飞机环控系统引气分系统动态性能分析.docx

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飞机环控系统引气分系统动态性能分析

1997年10月第23卷第5期　　　

北京航空航天大学学报

JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics

October　1997

Vol.23　No.5

飞机环控系统引气分系统动态性能分析

宋俊九虎　　林贵平　　袁修干　　张成宽

（北京航空航天大学飞行器设计与应用力学系

　　摘　要　对某型飞机的环控系统引气部分进行了动态性能分析,并作了实验研究.实验结果表明,模型计算值和实验值符合较好,该模型对环控系统引气分系统有很好的实用价值.

关键词　飞机系统;环境控制;动态性能

分类号　V245.4

符号表

　　T——温度

F——换热面积

a——无量纲参数

Ph——大气压力

Cp——气体比热

M——质量　　G——流量

u,v——气流速度

L,W——单元x及y方向尺寸

Pc——出口压力

L0——控制腔弹簧预压缩量

h——换热系数

　　t——时间

x——主活门开度

y——控制活门开度

Pr——进口压力

G——翅片效率

C——比热

　　下标

r——热边

l——冷边　

k——控制腔

w——壁面

out——出口值

in——进口值

1　引气分系统简介

飞机的引气分系统指的是从引气口开始,对引气进行初步的温度和压力处理的部分.本文研究的某型飞机的引气分系统包括了初级热交换器和绝对压力调节器,其中初级热交换器为双程叉流式热交换器.引气经过初级热交换器预冷却,然后由绝对压力调节器将压力调节到一个确定的值.由分系统出口的气体再经过一系列处理,如除水、加压、降温等,然后流向座舱.

2　热交换器的动态研究

2.1　参数集结方程推导

本文对热交换器采用了参数集结的方法,主要是因为这种方法计算程序简单,适合于系统分析的需要.参数集结法利用的是能量守恒原理,下面简述其原理.

图1为一个典型的热交换器单元热力模型.在建立它的能量方程时作了如下假设:

1流动气体是一维的;

2忽略气体与壁面的纵向热传导;

3忽略热交换器壁面热阻,并认为热交换器与环境绝热;

　收稿日期:

　1997-04-18第一作者　男　24岁　博士生　100083　北京

图1　单元热力模型简图

　　4假定每个单元壁面温度只是时间的函数.

于是可以用以下三个能量方程描述图1所示单元的动态数学模型

GCpLur5

Tr5t+（GCpLr5Tr5x

=（hGFr（Tw-Tr

（1

GCpWv

l

5Tl5t+（GCpWl5Tl

5y

=（hGFl（Tw-Tl（2

MCw

dTwdt

=（hGFr（T-r-Tw+（hGFl（T-l-Tw（3

式中　T

-r和T-l分别为单元内冷热流体的平均温度.因为气体的流速很大,方程中第一项可以忽略不计.则方程（1和（2可写成

（GCpLr5Tr

5x=（hGFr（Tw-Tr

（4（GCpWl5Tl

5y

=（hGFl（Tw-Tl

（5

引入参数n=xL;m=y

W;ar=（hGFr（GCpr;al=

（hGFl（GCpl则方程（4变成5Tr

5n

=ar（Tw-Tr（6解上述方程有

Tr（n,t=Tw（n,t+（Tr（0,t-Tw（n,te-arn

（7

式中　Tr（0,t为热边热空气进口温度.

第一单元热边平均温度和出口气体温度分别为

T-r=

∫1

0Tr（n,tdn=Tw（1,t+（Tr（0,t-Tw（1,t1-e-ar

ar

（8Tr（1,t=Tw（1,t+（Tr（0,t-Tw（1,te

-a

r

（9

同理可得冷边气体第一单元平均温度和出口温度

T-l=

∫

1

0Tl（m,tdm=Tw（1,t+（Tl（0,t-Tw（1,t1-e-alal（10Tl（1,t=Tw（1,t+（Tl（0,t-Tw（1,te-al

（11

式中　Tl（0,t为冷边冷空气进口温度.

最后将所得方程代入（3中有

dTw（1,tdt=（GCprMCw

（Tr（0,t-Tw（1,t（1-e-a

r+（GCpl

MCw

（Tl（0,t-Tw（1,t（1-e-al（12

2.2　双流程叉流式热交换器的计算

对于双流程叉流式热交换器,推导过程还需作如下假设:

1第一流程热边单元出口温度充分混合,平均值为第二流程两单元热边进口参数;

561

　第5期宋俊九虎等:

飞机环控系统引气分系统动态性能分析

2第二流程两单元冷边出口参数为第一流程两单元入口参数.

