Системы наддува, кондиционирования и обеспечения воздухом в авиации.

Введение

Система воздушного судна, обеспечивающая внутреннюю герметизацию, климат-контроль, подачу воздуха и другие бортовые системы.

В авиации система экологического контроля (ECS) воздушного судна является важнейшим компонентом, обеспечивающим подачу воздуха, температурный контроль и герметизацию кабины для экипажа и пассажиров. Дополнительные функции включают охлаждение авионики, обнаружение задымления и пожаротушение.

Обзор

Системы, описанные ниже, применяются к современным авиалайнерам Boeing, хотя их основные характеристики в целом совпадают с таковыми у пассажирских самолетов Airbus и других производителей. Исключением являлся Concorde, который был оснащен дополнительной системой подачи воздуха из-за больших высот полета и немного более высокого давления в кабине.

Подача воздуха

На реактивных самолетах воздух подается в систему кондиционирования (ЭКС) путем отбора его из компрессорной ступени каждого газотурбинного двигателя выше комбюстора. Температура и давление этого отбираемого воздуха зависят от используемой ступени компрессора и режима работы двигателя. Коллекторный клапан регулирования давления (MPRSOV) ограничивает поток по мере необходимости для поддержания требуемого давления для последующих систем. Для обеспечения прохождения воздуха через систему необходимо определенное минимальное давление подачи, однако желательно использовать как можно более низкое давление, поскольку энергия, затрачиваемая двигателем на сжатие отбираемого воздуха, недоступна для создания тяги, что приводит к увеличению расхода топлива. Поэтому воздух обычно отбирается из одного из двух (или, в некоторых случаях, например, на Boeing 777, трех) отборных патрубков, расположенных на разных ступенях компрессора. При низком давлении двигателя (низкой тяге или большой высоте) воздух отбирается из патрубка с самым высоким давлением. По мере увеличения давления (увеличения тяги или уменьшения высоты) и достижения заданной точки переключения, клапан закрытия высокого давления (HPSOV) закрывается, и воздух отбирается из патрубка с более низким давлением для минимизации потерь производительности по топливу. Обратный процесс происходит при снижении давления двигателя. Для достижения необходимой температуры отбираемый воздух проходит через теплообменник, называемый предварительным охладителем. Воздух от вентилятора двигателя обдувает предварительный охладитель, расположенный в стойке двигателя, и поглощает избыточное тепло от отбираемого воздуха. Модулирующий клапан воздушного потока вентилятора (FAMV) регулирует поток охлаждающего воздуха для контроля конечной температуры отбираемого воздуха. Важно отметить, что Boeing 787 не использует отбираемый воздух для наддува кабины. Вместо этого самолет забирает воздух из специальных воздухозаборников, расположенных в передней части крыла.

