气循环制冷系统也称为涡轮压气机风扇式空气循环制冷系统。原理如图所示：、带有湿度控制的空气循环制冷系统带有水分离器的空气循环制冷系统示意图：(二)蒸发循环制冷系统蒸发循环制冷系统是利用液态制冷剂的相变来吸收空气中的热量，它可使系统中的空气在进入座舱或设备舱之前显著地降低温度。蒸发循环制冷系统具有以下特点：系统的冷却效率高；在地面停机条件下，有良好的冷却能力；高空高速飞行时有良好的经济性，节省燃油。(三)复合式制冷系统(四)地面冷却三、空调系统的主要附件(一)热交换器热交换器是把热量从一种载热介质传递给另一种载热介质的设备，若设备以加热流体为主要目的则称为加热器。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 (二)涡轮冷却器涡轮冷却器在空气循环系统中的作用是将来自发动机压气机的空气经过热交换器预冷却后再进一步降温。涡轮冷却器分为三类：涡轮风扇式、涡轮压气机式和涡轮风扇压气机式的涡轮冷却器。四、座舱空气的湿度调节（略）五、座舱的气流组织客舱的供气口和排气口的位置不同，座舱内的空气流动形式也就不同。如图所示：第四节 座舱温度控制系统座舱温度控制就是使座舱内的空气温度保持在要求的预定温度范围内。一、座舱温度控制的基本原理(一)气密座舱的热载荷及座舱的热平衡所谓座舱热载荷是维持座舱内温、湿度恒定时，单位时间内传入(或传出)座舱的净热量，即输入座舱的热量和从座舱排出热量的代数和。客机的稳态热载荷主要包括以下几部分：1、人体所排出的湿气潜热部分没有加给座舱，对座舱的热载荷没有影响（对座舱的湿度有影响）。2、电子和电气设备的热载荷QE3、通过透明表面的太阳辐射热载荷QS4、通过座舱壁传入或散出的热量QB5、空气泄漏热载荷QL6、供入座舱空气的热载荷Qg(二)座舱温度控制的基本原理和基本方法控制座舱空气温度的办法是改变座舱供气温度，而控制供气温度的方法是控制供入座舱的热空气和冷空气的混合比例。具体来说，有两种基本方法，一种是混合比控制：保持总供气量不变，只改变冷、热气体的流量比例；另一种是所谓的旁路控制，只对热空气流量进行控制。二、座舱温度控制系统的类型(一)入口管道温度控制系统入口管道温度控制系统是把管道中的空气温度调节到一个固定或选定的数值，然后送入座舱。如图所示为入口管道温度控制系统图：(二)出口管道温度控制系统出口管道温度控制系统不适用于舱内温度控制要求较高的场合。出口管道温度控制系统如图所示：(三)座舱温度控制系统座舱温度控制系统的主要作用原理是调节舱内本身的空气温度，而不是调节入口或出口温度，系统原理如图所示：二、座舱温度控制系统的主要附件(一)温度传感器温度传感器的作用是感受所控制对象(座舱或管道内的空气)的温度，并将温度信号转换为电气(电阻、电势)、位移、变形等信号，输入控制器，它是信号转换元件。座舱温度控制系统中常用的温度传感器有电传感器、双金属传感器、充气感压箱等。1、电传感器这类传感器中包括热敏电阻、热电偶和电阻丝。2、双金属温度传感器双金属温度传感器是由两种线膨胀系数相差很大的金属片贴和（焊接或铆接）而成。3、充气感压箱感压箱内充以惰性气体，气体的膨胀和收缩以及由此而产生的压力变化是温度的函数。(二)温度控制器温度控制器分为电子式、电气式和气动式三类。1、温度电桥温度电桥利用感温元件RK作为电桥的一个桥臂，安放在需要控制温度的地方，由它反应座舱的实际温度，利用温度选择器电阻RS作为电桥的另一个桥臂，即装在驾驶舱的座舱温度选择器，它代表座舱要求的温度，另外两个桥臂作为固定电阻，阻值R1=R2。2、预感电桥为了削弱干扰的影响和改善系统的动态品质，防止过渡过程中舱温的波动过大或超过舱温允许值，可以使用预感电桥。预感电桥的作用是进行超前校正，改善过渡过程的快速性能和减少波动。3、带延迟负反馈元件的电桥延迟负反馈元件的作用是当整个系统的加热或制冷继电放大器接通时，同时接通延迟负反馈元件上的脉冲加热器，对延迟反馈电阻加温，当电阻值改变时，加给电桥一个附加的电位差输出，其符号是与接通相应加温或制冷继电放大器时的电桥初始输出电位差的符号相反，因而使初始输出迅速衰减，以减少被控温度的波动。