A320飛機通氣系統(tǒng)對惰化系統(tǒng)除水效率影響

雷桃

摘 要：本文建立了通氣管路和管內(nèi)空氣之間熱傳導(dǎo)的數(shù)學模型，全面分析了通氣系統(tǒng)對惰化系統(tǒng)除水效率的影響，并以A320飛機典型飛行剖面為例，計算了惰化系統(tǒng)能帶走的水蒸汽總量。

關(guān)鍵詞：惰化系統(tǒng);蒸汽壓;導(dǎo)熱系數(shù);馬赫數(shù);比熱容

1 通氣系統(tǒng)介紹

1.1 通氣管路所處環(huán)境

一般來說，通氣管路一般位于燃油箱內(nèi)部頂端，考慮到適航條款要求燃油箱必須留出總?cè)莘e的5%作為膨脹空間。因此通氣管路絕大多數(shù)時間處于燃油液面上方。其溫度環(huán)境取決于油箱內(nèi)空氣溫度。

1.2 NACA通氣口蓋對通氣管路的影響

為提升燃油泵工作效率、防止燃油過多揮發(fā)，飛機都會通過沖壓空氣口蓋使油箱內(nèi)維持一定正壓力。

沖壓進氣口蓋

此種進氣口蓋的增壓效應(yīng)滿足以下函數(shù)關(guān)系：

1.3 氣動加熱對通氣管路的影響

根據(jù)空氣動力學知識，隨著飛行器速度的加快，空氣分子與飛行器表面的摩擦不斷加大。在飛行器表面附面層的溫度也會隨之上升，空中客車公司進行了相關(guān)的實驗，并提出了以下經(jīng)驗公式。

其中：

TAT – 附面層總溫 （k）

SAT – 空氣靜溫 （k）

飛機燃油箱內(nèi)空氣溫度主要受機翼上表面溫度、燃油溫度、惰性氣體溫度和油箱內(nèi)設(shè)備散熱影響。

1.4 氣化潛熱對通氣管路的影響

水蒸汽氣化潛熱對濕空氣汽化潛熱有較大影響，本文以5%的分壓進行計算，濕空氣比熱容約為114000 J/Kg。實際飛行過程中，氣壓和溫度都處于變化狀態(tài)。本文將根據(jù)實際飛行過程中參數(shù)，計算各時刻的濕空氣比熱容。

2 惰化系統(tǒng)對通氣管路中氣體流向的影響

在上升階段，燃油消耗導(dǎo)致A320飛機油箱每秒約釋放出1升空間。惰化系統(tǒng)在標準大氣壓下流量約為1.6L/s。惰化系統(tǒng)提供的惰化空氣，完全可以補償燃油消耗帶來的油箱空間增長。飛機平飛階段，燃油消耗量大幅下降，惰化系統(tǒng)產(chǎn)氣量基本保持穩(wěn)定，空氣流向與上升階段相同。下降階段最大質(zhì)量流量為0.0075kg/s，惰化系統(tǒng)在高流量模式下的質(zhì)量流量為0.00875kg/s，也超過壓力導(dǎo)致的氣體補償需求。

3 管路溫度變化數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型

3.1數(shù)據(jù)模型

管路內(nèi)外溫差，管路的導(dǎo)熱系數(shù)對水蒸汽的冷凝有決定作用。建立傳熱學模型，可得溫度計算公式如下：

3.2模型計算

根據(jù)空客公司公布的溫度參數(shù)，通氣管路進口處為溫度約為298.15K，通氣管路所處環(huán)境溫度約為265k至290K。極端情況下溫度更具代表性，因此假設(shè)管路所處溫度為265K。使用MATLAB對管路各處溫度進行仿真計算，可知濕空氣通過空氣管路到達通氣油箱時，溫度下降至279攝氏度左右，溫度差值約為13攝氏度。

3.3除水量計算

通過工程熱力學知識可知，水的飽和蒸汽壓可表達為溫度的函數(shù)，一般可使用“蘭金公式”進行計算。

單位質(zhì)量中飽和空氣中水的質(zhì)量可使用如下公式計算：

其中：

Pat– 當?shù)卮髿鈮?（K）

Psat– 飽和蒸汽壓 （Kpa）

mwater– 含水質(zhì)量（kg）

mob– 單位時間排氣質(zhì)量（kg）

通氣系統(tǒng)排向大氣的水蒸汽的質(zhì)量是質(zhì)量流量和溫度的函數(shù)。據(jù)此使用MATLAB編制計算機程序計算得出，在8000秒的飛行過程中，惰化氣體最多能從燃油中吸收2.5kg的水?？紤]到飛行后燃油箱內(nèi)存留有較多空氣，經(jīng)計算此部分空氣含水不超過0.5kg。因此合理設(shè)計通氣管路的情況下，可以使用惰化氣體有效消除燃油中溶解的水和沉降在油箱底部的游離水。

參考文獻：

[1]Council， C. R. （2004）. CSC Report No.635， 3rd Edition. Handbook of Aviation Fuel Properties.

[2]FAA. （2012）. PART 25—AIRWORTHINESS STANDARDS：. FAA.

[3]M. Burns， W. M. （2004）. Evaluation of Fuel Tank Flammability and the FAA Inerting System on the NASA 747 SCA，. FAA.

[4]NASA. （2016）. EARTH AMOSPHERE MODEL. NASA.

[5]O. Merkulov， V. Z. （2011）. OBIGGS for Fuel System Water Management - Proof of Concept. SAE International Journal of Aerospace.

[6]S. Tomlinson， M. B. （2011）. Mathematical model of water contamination in aircraft fuel tanks. SAE Technical Papers.

（中國商飛民用飛機試飛中心，上海 201323）