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

Основные элементы СКВ, их устройство и принцип действия

131

Подставляя в (4.22) выражение (4.21), имеем

	Лтх =	*0-	Т2
		С	1 - к \
		0 1 - п тк
		V	J

или

I

'	1 -	к '
1 Лтх	1 —п т к	(4.23)
V

Реальные ТХ имеют ц от 0,4 до 0,9. Малые значения КПД от­ носятся к ТХ с расходом воздуха 50 кг/ч, а большие значения КПД — к агрегатам с расходом более 2400 кг/ч. На рис. 4.16 по­ казан график изменения температуры воздуха на выходе из ТХ

взависимости от степени расширения и КПД при сухом воздухе.

Вдействительности, в современных СКВ из-за влажности атмос­ ферного воздуха на ТХ достигаются меньшие перепады темпера­ тур. При определенных величинах абсолютного влагосодержания воздуха и эффективности теплообменников СКВ на выходе из ТХ

образуется туман, состоящий из капель сконденсировавшейся в турбине влаги. При дальнейшем охлаждении воздуха может про­ изойти обледенение внутренней поверхности трубы или даже ло­

	паток колеса турбины, которое приведет к уменьшению расхода
	воздуха, повышению противодавления и
	может явиться причиной разрушения ТХ.	е,°о
	В сопловом аппарате происходит раз­
			\
	гон струи газа — превращение потенци­
		во »\
	альной энергии газа в кинетическую, а на	во	\\
	рабочем колесе — преобразование кине­		\
	тической энергии в работу. Преобразова­	оо	\
	ние кинетической энергии происходит за	го	\	?1Х-0,5
	счет поворота потока в межлопаточных	о	i \ \ 0
	каналах рабочего колеса и создания при			?	1 п>'£i
	этом равнодействующей силы, вращаю­	-го	\
	щей колесо турбины.	-оо	\	V
				ч
	При соответствующем профилирова­	-во			К 1
	нии межлопаточных каналов рабочего ко­				ч
	леса в них может происходить не только				\ Ч
	поворот, но и дальнейший дополнитель­
	ный разгон потока. В этом случае часть	Рис. 4.16. Зависимость
	силы, возникающей на лопатках рабочего
		температуры воздуха на
	колеса, создается за счет реакции ускоря­	выходе из ТХ от степени
	емой струи. Такие турбины получили на-	расширения и КПД

5*

132	Авиационные системы кондиционирования воздуха

Рис. 4.17. Схема про­ точной части радиаль­ ной ступени 1л:

а — характер изменения давления, температуры и скорости в проточной час­ ти активной ступени; б — характер изменения давле­ ния, температуры и скоро­ сти в проточной части ре­ активной ступени; 1 — улитка входной части; 2 — сопловой аппарат; 3 — ра­ бочие лопатки колеса; 4 — колесо турбины; 5 — вы­ ходной патрубок; с0 — аб­ солютная скорость на вхо­ де в сопловой аппарат; q —

абсолютная скорость на выходе из соплового ап­ парата; с1ы— окружная составляющая скорости на выходе; с1а— осевая составляющая скорости на выходе; и1 — окружная скорость на входе;

— относительная скорость на входе в ко­ лесо; 2 — относительная скорость на выходе из колеса; с2— абсолютная скорость на выходе из колеса; и2 — окружная скорость на выходе

звание реактивных в отличие от активных, в которых в межлопаточных каналах рабочего колеса осуществляется только поворот потока, а модуль скорости остается неизменным.

На рис. 4.17 показаны конструкция проточной части радиаль­ ной турбины и изменение параметров воздуха вдоль потока. Дав­ ление и температура воздуха во входном патрубке соответствуют полному давлению р01 и температуре заторможенного потока Г01. Затем в сопловом аппарате активной турбины давление и темпе­ ратура уменьшаются, достигая на срезе сопла минимальных зна­ чений, а абсолютная скорость q принимает максимальное зна­ чение.

Основные элементы СКВ, их устройство и принцип действия

133

В реактивной турбине в сопловом направляющем аппарате срабатывается только часть тепла, распределение располагаемого перепада тепла между сопловым аппаратом и рабочим колесом оценивается степенью реактивности рр, равной отношению пере­ пада тепла в рабочем колесе к полному перепаду тепла в ступени турбины. Турбохолодильники авиационных СКВ имеют р„ =

=0,1...0,5.

Вреактивной ступени получается несколько больший КПД, чем в активной, за счет относительно меньших скоростей на вы­ ходе из соплового аппарата и в каналах рабочего колеса, что при­ водит к уменьшению потерь энергии.