Устройство холодового воздуха

Основным компонентом для функционирования блока холодового воздуха (CAU) является устройство охлаждения машины цикла воздуха (ACM). Некоторые самолеты, в том числе ранние Boeing 707, использовали парокомпрессионное охлаждение, подобное тому, что применяется в бытовых кондиционерах. В ACM не используется фреон: в качестве хладагента используется сам воздух. ACM предпочтительнее устройств парового цикла из-за меньшего веса и требований к техническому обслуживанию. Большинство реактивных лайнеров оснащены PACKs (значение аббревиатуры см. здесь). Расположение блоков кондиционирования (AC) PACK(s) зависит от конструкции самолета. В некоторых конструкциях они устанавливаются в обтекателе крыла к фюзеляжу между двумя крыльями под фюзеляжем. На других самолетах (Douglas Aircraft DC 9 Series) AC PACKs расположены в хвостовой части. Блоки PACK на McDonnell Douglas DC 10/MD 11 и Lockheed L 1011 расположены в передней части самолета под кабиной экипажа. Почти все реактивные самолеты оснащены двумя PACKs, хотя более крупные самолеты, такие как Boeing 747, Lockheed L 1011 и McDonnell Douglas DC 10/MD 11, имеют три. Количество воздуха отбора, поступающего в блок AC PACK, регулируется клапаном управления потоком (FCV). Для каждого PACK устанавливается один FCV. Нормально закрытый изоляционный клапан предотвращает поступление воздуха из левой системы отбора к правому PACK (и наоборот), хотя этот клапан может быть открыт в случае отказа одной из систем отбора. Ниже по потоку от FCV расположен блок холодового воздуха (CAU), также называемый холодильным блоком. Существует множество различных типов CAU; однако все они основаны на общих принципах. Воздух отбора поступает в первичный теплообменник, где он охлаждается встречным потоком воздуха, расширением или их комбинацией. Затем холодный воздух поступает в компрессор, где он сжимается, что приводит к его нагреву. Прохождение через вторичный теплообменник охлаждает воздух, поддерживая высокое давление. Затем воздух проходит через турбину, которая расширяет его для дальнейшего снижения температуры. По принципу действия, аналогично турбокомпрессору, компрессор и турбина установлены на одном валу. Энергия, извлекаемая из воздуха, проходящего через турбину, используется для привода компрессора. Затем воздушный поток направляется в перегреватель, прежде чем он поступает в конденсатор для подготовки к удалению воды водоотделителем. Далее воздух проходит через водоуловитель, где он заставляется вращаться по спирали вдоль своей оси, и центробежная сила отбрасывает влагу через фильтр к наружным стенкам, где она отводится в дренаж и сбрасывается за борт. Затем воздух обычно проходит через коалесцентный водоуловитель или "носок". "Носок" задерживает загрязнения и масло из воздуха отбора двигателя, обеспечивая более чистый воздух в кабине. Этот процесс удаления воды предотвращает образование льда и засорение системы, а также предотвращает запотевание кабины экипажа и пассажирского салона во время наземных операций и на малых высотах. Для CAU с предварительным охлаждением до отрицательной температуры влага удаляется до поступления в турбину, чтобы можно было достичь отрицательных температур. Температура воздуха на выходе из PACK регулируется путем изменения потока через систему воздушного забора (см. ниже) и модулированием клапана регулирования температуры (TCV), который обходит часть горячего воздуха отбора вокруг ACM и смешивает его с холодным воздухом после турбины ACM.

The primary component for the functioning of the cold air unit (CAU) is the Air Cycle Machine (ACM) cooling device. Some aircraft, including early Boeing 707 aircraft, used vapor compression refrigeration like that used in home air conditioners. An ACM uses no Freon: the air itself is the refrigerant. The ACM is preferred over vapor cycle devices because of reduced weight and maintenance requirements. Most jetliners are equipped with PACKs Meaning of abbreviation see here. The location of the air conditioning (AC) PACK(s) depends on the design of the aircraft. In some designs, they are installed in the wing to body fairing between the two wings beneath the fuselage. On other aircraft (Douglas Aircraft DC 9 Series) the AC PACKs are located in the tail. The aircraft PACKs on the McDonnell Douglas DC 10/MD 11 and Lockheed L 1011 are located in the front of the aircraft beneath the flight deck. Nearly all jetliners have two PACKs, although larger aircraft such as the Boeing 747, Lockheed L 1011, and McDonnell Douglas DC 10/MD 11 have three. The quantity of bleed air flowing to the AC pack is regulated by the flow control valve (FCV). One FCV is installed for each PACK. A normally closed isolation valve prevents air from the left bleed system from reaching the right PACK (and vice versa), although this valve may be opened in the event of loss of one bleed system. Downstream of the FCV is the cold air unit (CAU), also referred to as the refrigeration unit. There are many various types of CAUs; however, they all use typical fundamentals. The bleed air enters the primary ram air heat exchanger, where it is cooled by either ram air, expansion or a combination of both. The cold air then enters the compressor, where it is repressurized, which reheats the air. A pass through the secondary ram air heat exchanger cools the air while maintaining the high pressure. The air then passes through a turbine which expands the air to further reduce heat. Similar in operation to a turbo charger unit, the compressor and turbine are on a single shaft. The energy extracted from the air passing through the turbine is used to power the compressor. The air flow then is directed to the reheater before it passes to the condenser to be ready for water extraction by water extractor. The air is then sent through a water separator, where the air is forced to spiral along its length and centrifugal forces cause the moisture to be flung through a sieve and toward the outer walls where it is channeled toward a drain and sent overboard. Then, the air usually will pass through a water separator coalescer or the sock. The sock retains the dirt and oil from the engine bleed air to keep the cabin air cleaner. This water removal process prevents ice from forming and clogging the system, and keeps the cockpit and cabin from fogging on ground operation and low altitudes. For a sub zero bootstrap CAU, the moisture is extracted before it reaches the turbine so that sub zero temperatures may be reached. The temperature of the PACK outlet air is controlled by the adjusting flow through the ram air system (below), and modulating a temperature control valve (TCV) which bypasses a portion of the hot bleed air around the ACM and mixes it with the cold air downstream of the ACM turbine.

