黃曉聃

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院,上海 201210)

引氣系統(tǒng)作為飛機(jī)上供氣的媒介，連接飛機(jī)氣源與用戶系統(tǒng)。在發(fā)動(dòng)機(jī)引氣時(shí)，將來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)的高溫氣體和來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇端的冷空氣分別送入預(yù)冷器熱邊和冷邊，冷熱空氣在預(yù)冷器內(nèi)進(jìn)行換熱，達(dá)到降低發(fā)動(dòng)機(jī)引氣溫度的目的[1-3]。

文獻(xiàn)[4]給出了引氣系統(tǒng)的通用設(shè)計(jì)考慮，并給出了預(yù)冷器的設(shè)計(jì)要求，即“單引氣失效+機(jī)翼防冰開(kāi)+飛機(jī)待機(jī)”狀態(tài)[4]為其性能設(shè)計(jì)構(gòu)型。但在實(shí)際的預(yù)冷器設(shè)計(jì)過(guò)程中還面臨如下問(wèn)題：1)民用飛機(jī)特別是遠(yuǎn)程寬體客機(jī)，其系列化型號(hào)之間質(zhì)量差別巨大，導(dǎo)致預(yù)冷器在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要針對(duì)每一型的飛機(jī)運(yùn)營(yíng)包線進(jìn)行分析評(píng)估，而文獻(xiàn)[4]并未就運(yùn)行包線的分解進(jìn)行說(shuō)明。2)若機(jī)翼防冰選擇使用電源而非傳統(tǒng)的熱空氣，則文獻(xiàn)[4]無(wú)法適用此種用氣構(gòu)型下的預(yù)冷器設(shè)計(jì)。基于以上原因，建立一種基于飛機(jī)運(yùn)營(yíng)包線的普適、量化的預(yù)冷器性能設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)方法就顯得十分重要。對(duì)于預(yù)冷器的性能計(jì)算，目前通常有兩種方法：平均溫差法和效率-傳熱單元數(shù)(η-NTU)法[5]。這兩種計(jì)算方法，均需要在已知預(yù)冷器冷熱邊流量的情況下進(jìn)行，且并不適用于工程實(shí)際計(jì)算。本文將介紹一種快速性能校核方法，以支持實(shí)際的工程應(yīng)用。

1 飛機(jī)運(yùn)營(yíng)包線的分解

飛機(jī)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)可按環(huán)境、飛機(jī)狀態(tài)和引氣系統(tǒng)供氣構(gòu)型3個(gè)維度分解?；谶@3個(gè)維度的組合，可以完整定義預(yù)冷器的性能設(shè)計(jì)狀態(tài)表，為開(kāi)展量化的預(yù)冷器性能設(shè)計(jì)評(píng)估提供基礎(chǔ)。本節(jié)介紹的運(yùn)營(yíng)包線分解思路，可作為預(yù)冷器性能設(shè)計(jì)表定義的指導(dǎo)。

1.1 環(huán)境

環(huán)境指飛機(jī)飛行所處的大氣環(huán)控條件，包括飛行高度、大氣溫度和大氣壓力：

1)飛行高度。以飛機(jī)的溫度高度包線為依據(jù)，結(jié)冰氣象下的狀態(tài)點(diǎn)，則參考適航規(guī)章中結(jié)冰氣象的定義。

2)大氣溫度。飛機(jī)溫度高度包線最左端作為極熱天，最右端作為極冷天。在極端天之間，還需選取熱天、標(biāo)準(zhǔn)天、冷天，以覆蓋預(yù)冷器的工作環(huán)境范圍[6]。此外，對(duì)于結(jié)冰氣象，可以依據(jù)適航規(guī)章中定義的結(jié)冰包線選取結(jié)冰氣象的最低溫度和最高溫度[7]。

3)大氣壓力。指飛行高度下的環(huán)境壓力，參考標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境確定。

1.2 飛機(jī)狀態(tài)