Для загрузки ТХ к вентилятору подводится атмосферный воздух.

Другим способом отвода энергии от турбины является уста­ новка вместо вентилятора компрессора. Компрессор поджимает кабинный воздух, используя получаемую от турбины мощность. Воздух, пройдя компрессор, нагревается практически на тот же

перепад температур, на который охлаждается в турбине (ATK = = ДГТ). Поэтому между компрессором и турбиной устанавливают теплообменники: воздухо-воздушный, топливовоздушный или испарительный. Эти ТО усложняют СКВ, увеличивают массу системы.

Холодопроизводительность системы определяется расходом и температурой воздуха на выходе из ТХ. И тот и другой параметр являются функцией давления на входе в агрегат.

Для поддержания постоянного расхода применяют ТХ с регу­ лируемым (например, поворотным) сопловым аппаратом.

РЕГУЛЯТОРЫ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В КАБИНЕ

Регулирование температуры воздуха в кабине происходит в ре­ зультате изменения температуры подаваемого в кабину воздуха при относительно постоянном расходе. Схемы возможных систем регулирования показаны на рис. 4.18.

Регулирование температуры воздуха в кабине происходит сле­ дующим образом: воздух от компрессора делится на две линии — горячую и холодную. В горячей линии воздух в зависимости от температуры воздуха компрессора или частично охлаждается, или подогревается и через регулятор расхода поступает в общий тру­ бопровод. В холодной линии воздух охлаждается и также посту­ пает в общий трубопровод, где смешивается с горячим воздухом. Пропорции горячего и холодного воздуха определяются положе­ ниями заслонок распределителя в схеме а, смесителя воздуха в схемах б и г, которые управляются приводом по команде датчи­ ка температуры. В схеме в в кабину подается постоянно холодный воздух, а нужная температура обеспечивается подмешиванием

134	Авиационные системы кондиционирования воздуха

Рис. 4.18. Схемы систем регулирования температуры воздуха в ГК:

а — схема с распределителем воздуха; б — схема со смесителем воздуха; в — схема с одно­ канальной заслонкой; г — схема с раздельным вводом горячего и холодного воздуха; 1 — воз­ дух от двигателя; 2 — распределитель воздуха; 3 — агрегаты «горячей линии»; 4 — ОК; 5 — выход воздуха в кабину; 6 — датчик температуры; 7 — ГК; 8 — регулятор температуры; 9 — агрегаты «холодной линии»; 10 — отбор холодного воздуха для создания микроклимата; 11, 13 — смесители; 12 — одноканальная заслонка

к нему горячего воздуха с помощью заслонки регулятора темпе­ ратуры. В некоторых случаях для рационального использования холодного или горячего воздуха (холодный воздух — для создания вокруг человека микроклимата, горячий воздух — для защиты ос­ текления от запотевания) в качестве смесителя используется сама кабина (схема г).

Распределитель или смеситель регулятора температуры пред­ ставляет собой агрегат с двумя заслонками, синхронно связанны­ ми между собой рычагами и управляемыми электроили пневмо­ механизмом.

На рис. 4.19 показана конструкция смесителя воздуха с элект­ ромеханизмом. Работа регулятора температуры воздуха в кабине происходит следующим образом: при отклонении температуры воздуха в ГК биметаллическая спираль изменяет угол закрутки, замыкая электрический контакт, и электрический ток после уси­ ления поступает на обмотку электродвигателя, который повора­ чивает заслонки. Поворот заслонок изменяет расходы горячего и холодного воздуха и приводит к изменению температуры воз­ духа ГК.

В связи с большой инерционностью биметаллического термо­ датчика в настоящее время подобные регуляторы температуры за­ меняются на электронные регуляторы.

Основные элементы СКВ, их устройство и принцип действия

135

Рис. 4.19. Смеситель воздуха с электромеханизмом:

1 — заслонка холодной линии; 2 — корпус; 3,14 — оси; 4 — втулка; 5, 11, 13 — рычаги; 6, 10, 12 — тяги; 7 — пружина; 8 — качалка; 9 — электромеханизм; 15 — заслонка; 16 — дренажный штуцер

ВЛАГООТДЕЛИТЕПИ

В воздухе, поступающем в ГК, при полете на малой высоте после его охлаждения в ТО и ТХ влага содержится в парообразном и капельном состоянии. Капельная жидкость в одних случаях осе­ дает на стенках трубопроводов, в блоках оборудования и может вызывать отказ аппаратуры, в других случаях создает в кабине ту­ ман, затрудняющий экипажу самолета пилотирование, или вызы­ вает неприятные ощущения у пассажиров. Для удаления этой ка­ пельной влаги в СКВ устанавливают влагоотделители.

