Автореферат (Исследование нестационарных режимов работы систем вентиляции герметичных отсеков пассажирских самолетов и их влияние на выбор рациональных параметров системы кондиционирования воздуха)

На правах рукописиВолков Андрей АлексеевичИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМВЕНТИЛЯЦИИ ГЕРМЕТИЧНЫХ ОТСЕКОВ ПАССАЖИРСКИХСАМОЛЕТОВ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХАСпециальность 05.07.02 «Проектирование, конструкция и производстволетательных аппаратов»Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидататехнических наукМосква – 2013Работа выполнена на кафедре «Системы оборудования летательныхаппаратов» Московского авиационного института (национальногоисследовательского университета)Научный руководительдоцент, кандидат технических наукСкиданов Сергей НиколаевичОфициальные оппоненты:Морозов Генрих Иванович,доктор технических наук, профессор,кафедра «Системы жизнеобеспечения»МАИСуворов Александр Витальевич,кандидат технических наук, первыйзаместитель главного конструктора ОАОПКО «Теплообменник»Ведущая организацияНижегородскийгосударственныйтехнический университет им.

Р.Е.Алексеева (НГТУ)Защита состоится 26 декабря 2013г. в 14:30 на заседаниидиссертационного совета Д212.125.10, созданного на базе федеральногогосударственного бюджетного образовательного учреждении высшегопрофессионального образования «Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)» по адресу:125993, Москва, ГСП-3, Волоколамское шоссе, дом 4, в зале заседанийучёного совета МАИ (аудитория 302 главного административногокорпуса).С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.Автореферат разослан «25» ноября 2013Ученый секретарьДиссертационного советад.т.н. Долгов О.С.2Общая характеристика работыАктуальность работы.

К системам вентиляции воздухапассажирскихсамолетовпредъявляютсятребованияпообеспечению необходимого микроклимата в отсеках пассажирскихсамолетов. Функцию поддержания температурного режима вотсеках выполняется системой кондиционирования воздуха(СКВ).При этом система должна выполнять данную функцию в широкомдиапазоне условий эксплуатации самолета и в условиях переменнойтепловой нагрузки на рассматриваемый отсек.Для каждого разрабатываемого пассажирского самолетанеобходимо произвести оценку температурных полей в кабинеэкипажа и пассажирском салоне, а также в отсеках размещенияоборудования при эксплуатации в условиях высоких и низкихтемператур, оценить длительность и качество переходныхпроцессов при различных внешних условиях, определитьрациональные законы регулирования температуры, провестисертификационные испытания и подтвердить соответствиеконструкции СКВ требованиям норм в части температурныхрежимов в гермокабине.

Кроме того, в связи с высоким уровнемавтоматизации СКВ современных самолетов, без оценкипереходных процессов невозможно определить законы и алгоритмыуправления системой, закладываемые в вычислитель.Поэтому при проектировании, испытаниях и сертификациивстает необходимость экспериментального и(или) численногоисследования.

Наземные и летные натурные испытания вожидаемых условиях эксплуатации самолета требует значительныхвременных и прочих затрат, поэтому с целью уменьшения объемадоводочных и сертификационных испытаний совместно сиспытаниями выполняется имитационное моделирование.Таким образом, исследования, направленные на изучениепроблемы нестационарных тепловых процессов в отсекахпассажирского самолета на основе методов математическогомоделирования, являются актуальными и составляют важную частьобщейпроблемысокращенияобъемаиспытанийисовершенствования конструкции систем оборудования ЛА.Научнаяновизна.Вработеразработаныипроанализированы различные подходы к математическомуописанию нестационарных тепловых процессов в пассажирском3салоне самолета. На основании разработанного математическогоописания получена модель, описывающая нестационарныетемпературные режимы и совместно с нестационарными режимамиработу системы кондиционирования.

На основании имитационногомоделирования проанализированы различные варианты исполнениясистемы регулирования температуры с различными структурнымисхемами при различных внешних условиях. Выполнен анализвлияния контура обратной связи на переходные тепловые процессы.На основании обобщения и анализа экспериментальных данныхподтвержденакорректностьприменяемыхподходовкматематическому описанию физических явлений и подтвержденадостоверность полученных математических моделей и результатовмоделирования.Целью диссертационной работы является: исследование подсистемы регулирования температурыв гермокабине при различных режимах работы, в томчисле на стационарных и неустановившихся режимах; разработкаметодоврасчета/моделированиянеустановившихсярежимовработысистемытерморегулирования; разработка и анализ математических моделей,описывающих нестационарные тепловые процессы вгермокабине с учетом характеристик СКВ; формальное математическое описание требований кподсистеме терморегулирования и алгоритмов работыподсистемы; определение ограничений и диапазонов измененияпараметров вводимых в алгоритм управления системойтерморегулирования для обеспечения соответствияпредъявляемым требованиям; оценка влияния различных параметров системытерморегулирования на переходныетепловыепроцессы в гермокабине;Поставленная цель достигается анализом нестационарныхрежимов работы гермоотсеков и системы их вентиляции.

