Матвеенко А.М. (ред.) - Системы оборудования летательных аппаратов - 2005
.pdfГерметические кабины |
81 |
ром) воздух подается через кран в кабину. При достижении в ка бине избыточного давления на 5...10% больше заданного кран герметично закрывают и замеряют время падения давления до ус тановленной величины.
Так как т* = 0, то
At* |
dpv |
Wv |
Ар Wv |
(3 12) |
= —- |
— — « —- — — |
|||
У* |
dx |
R*TK |
Ат R*TK |
У } |
Обычно по заданным нормам величины утечки воздуха с по мощью уравнения (3.11) определяется минимальное время паде ния давления, и если полученное время больше вычисленного, то кабина считается герметичной.
Необходимо отметить, что величина утечки воздуха, опреде ленная в наземных условиях, выше, чем определенная на высоте. Это связано с изменением характера истечения и меньшей плот ностью воздуха. Действительную величину утечки в этом случае можно определить пересчетом по приведенным ранее формулам.
Степень герметичности кабины можно проверить также по по казаниям вариометра 6 (см. рис. 3.4).
Действительно, как видно из уравнения (3.4),
dp^/dx ^■^к<§ут’
В то же время известно, что показания пневматического ва риометра связаны со скоростью изменения давления соотноше нием
d p jd x
К = -
Рg
где р - плотность воздуха; g — ускорение свободного падения.
Следовательно,
vvpg = VypKg
£ут
(-R T K)2
Для приведенных выше норм удельной утечки воздуха (6... 10
и4 кг/(ч • м3)) расчет по данному уравнению позволяет опреде лить следующие «нормативные» показания вариометра: 7,3... 12,2
и4,9 м/с. В условиях эксперимента показания вариометра 6 не должны быть больше нормативных.
82 Регулирование давления воздуха вгерметических кабинах и отсеках JIA
СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ ВОЗДУХА В ГК
Поддержание в ГК определенного давления обеспечивается подачей в отсеки предварительно сжатого воздуха.
Возможны следующие способы регулирования давления воз духа в отсеках и кабинах JIA:
а) способ компенсации утечек путем изменения количества воз духа, подаваемого в герметичный объем;
б) способ вентиляции кабины путем изменения количества вы пускаемого из кабины воздуха при обеспечении подач его в ка бину в достаточном количестве.
По первому способу осуществляется наддув небольших по объему герметичных отсеков, блоков радиоэлектронного обору дования или кабин JIA специального назначения, когда наддув происходит от автономных систем. Этот способ обеспечивает на иболее рациональное использование запаса газа для наддува гер мообъемов (рис. 3.5, а).
На самолетах для наддува ГК применяется только второй спо соб, так как подаваемый воздух предназначен не только для регу лирования давления, но и для обеспечения в кабине температур ного режима и требуемого газового состава. При этом способе наддува регулятор давления устанавливается перед выходным от верстием. Воздух от источника наддува, пройдя СКВ, поступает в кабину, создает необходимое избыточное давление, часть воз духа через неплотности вытекает из кабины (утечки воздуха), а ос тальное количество воздуха регуляторы перепускают в атмосферу (см. рис. 3.5, б).
Основным требованием, предъявляемым к системам регулиро вания давления, является автоматическое поддержание величин абсолютного и избыточного давлений в кабинах и скорости изме нения давления в допустимых пределах.
б)
Рис. 3.5. Способы регулирования давления в ГК:
а — регулирование количества подаваемого воздуха; 6 — регулирование количества выпус каемого воздуха
Источники надцува герметических кабин |
83 |
Для пассажирских самолетов предусматривается дублирование регуляторов давления, с тем чтобы при единичном отказе любого элемента системы в салоне пассажирского самолета обеспечива лось заданное давление. Для военного самолета этого не требует ся, так как летчик снабжен индивидуальной системой обеспече ния жизнедеятельности.
3.2. ИСТОЧНИКИ НАДДУВА ГЕРМЕТИЧЕСКИХ КАБИН
Под «наддувом кабины» принято понимать процесс создания в ней избыточного давления. Избыточное давление в ГК обеспе чивается подачей воздуха через СКВ от источников сжатого воз духа, в качестве которых на JIA могут быть использованы баллоны со сжатым или сжиженным газом, химические генераторы, спе циальные нагнетатели с автономным приводом или от самолет ных двигателей, компрессор газотурбинного двигателя (ГТД).