Сложность применения механических влагоотделителей в СКВ заключается в малых размерах (до 10 мкм) капель влаги. Эти кап­ ли не отделяются центробежными силами и их необходимо коа­ гулировать (укрупнять) до размеров 30...50 мкм.

136	Авиационные системы кондиционирования воздуха

Рис. 4.20. Схема влагоотделителя:

1 — входной фланец; 2 — коагулятор; 3 — закручивающий винт; 4 — сепарационный канал; 5 — водоловушка; 6 — возвратная трубка; 7 — выходной фланец; 8 — дренажный штуцер; 9 — кольцевой зазор; 10 — предохранительный клапан

На входе во влагоотделитель устанавливается коагулятор из мелкоячеистой сетки (фетр), в порах которого капли задержива­ ются. Так образуется пленка жидкости, и с нее затем воздушным потоком срываются укрупненные капли.

На рис. 4.20 показана схема такого типа влагоотделителя. Кроме описанной конструкции встречаются влагоотделители

с вращающимся сепаратором, в которых отделение происходит вследствие прилипания капель воды к лопастям вращающегося сепаратора и образования пленки жидкости на поверхности, ко­ торая стекает затем в водосборник.

УВЛАЖНИТЕЛИ ВОЗДУХА

На больших высотах атмосферный воздух становится практи­ чески сухим. Длительные полеты вызывают неприятное ощуще­ ние сухости и приводят к заболеваниям гортани. Поэтому на не­ которых самолетах в СКВ устанавливаются увлажнители воздуха.

В увлажнителях воздуха парогенераторного типа вода в виде пара поступает в воздух. Электроувлажнители в СКВ применяют­ ся редко, так как при испарении воды в кипятильниках пар по­ лучает неприятный специфический запах.

Основные элементы СКВ, их устройство и принцип действия

137

Рис. 4.21. Форсуночный увлажнитель:

1 — фланец; 2 — штуцер подвода воды; 3 — чека; 4 — кольцо; 5 — выходной фланец; 6 — стяжной винт; 7 — сетка; 8 — корпус; 9 — форсунки

Большое распространение получили конструкции испаритель­ ных увлажнителей с пневматическим распылением воды непос­ редственно в увлажняемом воздухе. На рис. 4.21 показано уст­ ройство, состоящее из трубки Вентури, в горловине которой уста­ новлены форсунки 9, дозирующие и распыляющие воду в потоке воздуха. Неиспарившаяся вода попадает на решетки 7 и испаря­ ется дополнительно.

ФИЛЬТРЫ

Атмосферный воздух, подаваемый в кабину и загрязненный взвешенными в нем твердыми частицами (пылью) размером от долей до десятков микрон, называется аэрозолем. К грубодисперсным аэрозолям относятся смеси с размером частиц от 1 до 100 мкм, к высокодисперсным — с размером менее 1 мкм.

Если, попадая в кабину вместе с воздухом, пыль просто загряз­ няет кабину, то, осаждаясь на деталях электрорадиооборудования, аэрозоли изменяют параметры оборудования, что недопустимо. Поэтому в современных СКВ аэрозольный фильтр считается обя­ зательным.

В настоящее время разработаны специальные фильтрующие материалы, очищающие воздух от высокодисперсных аэрозолей. Эти материалы изготавливаются из ультратонких волокон полиа­ крилата, а также из стеклянных и базальтовых волокон и предна­ значены для фильтров, работающих соответственно при темпера­ туре до 250 и 450...600°С.

138	Авиационные системы кондиционирования воздуха

ВОЗДУХОПРОВОДЫ

На пассажирских самолетах общая длина воздухопроводов СКВ достигает нескольких сот метров, а масса — 500...600 кг. В процентном отношении масса воздухопроводов составляет 40...50% массы всей системы. Воздухопроводы системы располага­ ются в гондолах двигателей, центроплане, проходят по пассажир­ ским салонам, кабине экипажа. Трубы диаметром от 4 до 200 мм обеспечивают транспортировку воздуха с температурами от —40 до +600 °С и давлением до 2,5 МПа.

В основе проектирования воздухопровода лежат следующие положения:

■он должен быть легким, надежным в эксплуатации в течение всего технического ресурса самолета;

■его геометрические размеры (диаметр и конфигурация) долж­ ны обеспечивать допустимое гидравлическое сопротивление;

■должна обеспечиваться современная технология изготовления (автоматическая сварка, цельнотянутые трубы и т. п.) и монта­ жа (взаимозаменяемость отдельных участков); компенсация температурных расширений и деформаций мест крепления на JIA, герметичность воздухопровода.

