Матвеенко А.М. (ред.) - Системы оборудования летательных аппаратов - 2005

Регуляторы давления воздуха в герметических кабинах

91

Рис. 3.11. Схема регулятора давления прямого дейс­ твия:

а — механизм избыточного давления; б — механизм аб­ солютного давления

Атмосфера

рл

Рис. 3.12. Схема регулятора давления комбинированного действия:

I — выпускной клапан; II — командное устройство; III — демпфер; 1 — вакуумированный сильфон; 2 — дифференциальный сильфон; За, 36, Зв — игольчатые клапаны; 4, 5, 6— гибкие мембраны; 7 — жесткий центр; 8 — клапан; 9, 9а, 96— калиброванные отверстия; 10, 11 — пружины

92 Регулированиедавления воздуха в герметических кабинах и отсеках JIA

воздух выходит из кабины. При отключении полостей А и В от ат­ мосферы благодаря перетеканию воздуха из кабины через отвер­ стие 9 в надмембранной полости Б устанавливается кабинное дав­ ление и клапан 8 закрывается под действием пружины 10.

Вакуумированный сильфон 1 открывает клапан За при превы­ шении в кабине абсолютного давления (участок АВ, см. рис. 3.9). При этом значение избыточного давления в кабине меньше рас­ четного значения. При достижении рк — ph = Д /Щ 4 давление в ка­

бине на участке ВС регулируется сильфоном 2, внутренняя по­ лость которого сообщается с атмосферой, а клапан За закрывается.

При снижении самолета, если скорость нарастания давления превосходит заданное значение, нарастание давления в полости Г будет отставать от изменения давления в полости В демпфера за счет ограничения расхода воздуха через дюзу 9а, и перепад дав­ лений, действующий на мембрану 4, откроет клапан Зв, в резуль­ тате чего клапан <?дополнительно приоткрывается, выпуск возду­ ха из него увеличивается, и скорость нарастания давления в ка­ бине снижается до определенного значения.

Конструктивные элементы 6, 7, 96 служат для разгрузки кла­ пана 8 от действия перепада давлений (рк - ph) и для улучшения динамических характеристик регулятора.

Регулятор давления, показанный на рис. 3.12, может быть от­ несен к системам комбинированного действия, поскольку усиле­ ние мощности сигнала с помощью внешнего источника энергии осуществляется лишь для управляющих воздействий командного прибора II и демпфера III. Отклонение от заданного уровня регу­ лируемого параметра (давления в кабине) воспринимается наряду с командной частью прибора еще и непосредственно мембраной 5, которая в данном случае выполняет роль не только силового при­ вода выпускного клапана, но одновременно и чувствительного эле­ мента, что свойственно регуляторам прямого действия.

Электропневматический регулятор давления. Повышение тре­ бований к точности регулирования давления, быстродействию, эффективности контроля за работой и уменьшению массы регуля­ торов давления привело к созданию элекгропневматических регу­ ляторов для пассажирских самолетов, устройство которых не очень сильно отличается от рассмотренного пневматического регулятора.

Микропроцессорная цифровая система регулирования давления. Ус­ пехи, достигнутые к настоящему времени в разработке малогаба­ ритных цифровых вычислительных машин, привели к широкому внедрению в авиационной технике микропроцессорных средств уп­ равления и автоматизации различных весьма сложных процессов.

В частности, фирмой «Норд—Микро» создана микропроцессор­ ная цифровая система регулирования давления воздуха в кабине, ус­ тановленная на самолетах-аэробусах А-330, А-340 и других машинах.

Регуляторы давления воздуха в герметических кабинах

93

Система содержит двукратно резервированный электрон­ но-цифровой командный прибор, использующий для выработки управляющего сигнала встроенную программу регулирования или информацию о профиле предстоящего полета, получаемую от бортовой системы управления. С учетом этой информации назна­ чается минимально возможная скорость изменения давления в кабине при условии обеспечения допустимого перепада давлений между кабиной и атмосферой.