Баллоны со сжатым воздухом или газификатор со сжиженным газом имеют большие габаритные размеры и массы, сложны в эксплуатации и применяются крайне редко на специальных JIA. Наддув от специальных кабинных нагнетателей используется только на самолетах с поршневыми двигателями и в настоящее время применяется редко.
На современных пассажирских и военных самолетах преобла дает наддув ГК от компрессоров маршевых двигателей самолета. Для этого патрубки отбора через обратные клапаны (иногда регу ляторы давления) объединяются в один или несколько трубопро водов, и через систему кондиционирования воздух направляется в кабину. Схемы отбора воздуха изображены на рис. 3.6.
Источники наддува должны обеспечивать:
■заданный расход воздуха для вентиляции и поддержания тем пературного режима в кабинах;
■давление воздуха перед агрегатами СКВ, необходимое для их нормальной работы;
■температуру воздуха, которая должна быть достаточной для обог рева кабины, но не должна превышать некоторого допустимого предела, определяемого работоспособностью агрегатов системы.
Расход воздуха, отбираемого от компрессора двигателя, оказы вает некоторое влияние на характеристики двигателя.
Считается допустимым отбор воздуха для нужд СКВ до 5 % от общего расхода воздуха через двигатель. Так, например, для маневренного самолета для обеспечения охлаждения (нагрева) ка бины и охлаждения радиоэлектронного оборудования нужен рас-
84 Регулирование давления воздуха в герметических кабинах и отсекахJIA
0 |
-------- |
1 / |
|
Хстулвнь |
if. |
||
FGmunm№ |
<•>— < |
||
|
В СКВ |
||
|
|
||
0 |
- ^ t |
|
|
f l ®
В СКВ
а)
D
Рис. 3.6. Типовые схемы отбора воздуха от компрессоров двигателей:
а — от одного двигателя и двух ступеней; б — от двух и более двигателей; в — от четырех дви гателей с двумя сетевыми регуляторами давления; 1 — фланец отбора воздуха; 2 — обратный клапан; 3 — регулятор избыточного давления; 4 — запорный кран; 5 — предохранительный и запорный клапаны
ход воздуха в количестве 1000...2000 кг/ч или 0,3...0,6 кг/с, что со ставляет около 0,5 % от расхода через двигатель (80... 150 кг/с).
Хуже обстоят дела на больших пассажирских самолетах-аэро бусах, на которых для нужд СКВ расход воздуха увеличивается в 10... 15 раз. На этих самолетах используют системы с частичной ре циркуляцией кабинного воздуха.
Давление и температура отбираемого от компрессора воздуха зависят от скорости и высоты полета, от температуры атмосфер ного воздуха.
На рис. 3.7 приведены типовые параметры воздуха, отбираемого от компрессора турбовинтового двигателя (ТВД), а на рис. 3.8 — от компрессора турбореактивного двигателя (ТРД). Параметры воздуха, отбираемого от компрессора ТВД, зависят только от вы соты полета, так как частота вращения ротора компрессора прак тически постоянна, а изменение тяги двигателя происходит за счет изменения угла установки лопастей воздушного винта.
Из рис. 3.8 видно, что параметры воздуха, отбираемого от ком прессора ТРД, в большей мере зависят от высоты, скорости по лета и частоты вращения ротора. Для каждого двигателя имеются графики р и Т в функции частоты вращения ротора. Снижение частоты вращения ротора до 0,8яном снижает давление воздуха в 1,4 раза, а перевод двигателя на режим малого газа — в 2 раза от значения давления при яном. Таким образом, при полете само лета давление воздуха изменяется от 1,5...2,0 до 0,2...0,3 МПа, что значительно затрудняет работу СКВ. Для устранения этих коле баний на входе в систему устанавливаются регуляторы избыто чного давления, назначение которых — поддерживать на входе
Источники наддува герметических кабин |
85 |
рн, мпа
1
го
|
|
|
|
|
- 600 |
|
|
ч . |
3 ь |
|
|
Об |
|
|
|
550 |
|
V |
|
— |
500 |
||
04 |
|
||||
з — |
|
|
|
050 |
|
о,гО |
|
|
|
|
|
О |
8 |
■ Р к |
■ |
||
1Z |
Ь,км |
||||
Рис. 3.7. Типовые температура и давление воздуха в месте отбора воздуха за компрессо ром ТВД:
1 — при th =о = ~ 5 0 °С; 2 — при th =0 = + 1 5 °С; 3 —
при /Л = о = + 5 0 °С
Рис. 3.8. Типовые температуры и давление воздуха в месте отбора воздуха от 10-й ступени компрес сора ТРД:
1 — h = 0; 2 — А = 8 км; 3 — h = 11 км
в СКВ заданное давление воздуха. Регулятор давления совместно с регулятором расхода осуществляет поддержание постоянного значения массового расхода воздуха.