Воздухопроводы изготавливаются из алюминиевых сплавов АМг или АМц, из стали Х18Н9Т, титановых сплавов ОТ4 или из армированных неметаллов.

Весь воздухопровод можно условно разбить на три участка (табл. 4.1).

Для обеспечения минимальных масс труб желательно повы­ шать скорость движения воздуха, но при этом растет гидравли­ ческое сопротивление, повышаются шумы и вибрации воздухо­ проводов. На основании опыта эксплуатации воздухопроводов можно рекомендовать следующие предельные скорости воздуха:

■для воздухопроводов внутри кабин на пассажирских самолетах 15...20 м/с, для маневренных самолетов до 30 м/с;

Таблица 4.1

	Участки магистрали СКВ
		Участок системы
Параметр	от компрессора		от ТХ до кабин
	до первичного	от ВВТ до ТХ
			и внутри кабин
	узла охлаждения
Температура, °С	150...600	50...200	—40...+15
Давление, МПа	0,2...2,6	0,2...0,9	0,20...0,04
Материал	Х18Н9Т	ОТ4, АМг	АМг, неметалл

Основные элементы СКВ, их устройство и принцип действия

139

■ для воздухопроводов вне кабин до 100 м/с;

ядля воздухопроводов вспомогательных устройств (продува ВВТ, загрузки ТХ) на отдельных режимах полета до 300 м/с и выше.

Нагрузки, воздействующие на воздухопровод, возникают от внутреннего давления, монтажных и температурных деформаций, сосредоточенных масс (стыки труб, агрегаты), знакопеременных нагрузок при пульсации движущейся среды, вибраций объекта и т.п.

Толщина стенок труб выбирается из прочностных расчетов по допустимому напряжению материалов при максимальной эксплу­ атационной температуре стенки.

Для применяемых в СКВ диаметров, материалов воздухопро­ водов с учетом температур и давлений воздуха толщина стенки трубы в основном определяется технологией изготовления возду­ хопровода, в частности возможностями сварки. Исходя из этого толщина стенки для воздухопровода из материала Х18Н9Т состав­ ляет 0,6...0,8 мм, из ОТ4 — 0,8... 1 мм, из алюминиевых сплавов — 1 ...1,2 мм.

Монтажные напряжения часто возникают в воздухопроводах из-за неточности изготовления патрубков воздухопровода, для компенсации которых применяются технологические компенса­ торы в виде сильфонов, специальные фланцевые стыки или про­ резиненные муфты. В полете воздухопроводы при прохождении по ним горячего воздуха разогреваются до 500...600 °С и удлиня­ ются. Эти удлинения достигают на каждый метр длины стального трубопровода 1,74 мм, титановой трубы — 0,96 мм и алюминие­ вой — 2,5 мм на каждые 100 °С нагрева. Поэтому в конструкциях должны быть предусмотрены температурные компенсаторы.

На рис. 4.22 показаны применяющиеся в СКВ типовые конс­ трукции соединений воздухопроводов между собой и с агрегата­ ми. В стыке типа I к концам труб приварены фланцы, между ко­ торыми установлена резиновая или паронитовая прокладка, сна­ ружи фланцы имеют конусные поверхности, которые обжимаются и стягиваются хомутом. Стык применяется во всем диапазоне температур и давлений, нормализован, но технологической ком­ пенсации не обеспечивает. Стык типа II — ограниченно подвиж­ ное соединение, он применяется в воздухопроводах с температу­ рой до 150... 180°С. Уплотнение осуществляется кольцами из ре­ зиноподобных смесей, которые и ограничивают температуру применения. Эта конструкция стыка хорошо компенсирует мон­ тажные неточности.

На рис. 4.22, VI и VIII показаны конструкции стыков возду­ хопроводов с малым давлением и температурой до +80 °С. Стыки допускают значительную несоосность патрубков.

140	Авиационные системы кондиционирования воздуха

Ш

Ж

Ш

Рис. 4.22. Типовые соединения трубопроводов:

I — фланцевое соединение хомутом; II — ограниченно подвижное соединение; III — соеди­ нение трубопроводов сильфоном; IV — самоцентрирующееся легкоразъемное соединение; V — телескопическое соединение; VI — соединение гофрированным резиновым патрубком; VII — ниппельное соединение по внутреннему конусу; VIII — соединение резиновым пат­ рубком; IX — соединение со сферическим компенсатором; 1 — гайка; 2, 3 — уплотняющие вкладыши; 4 — пружинный вкладыш; 5 — корпус; б — сферический наконечник; X — ти­ повое крепление трубопроводов к конструкции