Для обеспечения работоспособности при различных внешних и внутренних отказах система резервирована как по основным конструктивным элементам (по приводам выпускного клапана, по блокам управления ими и т.д.), так и по числу каналов полу­ чения и передачи информации. На случай частичного или полно­ го отсутствия сигналов от системы управления полетом предус­ мотрен резервный полуавтоматический режим работы, требую­ щий от экипажа только ввода данных о высоте аэродрома посадки. Кроме того, предусмотрена возможность прямого управ­ ления экипажем (с помощью специального дополнительного электродвигателя) положением створок выпускного клапана. Ки-

Рис. 3.13. Кинематическая схема двухстворчатого выпускного клапана с электроприводом:

1, 2 — створки клапана; 3 — силовая тяга, обеспечивающая разгрузку привода; 4, 5 — электродвигатели первого и второго каналов автомати­ ческого регулирования; 6 — ведущий кривошип; 7— тяга привода; 8 — электродвигатель канала ручного регулирования с червячным редуктором

94 Регулированиедавления воздуха в герметическихкабинах и отсеках JIA

нематическая схема связи створок выпускного клапана обеспечи­ вает разгрузку привода от воздействия сил избыточного давления при любых положениях створок (рис. 3.13).

В системе предусмотрено поочередное (перед каждым пред­ стоящим полетом) переключение резервного и основного каналов регулирования с целью обеспечения их равномерной работы для повышения надежности и увеличения ресурса. Система встроен­ ного контроля позволяет при эксплуатации обходиться без пла­ новых регламентных работ и производить техническое обслужи­ вание исходя только из фактического состояния системы.

ЗАЩИТНЫЕ УСТРОЙСТВА ГК

Защита кабины в различных случаях осуществляется с помо­ щью следующих элементов (рис. 3.14).

1. Избыточный предохранительный клапан (ИПК) служит для защиты кабины от разрушения при чрезмерном повышении из­ быточного давления вследствие неисправности автоматического регулятора давления (заедание, залипание клапанов, разгермети­ зация сильфона) или резкого увеличения подачи воздуха в ГК. ИПК срабатывает при

А^изб = P * -P h = (1,15... 1,20)A/?g|§4 .

2. Вакуумный предохранительный клапан (ВПК) защищает ка­ бину от смятия (потери устойчивости оболочки) при быстром спуске самолета, когда при недостаточной подаче воздуха в каби­ ну может быть ph > рк. ВПК срабатывает при Д/?изб = рк — ph = = -(1,3...2,7) кПа (10...20 мм рт. ст.).

Часто ИПК и ВПК конструктивно совмещают в одном агрегате. 3. Клапан сброса давления (КСД) служит для быстрой разгерме­ тизации кабины по желанию летчика (например, если нужно от­ крыть люк или дверь при наличии в ГК избыточного давления).

Рис. 3.14. Защитные устройства гермети­ ческих кабин:

ИПК — избыточный предохранительный клапан; ВПК — ва­ куумный предохрани­ тельный клапан; КСД — клапан сброса давле­ ния; OK — обратный клапан; ОД — ограни­ читель давления; АРД — автоматический регуля­

От лагяетотелл тор давления

Регуляторы давления воздуха в герметических кабинах

95

Продолжительность сброса давления определяется проходным се­ чением клапана.

4. Обратные клапаны (ОК) линии наддува предотвращают об­ ратный ток воздуха в магистралях системы кондиционирования в случае нарушения работы системы или ее герметичности. ОК должны иметь возможно меньшее сопротивление в направлении пропускания воздуха.

СЕТЕВЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ ДАВЛЕНИЯ

Во многих самолетных СКВ, в кислородной системе, в пнев­ мосистемах торможения, уборки — выпуска шасси, открытия и герметизации фонаря или входного устройства и т. п. в качестве рабочего тела используется сжатый газ (воздух, азот и кислород). Причем для каждой системы газ подводится с определенным дав­ лением, которое поддерживается в нужных диапазонах регулято­ рами давления. Тип регулятора определяется значениями входно­ го и выходного давлений, температурой и расходом газа. Регуля­ торы давления могут поддерживать избыточное или абсолютное давление. Регуляторы избыточного давления — редукторы — ре­ гулируют давление по отношению к давлению окружающей сре­ ды. Регуляторы абсолютного давления поддерживают постоянную разность давлений между давлением в герметичном объеме чувс­ твительного элемента и выходным давлением.