Температура отбираемого от компрессора воздуха также изме няется в широких пределах — от 350 до 900 К и при полетах на больших высотах и режимах планирования иногда недостаточна для обогрева кабины. В связи с этим, кроме установки регулятора давления часто практикуют отбор воздуха от двух ступеней ком прессора двигателя. Причем отбор воздуха от низшей ступени происходит на режимах взлета, набора высоты, разгона, когда ра ботает двигатель на максимальных режимах, и автоматически пе реключается на отбор за более высокой ступенью на менее на пряженных режимах работы двигателя. На рис. 3.6, а изображена такая схема, в которой питание СКВ происходит от низшей сту пени до тех пор, пока давление в месте отбора будет выше, чем давление за регулятором второй ступени, если давление в первой ступени станет меньше, чем за регулятором, то регулятор откро ется и увеличенным давлением закроет обратный клапан (ОК) низшей ступени. Воздух с большими давлением и температурой поступит в систему.
На рис. 3.6, б показаны схемы отбора воздуха от компрессоров двух и более двигателей. ОК препятствуют перетеканию воздуха из работающего в неработающий двигатель. Запорные краны и се тевые регуляторы давления могут устанавливаться как за каждым двигателем, так и на общей магистрали.
86 Регулирование давления воздуха в герметических кабинах и отсеках JIA
3.3.РЕГУЛЯТОРЫ ДАВЛЕНИЯ ВОЗДУХА
ВГЕРМЕТИЧЕСКИХ КАБИНАХ
Поддержание требуемого давления воздуха в ГК самолетов производится автоматическими регуляторами давления по опре деленной программе. Под программой регулирования понимается зависимость давления воздуха в кабине от высоты полета рк = f{h) (рис. 3.9).
Рассмотрим возможные программы регулирования давления воздуха в ГК самолетов.
При стоянке самолета на земле и работающей СКВ в ГК не должно быть избыточного давления (точка А). Поддержание в ГК постоянного давления, равного наземному на всех участках поле та рк = const, приводит к увеличению избыточного давления при увеличении высоты полета, а следовательно, к увеличению нагру зок на стенки ГК. Поэтому на максимальной высоте полета /гтах желательно иметь в ГК минимально возможное давление р^ п , соответствующее максимальной «высоте в кабине» hb определя емое физиолого-гигиеническими требованиями (см. разд. 2.2). Исходя из значений рктши при /гтах определяют расчетное зна чение максимального избыточного давления А/?™|х (точка С). Со гласно условиям прочности избыточное давление на высотах ниже hmax не должно превосходить (линия ВС).
С учетом данных ограничений выделяют область ABCD, изо браженную на рис. 3,9, а, в пределах которой возможно регули рование давления в кабине по любой из технически реализуемых и приемлемых по другим соображениям программ.
hi ^2 hmax
О) |
б) |
Рис. 3.9. Программы регулирования давления воздуха в герметической кабине:
а — пассажирских самолетов; б — маневренных самолетов
Регуляторы давления воздуха в герметических кабинах |
87 |
Наиболее простой была бы программа A — D — С, но она при располагаемых скороподъемностях современных самолетов не обеспечивает допустимую по физиолого-гигиеническим сообра жениям скорость изменения давления в кабине (dpjdx)mn на участке A — D. Связь между скоростью изменения давления в ка бине и вертикальной скоростью самолета может быть получена из следующего выражения:
dH |
= dJ> ±dh |
= d H v |
п |
П ч |
dx |
dh dx |
dh у ’ |
1 |
' |
где dpjdh характеризует наклон кривой рк = /(/г). В зоне свобод ной вентиляции (линия AD, рк = ph), а также при постоянстве из быточного давления в кабине (линия ВС, Аризб = const) скорости изменения давления при вертикальных маневрах самолета одина ковы и в кабине, и в атмосфере.
Более благоприятной для самочувствия людей является про грамма регулирования давления по линии А — В — С, обеспечива ющая нулевую скорость изменения давления на участке А —В
иотносительно невысокую скорость изменения давления на уча стке В — С (по сравнению с участком A—D).
Нормативными документами [2] для пассажирских самолетов установлено, что при любых умеренно вероятных отказах СКВ и СРД скорость изменения давления воздуха в герметической ка бине не должна превышать 0,667 кПа/c на повышение давления
и1,33 кПа/c на понижение.