飛機(jī)狀態(tài)包括飛機(jī)座級(jí)、上座率、飛行狀態(tài)、飛機(jī)質(zhì)量、飛行馬赫數(shù)等。具體為：

1)飛機(jī)座級(jí)。為指定系列化飛機(jī)下的座級(jí)特征，通常有三艙布局、兩艙布局以及全經(jīng)濟(jì)艙布局。

2)上座率。最低上座率20%至滿載100%。

3)飛行狀態(tài)。包括滑行、起飛、爬升、巡航、下降、進(jìn)近、待機(jī)等飛機(jī)姿態(tài)。

4)飛機(jī)質(zhì)量。僅在巡航和待機(jī)狀態(tài)下適用，用于計(jì)算飛機(jī)的需用推力。其他飛行狀態(tài)下，飛機(jī)推力可由發(fā)動(dòng)機(jī)的功率狀態(tài)獲取。

①質(zhì)量上限。為飛機(jī)不同系列化下的最大起飛質(zhì)量MTOW，減去滑出、起飛及爬升階段所消耗的燃油質(zhì)量。

②質(zhì)量下限。為飛機(jī)不同系列化下的使用空機(jī)質(zhì)量OEW，加上下降、進(jìn)場(chǎng)及滑入消耗的燃油質(zhì)量，加上備用油質(zhì)量，再加上商載的質(zhì)量。商載質(zhì)量[8]可以根據(jù)上座率和單位乘客配重得到。質(zhì)量下限需要結(jié)合上座率來(lái)定義，通常需要定義最小上座率和滿載情況下的質(zhì)量下限。

5)飛行馬赫數(shù)。

①滑行、起飛、爬升、下降、進(jìn)近等飛行階段的馬赫數(shù)，根據(jù)典型飛行剖面來(lái)定義。

②單發(fā)巡航時(shí)，根據(jù)不同的高度和質(zhì)量，按照長(zhǎng)航程巡航(LRC)特性來(lái)計(jì)算馬赫數(shù)。

③雙發(fā)巡航時(shí)，根據(jù)不同的高度和質(zhì)量，按照飛機(jī)速度包線來(lái)計(jì)算馬赫數(shù)，從左邊界到右邊界。

④待機(jī)狀態(tài)時(shí)，根據(jù)不同的高度和質(zhì)量，按照最小待機(jī)油耗特性來(lái)計(jì)算馬赫數(shù)。

1.3 引氣系統(tǒng)供氣構(gòu)型

引氣系統(tǒng)供氣構(gòu)型包括供氣源和用氣系統(tǒng)的構(gòu)型狀態(tài)。供氣構(gòu)型信息決定了實(shí)際流入預(yù)冷器的空氣流量大小，即預(yù)冷器的負(fù)荷狀況。具體為：

1)工作的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量。

2)工作的發(fā)動(dòng)機(jī)引氣的數(shù)量。

3)工作的空調(diào)組件數(shù)量。

4)空調(diào)系統(tǒng)的工作模式，通常有normal和single模式，不同模式用氣量不同。

5)惰化系統(tǒng)工作狀態(tài)，通常有ON和OFF兩個(gè)狀態(tài)，表征惰化系統(tǒng)是否需要供氣。

6) 機(jī)翼防冰工作狀態(tài)，通常有ON和OFF兩個(gè)狀態(tài)，表征機(jī)翼防冰系統(tǒng)是否需要供氣。

2 預(yù)冷器性能設(shè)計(jì)點(diǎn)選取

預(yù)冷器換熱性能設(shè)計(jì)，旨在確定換熱性能最嚴(yán)酷的工況，以此作為換熱性能設(shè)計(jì)點(diǎn)。本文提出了確定換熱最嚴(yán)酷的工況的定量評(píng)估參數(shù)PF：

(1)

式中：PF為功率因子，是綜合考慮熱邊和冷邊影響的可度量參數(shù)，數(shù)值越大，表明換熱特性越嚴(yán)酷；Qh為預(yù)冷器熱端流量；Tport為發(fā)動(dòng)機(jī)引氣端口溫度；Treg為預(yù)冷器熱端出口調(diào)節(jié)目標(biāo)溫度；Pfan為風(fēng)扇端入口表壓；Tfan為風(fēng)扇端入口溫度。