Характеристики самолетных СКВ, их эффективность и надеж­ ность работы, качество поддержания параметров воздуха в ка­ бинах и отсеках зависят от работоспособности сетевых регулято­ ров давления. Сетевые регуляторы давления устанавливаются в СКВ для понижения давления, получаемого от компрессора дви­ гателя. Они характеризуются большой пропускной способностью (расход воздуха до 1 кг/с), широким изменением входных давле­ ний от 0,1 до 3,0 МПа при температуре рабочего воздуха до 650 °С. Сетевые регуляторы давления бывают прямого и непрямого дейс­ твия и имеют весьма разнообразные конструктивные схемы.

Сетевые регуляторы прямого действия, так же как и регулято­ ры давления кабины, имеют ряд недостатков, которые препят­ ствуют их применению. Поэтому современные сетевые регулято­ ры выполняют по схеме непрямого действия.

Регулятор избыточного давления непрямого действия. На рис. 3.15 показана схема сетевого регулятора, состоящего из исполнитель­ ного и командного механизмов.

Исполнительный механизм регулятора, в свою очередь, состо­ ит из регулирующего органа — заслонки 1 и сервопривода, основ­ ным элементом которого является сильфон 2, образующий вместе с крышками герметичный объем, в который из командного ме­ ханизма подводится воздух из усилителя. При изменении давле-

96 Регулирование давления воздуха в герметических кабинах и отсекахJIA

Атмосфера	Рис. 3.15. Схема сетевого регулятора
	избыточного давления:
	1 — заслонка; 2 — сильфон; 3 — шток
	сильфона; 4 — рычаг заслонки; 5 — мем­
	брана чувствительного элемента; 6, 10 —
	пружины; 7 — температурный компенса­
	тор; 8 — седло усилителя; 9 — дроссель

ния в сильфоне перемещается шток 3, который через рычаг 4 по­ ворачивает регулирующую заслонку на определенный угол, изме­ няя площадь проходного сечения.

Командный механизм регулятора избыточного давления состо­ ит из чувствительного элемента и усилителя. Чувствительный эле­ мент состоит из мембраны 5, пружины 6, биметаллического ком­ пенсатора 7, предназначенного для компенсации тепловых изме­ нений размеров пружины и корпуса чувствительного элемента. При повышении температуры пластина компенсатора изгибается и поджимает пружину 6, обеспечивая постоянное усилие на мем­ брану 5. Элементами усилителя являются седло 8 и дроссельное отверстие 9. Мембрана 5 выполняет одновременно роль клапана.

На любом установившемся режиме работы, т. е. при постоян­ ном давлении Pi на входе в регулятор и постоянном расходе воз­ духа, действие давления р2 на выходе из регулятора на мембрану 5 командного механизма уравновешивается усилием пружины 6. При этом мембрана 5 приподнята над седлом 8. Воздух, проходя­ щий через отверстие седла, частично сбрасывается через дрос­ сельное отверстие 9 в атмосферу, а затем с давлением посту­ пает по трубке во внутреннюю полость сильфона 2 сервопривода. Величина рупр зависит от соотношения проходных сечений седла 8 и дросселя 9. Действие давления рупр на сильфон уравновеши­ вается пружиной 10, установленной между сильфоном и корпу­ сом. Каждому значению величины р ^ соответствует определен­ ная длина сильфона, а следовательно, положение заслонки 1 регу­ лирующего органа агрегата. При повышении, например, давления р2 мембрана 5 прогибается. Проходное сечение между седлом 8 увеличивается, повышается давление рупр, сильфон 2 расширяет­

Регуляторы давления воздуха в герметических кабинах

97

ся, поворачивает заслонку на закрытие. В результате выходное давление р2 уменьшается.

Так как изменение атмосферного давления воспринимается сильфоном 2 не только в форме управляющих сигналов от коман­ дного прибора, но и непосредственно, рассматриваемый регуля­ тор может быть отнесен по характеру реакции на данное возму­ щение к системам прямого действия.

В регуляторах абсолютного давления чувствительный элемент выполняется в виде герметичного объема — сильфона, из которого выкачан воздух до остаточного давления (133...0,133) • 10“^ Па (10~4...10-7 мм рт. ст.). Регуляторы избыточного давления приме­ няют в системах на начальном участке для защиты агрегатов сис­ темы от чрезмерных нагрузок. Регуляторы абсолютного давления, как правило, устанавливают, если необходимо обеспечить посто­ янный массовый расход воздуха.

Вопросы для самопроверки

Раздел 3.1

1.Какие параметры могут характеризовать герметичность?

2.Из каких соображений выбраны нормы герметичности?