Если известна вертикальная скорость самолета, то по (3.13) можно найти значение градиента dpjdh, при котором обеспечи ваются допустимые скорости изменения давления в кабине.
В табл. 3.1 приведены данные, характеризующие программу регулирования давления на некоторых отечественных пассажир ских самолетах.
Как видно из таблицы, в ГК большинства современных пас сажирских самолетов использована программа регулирования А —В — С. Высота h2, до которой поддерживается рк0 = const, за висит от максимальной высоты полета Атах и принятого значения «высоты в кабине» hv В ГК самолетов последнего поколения (Ил-96, Ту-204) регулирование давления осуществляется несколь ко иначе. Уменьшение скорости изменения давления при подъеме и спуске достигается тем, что за счет введения в регулятор давле ния дополнительных устройств осуществляется программа, обес печивающая закон dpjdx < (ф к/^т)доп в пределах всей области ре гулирования ABCD.
Для маневренных самолетов «высота в кабине» не должна пре вышать 7...8 км, так как члены экипажа снабжены системами
88 Регулирование давления воздуха в герметических кабинах и отсеках ЛА
Таблица 3.1
Программы регулирования давления воздуха в кабинах пассажирских самолетов
|
Диапазон высот, |
Расчетное избы |
|
|
Высота |
|
|
|
|
|||||
Самолет |
на которых |
точное давление |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
поддерживается |
А Р н Т » к П а |
в кабине, |
крейсерского |
|||||||||||
|
||||||||||||||
|
Р к о = const, м |
|
м |
полета, м |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Т у - 1 0 4 Б |
0 |
. . . 5 2 4 0 |
5 0 |
2 8 |
3 0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
||||
Т у - 1 2 4 |
0 |
. . . 5 2 4 0 |
5 0 |
2 8 |
3 0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
||||
Т у - 1 3 4 |
0 |
. . . 6 2 7 0 |
5 7 |
2 1 0 0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
|||||
Т у - 1 5 4 |
0 |
. . . 7 2 0 |
0 |
6 3 |
1 5 5 0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
||||
Т у - 2 0 4 |
0 |
. . . 3 0 0 |
5 6 |
2 4 0 0 |
1 2 0 0 0 |
|||||||||
А н - 2 4 |
0 |
. . . 2 |
8 |
0 0 |
3 0 |
2 3 0 0 |
|
6 0 0 0 |
||||||
И л - 1 8 |
0 |
. . . 5 2 4 0 |
5 0 |
1 4 9 0 |
|
8 0 0 0 |
||||||||
И л - 6 2 |
0 |
. . . 7 |
3 4 |
0 |
6 3 |
1 4 7 5 |
1 |
1 |
0 |
0 0 |
||||
И л - 8 6 |
0 |
. . . 6 1 |
0 |
0 |
5 7 |
2 1 0 0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
|||
И л - 9 6 |
0 |
. . . 3 |
0 |
0 |
5 6 |
2 4 0 0 |
1 2 |
0 0 |
0 |
|||||
Я к - 4 0 |
0 |
. . . 2 |
8 |
0 |
0 |
3 0 |
2 3 0 0 |
|
6 0 0 0 |
|||||
обеспечения жизнедеятельности; при этом для современных самолетов максимальное избыточное давление А/>™|х « 30 кПа (220 мм рт. ст.) (см. рис. 3.9, б).
Допустимые скорости изменения давления в кабине для трени рованного летного состава выше, чем для пассажиров: при наборе высоты возможна скорость снижения давления до 2,66 кПа/c, при спуске и увеличении давления норма уменьшается до 1,33 кПа/с. Но несмотря на это, из-за большой располагаемой вертикальной скорости маневренных самолетов желательно ограничивать dpJdh, вводя в программу регулирования участок AS, на котором dhK/dp — = const. Если самолет предназначен для полетов на средних и больших высотах, то программа регулирования А — А — S — С включает зону свободной вентиляции АА (обычно от 0 до высоты 2000 м). Эта зона нужна, чтобы, не усложняя конструкции регу лятора, исключить необходимость его перенастройки на изменя ющуюся величину барометрического давления на аэродроме взле та или посадки (так как в противном случае становится возмож ным избыточное давление в кабине в наземных условиях, что нежелательно). Для самолетов, совершающих маневры на малых высотах, подобное упрощение недопустимо, и приходится допол нять регуляторы устройствами, обеспечивающими начало герме тизации сразу после взлета самолета и ограничивающими скоро сти изменения давления в кабине. Такой тип программы харак теризуется кривой А — А' — S — С'. Давление в точке А" может достигать 106,6 кПа (800 мм рт. ст.).