參數(shù)PF可以提供一種普適、量化的預(yù)冷器換熱性能設(shè)計(jì)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，彌補(bǔ)了文獻(xiàn)[4]的使用局限性，適應(yīng)于不同用氣戶架構(gòu)的預(yù)冷器設(shè)計(jì)。

為降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗，引氣系統(tǒng)要保證飛機(jī)在“雙發(fā)+雙引氣+雙空調(diào)組件”構(gòu)型、典型巡航速度狀態(tài)下使用中壓級(jí)引氣壓力，故在根據(jù)功率因子PF確定換熱性能設(shè)計(jì)點(diǎn)后，還要選取壓損性能設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)約束。

基于以上兩點(diǎn)考慮，結(jié)合第1節(jié)定義的完整性能設(shè)計(jì)狀態(tài)表，可以識(shí)別出預(yù)冷器的換熱設(shè)計(jì)點(diǎn)和壓損設(shè)計(jì)點(diǎn)，提供給預(yù)冷器制造商以開(kāi)展詳細(xì)的設(shè)計(jì)。

3 預(yù)冷器性能的快速校核

3.1 快速校核計(jì)算的優(yōu)勢(shì)

在完成預(yù)冷器詳細(xì)設(shè)計(jì)之后，需要對(duì)其性能在運(yùn)營(yíng)包線范圍內(nèi)進(jìn)行校核。由于平均溫差法和效率-傳熱單元數(shù)(η-NTU)法聚焦的都是預(yù)冷器這一單一部件，需要提前知曉預(yù)冷器的冷邊流量，不適用于工程實(shí)際計(jì)算，因此本文根據(jù)預(yù)冷器溫度調(diào)節(jié)的實(shí)際運(yùn)行邏輯，提出一種基于冷邊阻力平衡的流量迭代計(jì)算的預(yù)冷器性能計(jì)算方法，可以快速進(jìn)行飛機(jī)運(yùn)營(yíng)包線內(nèi)的預(yù)冷器換熱特性校核。

3.2 快速校核計(jì)算的適用條件

開(kāi)展預(yù)冷器快速性能校核計(jì)算的適用條件，是已知以下引氣系統(tǒng)的性能特征：

1)風(fēng)扇端冷風(fēng)道總壓恢復(fù)系數(shù)特性，通常是流量的函數(shù)。

2)風(fēng)扇空氣活門(mén)全開(kāi)阻力特性。

3)預(yù)冷器阻力特性。

4)預(yù)冷器換熱效率表，通常以熱邊流量和冷邊流量為變量的二維矩陣表來(lái)表征。

5)預(yù)冷器冷邊進(jìn)/出口管路阻力特性。

以上引氣系統(tǒng)的阻力特性通常用公式(2)表達(dá)：

σΔP=kQα

(2)

式中：σ為密度比，σ=ρ/ρ0，ρ為實(shí)際密度，ρ0為標(biāo)準(zhǔn)密度，取1.225 kg/m3；ΔP為壓力損失；Q為流量；k為壓力損失系數(shù)；α為流量指數(shù)。

3.3 快速校核的計(jì)算方法

在預(yù)冷器熱邊流量一定的情況下，不同的冷邊流量經(jīng)過(guò)預(yù)冷器換熱以后得到不同的熱邊出口溫度。實(shí)際冷邊流量的大小受到冷邊進(jìn)口壓力、流通阻力和外界大氣壓力的影響，又與系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)的期望值有關(guān)。風(fēng)扇端空氣通過(guò)風(fēng)扇端冷風(fēng)道(圖1截面1-2)、風(fēng)扇空氣活門(mén)(圖1截面2-3)、預(yù)冷器冷邊進(jìn)口管路(圖1截面3-4)、預(yù)冷器(圖1截面4-5)和預(yù)冷器冷邊出口管路(圖1截面5-6)等部件后，最終排入環(huán)境(圖1截面6)，排氣靜壓與環(huán)境靜壓相等。計(jì)算截面示意如圖1所示。

