民用飞机预冷器设计点选取分析

陈彬

【摘 要】本文分析了考虑结冰包线外预冷器换热性能研究的必要性。通过预冷器冷边流量估算，根据引气系统管路及设备压损模型对预估冷边流量进行校核循环计算，得到结冰包线外不同飞行高度不同环境温度条件下，飞机预冷器热边出口温度。计算结果表明，飞行高度低于21000ft时，预冷器热边出口温度已经接近260℃，且飞行高度越高，环境温度越高，预冷器热边出口温度越高，引气超温越严重。因此预冷器研制设计点需充分考虑结冰包线外双发单引气防冰系统开启的飞行状态。

【关键词】民用飞机；结冰包线外；预冷器换热特性

0 引言

预冷器为民用飞机气源系统部分组件，气源系统从发动机、APU 或地面高压气源引气，为座舱空调、机翼防冰、发动机起动、燃油箱惰化和水箱增压供气[1]。其中，发动机引气作为飞机最主要最重要的气源，其引气口引出的高温压缩空气需经过预冷器降温调节到合适的值才能供入下游用户[2]。

发动机引气具有过热保护功能，通过引气温度传感器检测预冷器热边出口温度，若预冷器热边出口温度过高将导致气源系统因超温关闭，影响下游用户需求[3-4]。因此预冷器设计点的选取应充分考虑飞机各工况条件下预冷器热边出口温度指标。目前预冷器设计点的选取通常选择双发动机单侧引气失效防冰系统打开的状态。目前防冰系统的设计边界普遍选用中国民航规章CCAR25部附录C的结冰包线，而实际飞行中存在结冰包线外的结冰环境，结冰包线外的工况对预冷器更为严酷，预冷器设计点如果忽略结冰包线外工况的考虑将对预冷器引发超温故障存在很大风险。因此，本文对结冰包线外飞机预冷器的换热过程进行研究，为预冷器设计点的选取提供依据。

1 结冰包线外结冰环境说明

根据中国民航规章CCAR25部规定，飞机防冰系统的设计和验证需要表明对规章附录C结冰包线的符合性。适航当局认为附录C的结冰包线可以覆盖99%的结冰环境。

但是根据某飞机的试飞经验，自然界中存在附录C以外的结冰环境，结冰探测系统发出结冰告警时飞行状态在结冰包线的示意见图1。通过图1可以发现，结冰告警出现的环境条件已超出附录C的结冰包线。因此有必要对结冰包线外预冷器的换热性能进行研究。

2 结冰包线外预冷器热边出口温度计算

现代民机发动机引气温度调节功能一般由风扇空气活门、引气温度传感器实现。预冷器是一个空-空热交换器，利用发动机冷边风扇引气冷却发动机热边高温高压气体，通过风扇空气活门的开度调节风扇冷空气流量，进而控制预冷器热边出口温度。下面介绍预冷器热边出口温度的计算过程。

2.1 确定预冷器热边换热量

本文选取的引气构型为双发单引气构型，两侧发动机正常工作，单侧引气失效，此时从单台发动机的引气量最大，相应预冷器的换热量最大。确定相应工况下空调系统，防冰系统以及其他引气用户所需的流量和即为预冷器的热边流量。

2.2 初步确定预冷器冷边流量

根据公式（1）计算预冷器换热效率η。其中THI为预冷器热边入口温度，根据发动机引气参数确定；THO为预设的预冷器热边出口温度；TCI为预冷器冷边入口（即发动机风扇入口）温度。根据计算得出的预冷器换热效率，预冷器热边流量以及预冷器效率性能表（该表定义了不同的冷热边流量对应的预冷器效率）初步确定预冷器滿足换热量需求时的冷边流量。

2.3 确定预冷器效率，计算预冷器热边出口温度

根据当前预冷器冷热边流量，通过预冷器效率性能表，查得预冷器热边效率为η，由式（2）计算预冷器热边出口温度THO。

THO=THi-η（THi-TCi）（2）

2.4 计算风扇空气活门实际压损

根据系统管路及设备压损模型计算得出预冷器冷边出口压力，即风扇空气活门进口压力。结合排气出口大气压力和损失的排气动压计算得出风扇空气活门出口压力。风扇空气活门进出口压差即为风扇空气活门实际压损。

2.5 校核预冷器冷边流量是否供应正常

根据风扇空气活门实际压损判定预冷器冷边流量是否能正常供应。若计算得到的风扇空气活门实际压损大于风扇空气活门全开压损，说明此时风扇空气活门未全开，预冷器冷边流量能满足系统需求，此时满足需求的冷边流量对应的预冷器出口温度即为所求；若风扇空气活门实际压损小于风扇空气活门全开压损，说明冷边流量过大不能满足需求，应减小冷边流量。

2.6 循环减小冷边流量

减小冷边流量，重复2.3至2.5计算步骤，直至风扇空气活门实际压力损失等于活门的全开压力损失。计算最终预冷器冷边流量和预冷器热边出口温度。

3 结冰包线外预冷器热边出口温度计算结果

度越高，预冷器热边出口温度越高，引气超温越严重。具体计算结果见图2。

因此，对于预冷器的设计点需充分考虑结冰包线外双发单引气防冰系统开启的状态点。首先严格保证在附录C边界工况下双发单引气防冰状态下预冷器能够将温度调节在设计值以内；并将结冰包线外飞行包线内的状态点作为校核点。

4 结语

本文证明了预冷器设计需考虑结冰包线外结冰环境的必要性。为预冷器设计满足换热需求提供依据。基于引气系统控制逻辑，计算了结冰包线外预冷器热边出口温度，为预冷器换热性能校核提供方法。

【参考文献】

[1]黄晓聃，王睿.民用飞机引气系统温度调节性能计算[J].科技信息，2011（20）：795-796.

[2]潘明旭.A320系列飞机发动机引气系统原理及故障分析[J].中国民航飞行学院学报，2013（02）：49-51+54.

[3]刘永建.A320空调/引气系统故障浅析[J].江苏航空，2002（03）：18-21.

[4]王磊，候盼盼.民用飞机气源系统性能仿真研究[J].民用飞机设计与研究， 2012，（S1）：166-168.

[责任编辑：朱丽娜]