Регуляторы давления воздуха в герметических кабинах |
89 |
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО РЕГУЛЯТОРОВ ДАВЛЕНИЯ
По принципу действия автоматические регуляторы делятся на регуляторы прямого и непрямого действия. В регуляторах пря мого действия (рис. ЗЛО, а) измерительный (чувствительный эле мент) и исполнительные (регулирующий орган) узлы представля ют собой единое целое, воздействие на исполнительный механизм передается непосредственно от чувствительного элемента. Эти ре гуляторы просты в конструкции, но имеют ряд недостатков: боль шая зона нечувствительности, склонны к автоколебаниям, при больших расходах воздуха имеют большие габаритные размеры и массу.
Регуляторы прямого действия в настоящее время применяются для поддержания постоянного давления в небольших гермообъ емах (отсеках с объемом до 1 м3) при подаче воздуха с расходом до 10 кг/ч и в качестве предохранительной аппаратуры. Кабины современных самолетов оборудуются регуляторами давления, ра ботающими по схеме непрямого действия (рис. 3.10, б). Эти ре гуляторы состоят из чувствительного элемента, усилителя, серво привода — исполнительного механизма, управляющего регулиру ющим органом.
В зависимости от энергии, используемой для управления ре гулирующим органом, регуляторы давления воздуха в кабине де лятся на пневматические, электрические или электропневматические. В качестве примеров рассмотрим схемы и конструкции отдельных регуляторов давления, применяемых на современных самолетах.
Регулятор давления прямого действия состоит из двух основных механизмов. Механизм избыточного давления (рис. 3.11, а) регу лирует давление на участке Аризб = const (см. рис. 3.9). Его чув ствительным элементом и исполнительным устройством являют ся тарелка и пружина клапана.
Рис. 3.10. Структур ные схемы регулято ров давления:
а — регулятор прямого |
|
|
действия; 6 — регулятор |
а) |
|
непрямого |
действия; |
|
Р\ — входное давление; |
|
|
Pi — выходное давле |
|
|
ние; ОР — объект регу |
|
|
лирования; ЧЭ — чув |
|
|
ствительный |
элемент; |
|
У — усилитель; СП — |
|
|
сервопривод; РО — ре |
б) |
|
гулирующий орган |
||
90 Регулирование давления воздуха в герметических кабинах и отсекахJIA
Условие равновесия тарелки и клапана
|
(Рк ~ Ph)fкл = *пР(* + ^о)’ |
<ЗЛ4) |
где |
— площадь поперечного сечения клапана; кпр — жесткость |
|
пружины; х и Х0 — соответственно ход и начальная затяжка пру жины.
При х < Х0 усилие пружины
Рщ> * *щЛо = const; |
(ЗЛ5) |
||
АРизб Рк Ph |
Рт |
|
(3.16) |
г |
C O n S t . |
||
|
•/кл |
|
|
Механизм абсолютного давления (см. рис. 3.11, б) управляет давлением в ГК на участке рабс = const (АВ или DC на рис. 3.9).
Датчиком абсолютного давления и исполнительным приводом является герметичный вакуумированный сильфон (рс « 0).
Условие равновесия штока клапана:
(Рк - P h )f\ - ( Р к ~ P h )f2 + Р к /с - Р пр = |
(3-17) |
где Л, / 2, / с — площади верхней и нижней тарелок клапана и сильфона соответственно,
откуда
При одинаковых размерах тарелок клапана давление в кабине остается постоянным на всех высотах (если усилие пружины вви ду малости хода клапана считать постоянным).
При f x > / 2 давление в кабине будет уменьшаться с высотой, т. е. характер изменения давления будет аналогичен показанному кривой A S на рис. 3.9, б.
Пневматический регулятор давления комбинированного дейс твия. На рис. 3.12 представлена схема регулятора давления с пневматическим усилением командного сигнала. Данный регуля тор поддерживает в ГК давление, соответствующее программе А — В — С (см. рис. 3.9, а).
Регулятор состоит из выпускного клапана I, командного уст ройства II и демпфера III.
При условиях, рассмотренных ниже, игольчатые клапаны За и 36 командного прибора и клапан Зв демпфера открываются и по лости А, В я Г, а также надмембранная полость клапана Б сооб щаются с атмосферой. Перепад давлений рк — ph на мембране 5, преодолевая слабое усилие пружины 10, открывает клапан 8, и