3.Какими методами можно проверить герметичность кабины при наземных испытаниях?

4.Какими способами можно регулировать давление воздуха в герметической

кабине?

Раздел 3.2

1.Назовите источники наддува герметических кабин, применяемые на лета­ тельных аппаратах.

2.В каких пределах могут изменяться значения давления и температуры воз­ духа, отбираемого от компрессора ТВД в диапазоне высот от 0 до 12 км?

3.На какой из параметров воздуха (давление или температуру), отбираемого от компрессора, оказывает большее влияние изменение высоты полета?

4.Как зависят давление и температура воздуха, отбираемого от одной и той же ступени компрессора, от скорости полета?

5.Какие преимущества дает схема с отбором воздуха от разных ступеней ком­

прессора двигателя по сравнению со схемой с одной точкой отбора?

Раздел 3.3

1. Приведите пример программы регулирования давления воздуха в гермети­

ческой кабине для:
а) пассажирского самолета местных авиалиний (Атах = 6 км);
б) пассажирского самолета с большой дальностью полета ( hmax =11 км);
в) легкого маневренного самолета (Атах = 18 км).	?
2. Из каких соображений выбирается расчетное избыточное давление А

3.Возможно ли с помощью регуляторов прямого действия, приведенных на рис. 3.11, реализовать программы регулирования, предложенные Вами в ответе на вопрос 1?

4.Какие преимущества имеет регулятор комбинированного действия перед ре­ гуляторами прямого действия?

5.Существуют ли режимы работы регулятора давления (см. рис. 3.12), при ко­ торых возможно одновременное открытие клапанов За, 36 и 3в1

6.Объясните назначение сетевых регуляторов давления воздуха.

4 -11362

Глава 4

АВИАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА

4.1. ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ КАБИН И ОТСЕКОВ ЛА И ФАКТОРЫ, ЕГО ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ

Тепловое состояние оборудования или людей, находящихся на борту JIA, определяется одновременным воздействием несколь­ ких факторов в соответствии с имеющими место формами тепло­ обмена с окружающей средой: конвекцией, излучением, тепло­ проводностью и массообменом. Этими факторами в общем случае являются: температура воздуха, его подвижность, определяемая местными скоростями перемещения, его относительная влаж­ ность, а также температура поверхностей окружающих предметов. Естественно, что полная характеристика теплового режима вен­ тилируемых кабин и отсеков должна включать в себя всю сово­ купность перечисленных показателей.

Обычно задачу упрощают, принимая во внимание существую­ щие особенности и требования к СКВ. В частности, согласно действующим АП-25 для самолетов гражданской авиации опти­ мальная относительная влажность воздуха в кабинах экипажа ог­ раничена пределами от 40 до 60 %, скорость движения воздуха не должна быть больше 0,4 м/с, температура внутренней поверхнос­ ти стенок кабины не должна отличаться от температуры воздуха более чем на 3...5°С, перепад температур воздуха по длине, ши­ рине и высоте кабины не должен превосходить 2...3 °С. Из приве­ денных данных видно, что некоторые факторы, определяющие тепловой режим, могут рассматриваться как неизменные, а осталь­ ные связаны с температурой воздуха, заключенного в кабине. Кроме того, температура воздуха в большинстве случаев является основ­ ным, если не единственным, активно регулируемым с помощью СКВ параметром. Поэтому анализ всех тепловых воздействий, как правило, сосредоточивают только на воздухе кабины (отсека).

Для всей массы воздуха т заключенного в кабине, можно за­ писать уравнение теплового баланса:

Х0 = Cpttijf-dT/dx,

(4.1)

где XQ — алгебраическая сумма всех тепловых потоков в кабину

Тепловой режим кабин и отсеков ЛА и факторы, его определяющие 99

(отсек) в единицу времени; ср — удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении; dT/dx — производная температуры воздуха по времени.

При стационарном тепловом режиме

Е<2 = 0.

(4.2)

Иногда уравнением (4.2) можно пользоваться и для переход­ ных процессов, однако допустимость пренебрежения тепловым потоком, идущим на изменение теплосодержания воздуха каби­ ны, необходимо проверять. Например, для подогрева кабины объ­ емом 200 м3 на 20 °С за 20 мин требуется дополнительный тепло­ вой поток мощностью около 4,5 кВт только для нагрева собствен­ но воздуха, помимо тех затрат, которые необходимы для разогрева конструкции.