Система воздушного пропуска

Впускное устройство для набегающего потока представляет собой небольшой воздухозаборник, обычно расположенный в обтекателе крыла и фюзеляжа. Почти все реактивные самолеты используют регулирующую заслонку на впускном устройстве для набегающего потока, чтобы контролировать объем охлаждающего воздуха, проходящего через первичные и вторичные теплообменники системы набегающего потока. Для повышения эффективности использования набегающего потока, почти все реактивные самолеты используют регулируемые лопатки на выходе набегающего потока. Вентилятор в системе набегающего потока обеспечивает прохождение воздуха через теплообменники, когда самолет находится на земле. Почти все современные самолеты с фиксированным крылом используют вентилятор, установленный на общем валу с ACM, приводимый в действие турбиной ACM.

Распределение воздуха

Выхлопные газы AC PACK подаются в герметичный фюзеляж, где смешиваются с отфильтрованным воздухом от вентиляторов рециркуляции и поступают в смесительный коллектор. На подавляющем большинстве современных авиалайнеров воздушный поток состоит примерно из 50% наружного воздуха и 50% отфильтрованного воздуха. Современные авиалайнеры используют высокоэффективные HEPA-фильтры, задерживающие более 99% бактерий и кластеров вирусов. Воздух из смесительного коллектора направляется к верхним распределительным соплам в различных зонах самолета. Температуру в каждой зоне можно регулировать, добавляя небольшое количество корректировочного воздуха – воздуха низкого давления и высокой температуры, отбираемого от AC PACK выше по потоку от TCV. Воздух также подается в индивидуальные приточные отверстия. Вращающимся регулятором на отверстии можно управлять вентиляцией, изменяя ее от полного отсутствия потока воздуха до ощутимого сквозняка. В 2003 году в своем заявлении Конгрессу США член Комитета по качеству воздуха в пассажирских кабина́х коммерческих самолетов заявил: «Низкая относительная влажность может вызывать временный дискомфорт (например, сухость глаз, носовых ходов и кожи), но другие возможные краткосрочные или долгосрочные последствия не установлены». Система контроля влажности в кабине может быть добавлена к системе жизнеобеспечения (ECS) некоторых самолетов для поддержания относительной влажности на уровне, предотвращающем образование конденсата. Более того, Boeing 787 и Airbus A350, благодаря использованию в конструкции более коррозионностойких композиционных материалов, могут эксплуатироваться с относительной влажностью в кабине 16% во время длительных перелетов.

Проблемы со здоровьем

Воздух отбора мощности поступает от двигателей, но отбирается вверх по потоку от камеры сгорания. Воздух не может течь в обратном направлении через двигатель, за исключением случая срыва компрессора (по сути, обратный удар в реактивном двигателе), поэтому воздух отбора мощности должен быть свободен от продуктов сгорания, образующихся при нормальной работе двигателей самолета. Однако, иногда углеродные уплотнения могут пропускать масло (содержащее потенциально опасные химические вещества) в воздух отбора мощности, что в отрасли известно как "дымное событие". Обычно это устраняется оперативно, поскольку неисправные масляные уплотнения сокращают ресурс двигателя. Загрязнение маслом, происходящее из этого и других источников в двигательном отсеке, вызвало обеспокоенность по поводу здоровья у некоторых общественных организаций и послужило причиной проведения исследований рядом академических институтов и регулирующих органов. Однако, ни одно достоверное исследование не выявило доказательств существования медицинского состояния, вызванного "дымными событиями".