圖1 預(yù)冷器溫度穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)計(jì)算截面示意

計(jì)算時(shí)首先根據(jù)預(yù)冷器熱邊出口溫度調(diào)節(jié)期望值、發(fā)動(dòng)機(jī)引氣溫度和引氣流量、發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇端引氣溫度，基于預(yù)冷器換熱效率表，初步估算所需的冷邊流量。在此流量基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)冷器冷邊壓力損失的校核及實(shí)際流量迭代計(jì)算，最終確定預(yù)冷器的冷邊流量和熱邊出口溫度。具體計(jì)算方法如下：

1)估算預(yù)冷器冷邊流量。根據(jù)溫度調(diào)節(jié)期望值和公式(3)，計(jì)算預(yù)冷器換熱效率η，結(jié)合預(yù)冷器效率表和預(yù)冷器熱邊流量QH，估算預(yù)冷器冷邊流量QC。

(3)

(4)

(5)

式中：ΔPFAV為風(fēng)扇空氣活門(mén)全開(kāi)時(shí)的壓力損失；ΔPcold in duct為預(yù)冷器冷邊進(jìn)口管路壓力損失。

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：σΔPc,PCE為預(yù)冷器冷邊阻力特性，是已知的部件特性；AD為預(yù)冷器冷邊進(jìn)口面積；R為氣體常數(shù)；κ為空氣絕熱指數(shù)。

5)估算流量下環(huán)境截面6處?kù)o壓PQc,AMB：

(12)

式中：ΔPcold out duct為預(yù)冷器冷邊出口管路的壓力損失。

6)實(shí)際冷邊流量判斷和迭代計(jì)算。估算流量下環(huán)境截面靜壓PQc,AMB需要與實(shí)際的環(huán)境靜壓相等PAMB。若估算流量下環(huán)境截面靜壓小于實(shí)際的環(huán)境靜壓，說(shuō)明此時(shí)的估算流量過(guò)大，無(wú)法流出，需要減少冷邊流量重復(fù)2)～6)的計(jì)算，直至兩者相等。

4 預(yù)冷器性能設(shè)計(jì)與校核實(shí)例分析

將上文提出的預(yù)冷器性能設(shè)計(jì)和快速校核方法，與某機(jī)型引氣系統(tǒng)預(yù)冷器實(shí)際性能進(jìn)行對(duì)比分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。表中序號(hào)1～5為某機(jī)型實(shí)際的預(yù)冷器性能設(shè)計(jì)點(diǎn)。從出口溫度值來(lái)看，預(yù)冷器能力不足，并不能達(dá)到調(diào)節(jié)目標(biāo)溫度。從功率因子分析可以看出，預(yù)冷器的出口溫度隨功率因子下降而下降，預(yù)冷器換熱最嚴(yán)酷的點(diǎn)就是功率因子最大的點(diǎn)。因此，若采用定量的功率因子作為設(shè)計(jì)點(diǎn)選取評(píng)價(jià)指標(biāo)，則能夠準(zhǔn)確地捕捉到預(yù)冷器的性能設(shè)計(jì)臨界點(diǎn)。同時(shí)，對(duì)比分析實(shí)際出口溫度和校核計(jì)算出口溫度可知，快速校核計(jì)算能夠較為準(zhǔn)確地得出預(yù)冷器的出口溫度，且精度在可接受范圍內(nèi)。

表1 某機(jī)型引氣系統(tǒng)預(yù)冷器性能對(duì)比分析

5 結(jié)束語(yǔ)

基于飛機(jī)運(yùn)營(yíng)包線的分解，能夠完整地定義預(yù)冷器的工作狀態(tài)。真實(shí)預(yù)冷器運(yùn)行狀態(tài)下的功率因子表明，換熱臨界點(diǎn)即為功率因子最高點(diǎn)。因此，通過(guò)功率因子的定量計(jì)算，能夠準(zhǔn)確捕獲預(yù)冷器的性能設(shè)計(jì)點(diǎn)，避免出現(xiàn)設(shè)計(jì)的預(yù)冷器能力不足。而在已知預(yù)冷器性能特性的情況下，基于冷邊阻力平衡的流量迭代計(jì)算的快速校核計(jì)算方法也能夠較為準(zhǔn)確地得出預(yù)冷器的出口溫度，且精度在可接受范圍，特別適用于工程計(jì)算。