Поднестационарными режимами работы будем понимать процессы,происходящие в герметичных отсеках, связанные с изменениемопределяющих параметров – давления и температуры.4Объектом исследования являются герметичные отсекисамолетов, параметры воздуха в которых определяются тепловойнагрузкой и работой систем кондиционирования воздуха ирегулирования давления.Методика исследований. Цель, поставленная в работе,достигается путем выработки обобщенной структурной схемы объекта; разработки математической модели объекта; имитационныммоделированиемсистемытерморегулирования и объекта регулирования –гермоотсека в зависимости от режима полета ипараметров окружающей среды; экспериментальными исследованиями режимов работыгермоотсеков в зависимости от режимов полетасамолета и, соответственно, параметров самолета, егосистем и окружающей среды.Достоверность результатов, полученных при использованииразработанныхметодовопределениягидродинамическихпараметров воздуха в гермоотсеках подтверждается сходимостьюрезультатов, получаемых с помощью математической модели, срезультатами проведенных наземных и летных испытаний.Практическая значимость работы заключается в том, чтосозданная методика позволяет на этапе эскизного проектирования ипри сертификации авиационной техники определить какстационарные, так и нестационарные тепловые режимыгерметичных отсеков самолета, выбрать программу регулированиятемпературы в гермоотсеке для обеспечения минимального времениподготовки к вылету.

Применение разработанного метода позволяетсократитьобъемнатурныхиспытаний,вособенностиклиматических испытаний, за счет предварительной верификациеймодели и последующего моделирования режимов работы, натурноеисследование которых сопряжено со значительными временными иматериальными затратами.Апробация работы. Основные положения диссертационнойработы докладывались и обсуждались на 9–й и 10-йМеждународных конференциях «Авиация и Космонавтика», МАИ,Москва, 2010г., 2011г.5Публикации. По материалам диссертации авторомопубликовано 6 научных работ.Реализация работы в промышленности. Результатыдиссертационной работы использовались при проектировании,испытаниях, доводке и сертификации самолета RRJ95 в частикомплексной системы кондиционирования.Структура диссертационной работы. Работа состоит извведения, четырех разделов, выводов, списка используемойлитературы. Общий объем диссертации составляет 174 страницымашинописного текста.6Общее содержание работыВ первой главе проводиться анализ состояния проблемыобеспечения температурных режимов в отсеках самолетов,рассматриваются требования к температурным режимам и системамкондиционирования.Глава содержит обзор работ посвященных вопросампроектирования систем кондиционирования и определениютемпературных режимов в отсеках самолетов.

В отечественнойлитературе подробно рассматриваются и рассчитываютсяразличные составляющиеуравнения теплового баланса пристационарном температурном режиме в отсеке. На основанииданного подхода формируются требования по тепло- ихолодопроизводительности системы для различных режимов идалее определяется размерность системы и требования к основнымагрегатам. Фактически, применение рассматриваемого в литературеподхода позволяет ответить на вопрос об установившейся (черезнеопределенный промежуток времени) температуре в отсеке взависимости от температуры и расхода воздуха, подаваемого СКВ.Несмотря на то, что описанный подход являетсяклассическим, он не позволяет полностью оценить температурныережимы в отсеках самолета. Так основываясь на анализестационарныхрежимовтруднопредсказать/смоделироватьрезультаты натурных испытаний или дать оценку реальномутемпературному режиму в самолете при эксплуатации.Ограничения данного подхода связаны с тем, что нестационарныетепловые режимы в гермокабине самолета могут заниматьзначительную часть эксплуатационного цикла самолета.

Так,например, при эксплуатации ближне- и среднемагистральногосамолета в крайних климатических условиях нестационарныетепловые режимы в гермокабине могут занимать до 100% цикла,т.е. от начала подготовки к полету, заканчивая выгрузкойпассажиров. Переход к анализу нестационарных режимов связан созначительнымитрудностями.Так,длямоделированиянестационарных тепловых режимов необходимо учитывать, что исама СКВ также работает на неустановившемся режиме ипараметры воздуха по тракту системы меняются в широкихдиапазонах с течением времени, что оказывает значительноевлияние на переходные процессы.