(三)其他主要附件1、放大器在座舱温度控制系统中常用继电放大。2、执行机构执行机构的功用是按照控制器输出信号去控制对象的输入量，使控制对象恢复到原来的稳定状态或者转移到新的稳定工作状态。四、B-737飞机的温度控制系统波音飞机的温度控制系统示意图如图所示：第五节 座舱压力控制系统座舱压力控制系统的基本任务就是保证在给定的飞行高度范围内，座舱的压力及其压力变化速度满足人体生理要求。一、座舱压力控制的原理和方法大气通风式气密座舱是利用发动机压气机的引气向座舱供气，对座舱进行空气调节。如图为座舱增压通风原理图：二、座舱压力制度座舱绝对压力、座舱压力对高度的变化关系以及座舱压力对时间的变化率是座舱压力控制中的重要参数。、座舱压力先以相当于海平面的绝对压力保持到某一高度，然后又与外界大气压力保持等压差变化至飞机设计高度。、座舱压力从一开始就按下列曲线变化：(一)运-7飞机的座舱压力制度如图所示为运-7飞机的座舱压力制度：(二)B-737飞机的基本压力制度如图所示为B-737飞机座舱压力调节的基本规律，左侧曲线的纵坐标为高度，横坐标为时间，称为飞行剖面曲线；右侧曲线的纵坐标为高度，横坐标为环境压力，即标准大气压力曲线。飞机起飞后座舱压力连续变化，只有达到预定巡航高度时才达到余压控制值。三、座舱压力控制系统的类型(一)气动式座舱压力控制系统 1、气动式座舱压力调节装置的基本结构 气动式座舱压力调节装置包括压力调节盒(控制结构)和排气活门(执行机构)两个基本部分。压力调节盒是一个密封盒，盒内有绝对压力调节机构和预压调节机构。排气活门是由压力调节盒控制工作的，它由膜片1、膜片2、弹簧3和活门3组成。2、气动式座舱压力调节装置的工作原理气动式座舱压力调节装置原理如图所示。(1)自由通风区(2)等绝对压力调节区(3)等余压调节(4)座舱压力变化率的控制(二)微机电动式座舱压力控制系统这种座舱压力控制系统采用微处理机作为控制部分，它能根据预先调节的座舱参数与实际的飞行状态及外界环境参数，为系统提供自动和非自动增压程序；系统的执行部分由电动马达驱动的排气活门，它接受控制指令，以实现座舱压力制度。1、组成和功能飞机的座舱增压系统分为正常压力控制和非正常压力控制两大部分。正常压力控制具有四种工作模式：自动模式、备有模式、人工交流模式和人工直流模式。所有工作模式都通过调节排气活门的位置保持座舱压力为要求值。非正常情况下的压力控制由外释活门(即安全活门)、内释压活门(负压活门)作为执行元件。前后排气活门的构造相同，它们是一种由一个交流马达和一个直流马达分别带动的活门机构。2、自动工作模式时的压力制度和工作程序(1)自动工作模式时的压力制度典型的自动方式座舱增压压力制度如图所示：(2)自动模式工作程序3、自动工作模式电路方块图(1)地面不增压程序(2)地面增压程序(3)爬升程序(4)巡航等压程序(5)下降程序4、安全措施外释压活门（安全活门）：控制最大余压值，释放超出最大余压的压力。内释压活门（负释压活门）：防止出现过大的负余压。压力均衡活门：空调系统对地板下货舱的增压是经过压力均衡活门来进行调节的。三、增压系统的维护(一)座舱增压系通工作检查检查系统中有无橡胶元件的腐蚀、金属元件的锈蚀、管道接头、电气接口、传动装置的安全性；对压力调节器进行工作检查；对活门的表面及活门座进行检查；座舱应进行气密性检查；检查座舱的完整性。(二)座舱增压故障查找利用故障分析图表进行故障的查找，查找程序和排除方法如下：在表中找出与系统发生实际故障最接近、最类似的故障现象及原因；按表中所列查找程序逐个完成查找程序，直到发现故障为止；按表中所列方法排除故障。第六节 货舱加温及电子设备舱的冷却一、货舱加温货舱加温的目的是保持机身下的货舱温度高于结冰温度，防止冻坏货物。二、电子设备舱的冷却(一)电子设备冷却系统的组成-737飞机的冷却系统是指对电子设备舱的设备架上的电子设备的冷却，另外还包括对驾驶舱的CB面板及主仪表板的冷却。(二)系统的工作情况