Вид и количество тепловых потоков, входящих в уравнение теплового баланса, определяются конкретными условиями тепло­ обмена. Применительно к кабинам самолетов и вертолетов на­ иболее характерными являются следующие тепловые потоки:

■тепловые потоки от стенок + QCT (тепловые потоки принима­ ются положительными, если тепло подводится к воздуху);

■тепло + Qn, выделяемое людьми (экипажем и пассажирами);

■тепловые потоки от оборудования + 0 об, размещенного внутри кабины или отсека;

■солнечное излучение + Qc, поступающее через остекленные участки стенок кабины (иллюминаторы, фонари и т. п);

■тепловые потоки ± 0инф, поступающие с воздухом, проника­ ющим через отверстия, щели и другие неплотности (только для негерметичных кабин);

■тепловые потоки ± 0Скв> поступающие от СКВ с вентилиру­ ющим воздухом.

С учетом произведенной расшифровки уравнение теплового

баланса (4.2) принимает вид

±Qcr ± 0 об + Qn + Qc ± бинф ± 0скв = 0-

(4.3)

Заметим, что балансовые соотношения (4.3) и (4.2) справедли­ вы как при наличии, так и при отсутствии теплового потока от СКВ. Разница состоит лишь в том, что баланс достигается в итоге при различных значениях температуры воздуха в кабине. Обеспе­ чение равновесия при заданном требованиями температурном уровне составляет в рассматриваемой постановке задачи един­ ственную функцию СКВ.

Естественным является стремление осуществлять кондицио­ нирование с минимальными затратами энергии. Как показывают расчеты, из всех слагаемых уравнения (4.3) наиболее существенным

4*

100 Авиационные системы кондиционирования воздуха

для потребной мощности СКВ является тепловой поток, поступа­ ющий или уходящий через стенки (при отсутствии теплоизоляции). Поэтому с целью уменьшения нагрузки на СКВ производится тепловая защита стенок кабин.

Снижение теплового потока через стенку при заданных усло­ виях на ее границах может быть достигнуто двумя принципиально отличающимися способами.

Наиболее простой способ — теплоизоляция стенок с помотттью слоя материала, имеющего низкий коэффициент теплопровод­ ности. Такой способ получил название пассивной теплозащиты.

Второй способ — активная теплозащита — заключается в том, что идущий через стенку тепловой поток частично передается ка­ кому-либо теплоносителю и вместе с ним уносится за пределы за­ щищаемого объекта. Примерами активной тепловой защиты мо­ гут служить заградительное охлаждение, использование уносимых теплозащитных покрытий и т.п. [57]. В самолетостроении в ка­ честве одного из видов активной теплозащиты используются так называемые обратные панельные системы.

Отличительным признаком панельных систем является нали­ чие проточных воздушных каналов в стенках кабины. Существуют различные конструктивные варианты панельных систем. Среди них, в частности, можно выделить две группы, отличающиеся друг от друга способом подвода воздуха в кабину (рис. 4.1). В од­ ном варианте воздух от распределительных коробов СКВ подается вначале в каналы панелей, а пройдя их, поступает в кабину (см. рис. 4.1, а). В другом варианте воздух из распределительных ко­ робов подается непосредственно в кабину, а выпускается через панели (см. рис. 4.1, б). Первую схему называют прямой панельной системой, вторую — обратной панельной системой.

Незначительные на первый взгляд отличия между прямой и об­ ратной панельными системами приводят к коренному изменению выполняемой ими роли: в итоге функция активной тепловой за­ щиты оказывается присущей только обратным панельным систе­ мам. Действительно, в этом случае воздух, выходящий из кабины, протекает по каналам панелей, «перехватывает» часть теплового потока и сбрасывается через выпускные клапаны в атмосферу.

В прямых панельных системах все «перехваченное» тепло вместе с воздухом поступает в кабину. Вследствие этого по теп­ лозащитным свойствам такие системы имеют даже худшие харак­ теристики, чем тот слой теплоизоляции, который отделяет воз­ душный канал от наружной обшивки. Указанное ухудшение свя­ зано с увеличением коэффициента теплоотдачи от внутренней поверхности теплоизоляции, вызванным большими скоростями протекания воздуха по каналу по сравнению со скоростью, обус­ ловливаемой естественной конвекцией. Данная особенность пря-