图2　八单元参数集结原理图

图2是双流程热交换器的八单元参数集结计算原理图.第i个单元的壁面温度定义为y[i].则由方程（12可以得到8个壁面方程为dy[i]dt=（GCpr（MCw

（Trin[i]-y[i]（1-e-ar+（GCpl（MCw

（Tlin[i]-y[i]（1-e-a

l（14其中　i=0,1,2,3,4,5,6,7;Trin[i]为每个单元热边进口温度;Tlin[i]为每个单元冷边进口温度.

设单元的冷热边出口温度用Tlout[i]和

Trout[i]表示,它们可以由公式（9、（11得出.

Trout[0]=y[0]+（Trin-y[0]e-ar（14

Tlout[0]=y[0]+（Tlout[1]-y[0]e

-a

l

（15

　　这样,每个双流程热交换器方程可以由8个壁面非线性方程及相应的冷热边气体平均温度

和入口温度组成.整个热交换器出口温度由下式给出:

Trout=0.5（Trout[6]+Trout[7]

（16Tlout=0.5（Tlout[0]+Tlout[2]

（17

控制机构:

1.二位三通开关;2.电磁铁;3.调压活门

执行机构:

4.反馈管;5.主活门;6.动密封环

7.整流罩;8.壳体

图3　压力调节器示意图

3　绝对压力调节器的动态研究

3.1　工作原理

引气分系统中的绝对压力调节器,主要起限制压力的作用,当引气压力过高时,它将其降低到一个相对稳定的值.图3是压力调节器的一个典型结构示意图,它主要由控制机构和执行机构两大部分组成.

当线圈不通电时,二位三通开关处于打开状态,控制气路接通.主活门在B腔基准压力、A腔反压力、作用在凸缘上的入口压力和出口压力这几个力的作用下移动,从而改变流通面积,以保持出口压力为调定的恒定值.当线圈通电时,在电磁铁的作用下二位三通关断入口到调压活门的通道,同时将调压活门与大气相通,执行机构的B腔也经调压活门与大气相通而泄压,主活门在A腔的反压作用下迅速移动而关断主通道,最终由作用在凸缘上的入口压力将主活门压紧在主活门座上,从而关断引气.

3.2　动态方程组

通过对控制腔、控制活门、出口压力腔、主

562

北京航空航天大学学报第23卷　

活门分别利用流量连续和力平衡进行分析,可以得到一组微分方程[1].

4　实验研究

进行了入口温度的阶跃和斜坡输入实验,得出了出口温度的动态响应.图4和图5分别列出了两组实验结果,同时列出了模型的计算结果,从图中可以看出,计算曲线和实验曲线很接近,利用该模型可以准确计算分系统的温度动态延迟

.

图4　温度阶跃输入图5　温度斜坡输入

　　　　　图6　压力阶跃输入计算结果

图7　压力斜坡输入计算结果

4.2　压力动态响应

563

　第5期宋俊九虎等:

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564北京航空航天大学学报第23卷　是正确的.

5　结　论

本文建立了环控系统引气分系统的模型,实验结果验证了模型的正确性,本文的结果可用于环控系统引气部分的分析.其中热交换器的参数集结法,也可以用于其它系统中的热交换器分析和研究.

参　考　文　献

1　宋俊九虎.飞机引气分系统动态特性研究:

[学位论文].北京:

北京航空航天大学飞行器设计与应用力学系,1997

TRANSIENTPERFORMANCESOFAIR-BLEEDINGPARTOFENVIRONMENTALCONTROLSYSTEM

SongJunxiao　LinGuiping　YuanXiugan　ZhangChengkuan（BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Dept.ofFlightVehicleDesignandAppliedMechanics

ABSTRACT

Thedynamicperformanceofair-bleedingpartofECS（EnvironmentalControlSystemhasbeenstudiedbyestablishingitsdynamicmodel.Themodelisverifiedbyexperimentre-sults.TheresultsofthispaperhavegoodpracticalvalueintheresearchofECS.

Keywords　aircraftsystems;environmentalcontrol;dynamicproperties