刘登程

（中航通飞研究院有限公司，广东 珠海 519040）

某轻型公务机空调系统优化设计分析

刘登程

（中航通飞研究院有限公司，广东 珠海 519040）

通过对某轻型公务机空调系统NACA进气口的性能分析与计算，了解NACA进气口在地面热设计状态下存在的问题，并针对此问题提出可行的优化设计方案，提高空调系统的性能。

轻型公务机；空调系统；NACA进气口；优化设计

1 概述

某轻型公务机是一款单发涡桨全复材飞机，该飞机空调系统采用发动机引气对座舱进行增压、加温和通风，发动机引气经过散热器降温、流量控制阀限流后供入座舱。散热器冷边采用NACA进气口以获得环境冲压空气，该进气口具备合理的气动外形，能显著降低飞机的迎风阻力。但是当飞机在地面停机状态下工作时，由于没有足够的冲压气流，导致进气口流量偏低，散热器效率下降，影响空调系统性能。本文就空调系统在地面热设计状态下的性能进行分析，并针对存在的问题进行相应的优化设计分析。

2 地面热设计状态性能分析

空调系统NACA进气口位于发动机舱下罩左侧，其位置及尺寸如图1所示。

图1　NACA进气口位置及尺寸

以飞机在极热天地面慢车待机工况作为地面热设计状态性能分析点，取环境温度t0＝40℃，环境压力P0=101325Pa，发动机慢车时螺旋桨拉力F＝1400N。

环境大气密度ρ0=P0/RT，式中气体常数R＝287J/(kg•K)，T＝（t0＋273）K。

螺旋桨拉力由气流在桨叶两侧形成的压差所产生，该压差值ΔP＝F/A=F/π(D/2)2，式中A为螺旋桨旋转面面积，螺旋桨直径D＝2311mm。

假设该压差值即为螺旋桨后部气流的压头 q∞=ΔP=0.5ρ0v∞2，式中v∞为螺旋桨后气流速度。

NACA进气口质量流量G=mrρ0v∞A1。

式中A1表示NACA口喉部垂直于来流的截面积，由图1参数知A1=wd。

捕获流量比mr是实际捕获空气流量和截面垂直来流时捕获流量的比值，mr与总压恢复系数Krec的关系见图2。对于一般计算可取NACA进气口的总压恢复系数为0.7，查图2知其对应的捕获流量比mr=0.4。

图2　NACA进气口总压恢复与质量流量比关系

由发动机引气参数知慢车时的引气流量 qm=123kg/h，引气温度t1=135.16℃。

散热器热容量比 C*=qmcp1/Gcp2，假设散热器冷热边空气比热容相等，即cp1=cp2。

散热器效率

式中散热器传热单元数NTU=3.45。

供入座舱的空气温度即散热器热边出口温度t2=t1-η(t1-t0)。

由上述计算可知，在地面热设计状态下慢车时供气温度t2=69.2℃。参考 HB7489-97《民用飞机环境控制系统通用要求》中规定“从任一供气口进入客舱的空气温度，正常工作时不应超过 50℃，舱内无乘客时不应超过 70℃。”，此供气温度已经超过规定值，不满足设计要求。

3 优化设计分析

上述地面热设计状态慢车工况一般出现在停机坪等待起飞等使用模式下，此工况下可考虑采用以下两种方案解决供气温度过高的问题：

a)地面关闭引气；

b)增加地面通风旁路。

3.1地面关闭引气

此方案在切断发动机引气的同时也切断了座舱通风气源，蒸发循环系统对座舱内再循环空气进行制冷。

此时座舱空气的污染源主要来自舱内人员呼出的二氧化碳和通过口腔、皮肤排出的水汽和气味。二氧化碳对人体是有害的，当空气中二氧化碳的浓度达到 2%时使呼吸速率加快，5%时呼吸变得短促，达到 10%以上时将会使人窒息。CCAR-25部第25.831条(b)(2)规定“飞行期间通常有旅客或者机组乘坐的舱的二氧化碳浓度不得超过 0.5%体积含量(海平面当量)”。

某轻型公务机座舱容积V=6.3m3，舱内最大乘员数5人。座舱内二氧化碳初始浓度为0.03%，飞行员释放出来的二氧化碳量q1=25L/h，旅客释放出来的二氧化碳量 q2=20L/h。飞行员人数n1=1，旅客人数为n2，地面开车时间为t，则座舱内二氧化碳浓度为

按上式计算得到座舱内二氧化碳浓度随舱内人员数及开车时间的变化见表1。

表1　座舱内二氧化碳浓度变化表

由表1可见，在座舱满员的情况下，地面开车15min后座舱内二氧化碳浓度即达到0.45%，接近了CCAR-25部的规定值0.5%。此外，舱内人员所产生的水汽和气味虽无毒无害，但亦使人产生不适感。故此方案下为了保证舱内人员的安全及舒适度，应限制飞机在地面高温环境条件下的使用频率及使用时间。

3.2增加地面通风旁路

此方案在切断发动机引气后增加了旁路引气功能，使用环境空气对座舱进行通风。地面通风旁路的实现方式亦有多种，在不影响飞机其他系统的前提下，可直接将NACA口冲压空气引入座舱，需增加控制机构（旁路引气活门）以实现地面旁路引气功能和引气散热功能的分离，其原理图见图3。

图3　地面通风旁路原理图

在地面时，通过调节旁路引气活门关闭散热器冷边空气通路，NACA口冲压空气直接供入座舱，实现座舱通风功能。此时供入座舱的空气温度为 40℃，流量 G=118.5kg/h。参考CCAR-25部规定的每人最低新鲜空气供给量250g/min，座舱满员时所需通风空气流量为 75kg/h。可见此方案下通风空气温度和流量均满足设计要求。

该方案能良好的解决因NACA进气口流量不足导致散热器效率下降供气温度偏高的问题，而且没有使用条件限制。

4 小结

本文对某轻型公务机空调系统地面热设计状态下的NACA进气口性能进行了简单的计算和分析，分析表明NACA进气口在地面时引气流量无法满足设计要求，并针对因此导致座舱供气温度过高的问题，给出了相对可行的优化设计方案。关于NACA进气口的流量计算，将在后续的研制试验中加以测试验证，为以后的设计提供更详尽的数据支持。

[1] 寿荣中,何慧姗.飞行器环境控制[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.

[2] 薛勇,宋志强,徐朱瑞.民用飞机埋入式NACA进气口设计方法[J].科技信息,2014,(6).

[3] HB7489-1997.民用飞机环境控制系统通用要求[S].1997.

[4] CCAR-25-R4.运输类飞机适航标准[S].中国民用航空总局,2011.

Optimization Design For Air Conditioning System of A Light Business Aircraft

The analysis and calculation of the NACA inlet of a light business aircraft shows the problem of the air conditioning system, which the cabin supply air temperature is too high in the high temperature conditions. This paper gives an optimization solution to solve the problem, also improves the performance of the air conditioning system.

Light business aircraft; air conditioning system; NACA inlet; optimization design

V245.3

A

1008-1151(2015)04-0071-02

2015-03-15

刘登程（1989-），男，中航通飞研究院有限公司助理工程师，研究方向为飞行器环境控制系统。