Конструкция и эксплуатация систем кондиционирования воздуха магистральных пассажирских самолетов

0211 - система наддува;

0212 - система распределения (система вентиляции);

0213 - система регулирования давления;

0214 - обогрев;

0215 - охлаждение;

0216 - регулирование температуры;

0217 - очистка воздуха, регулирование влажности;

0218 - приборы и устройства контроля;

0219 - указатели и сигнализаторы.

В период с 01.01.2007 по 31.12.2009 в авиакомпании “Уральские Авиалинии” произошло 59 отказов по КСКВ на 9 самолётах типа Ту-154 (в табл. 5 приведена выборочная информация по подсистемам).

Последствиями данных отказов также были задержки рейсов, замены самолётов на рейсы, возвращение самолётов из полёта на базу.

Таблица 5 Сравнительный анализ надёжности парка самолётов Ту-154 а/к “Уральские авиалинии” по системе КСКВ

Борт СНЭ ППР	Дата Этап обнаружения Способ восстановления	Проявление неисправности ВС	Тип агрегата Заводской номер Наработка
0211 - наддув
85807 23053 8620	1 апреля 2009 ПТО Замена изделия	Трещина на лепестке клапана	Компенсатор 0241 8416
58807 22865 8432	26 января 2009 ПТО Замена изделия	Люфт основных лепестков клапана в процессе работы	5102А 05801 12061
85844 1286	14 ноября 2008 Руление Замена изделия	Не закрылся кран отбора воздуха от СУ №1	5377 113002 12983
85807 22198 7765	29 октября 2008 Посадка Замена изделия	При закрытом кране отбора воздуха не горит лампа	5377 113002 12558
85814 22945 10472	26 октября 2008 ОТО Замена изделия	Заслонка отбора воздуха на обогрев ВНА постоянно находится в открытом положении	3308 07301 23205
85807 20691 6258	17 октября ОТО Замена изделия	Не регулируется температура в правой магистрали ни в ручном, ни в автоматическом режимах	3308 04500 18940
85807 21039 6606	6 июля 2008 ОТО Замена изделия	Не регулируется температура в правой магистрали ни в ручном, ни в автоматическом режимах	3308 11302 21027
85807 21258 6825	4 июля 2008 Эшелон Замена изделия	Не регулируется температура в правой магистрали ни в ручном, ни в автоматическом режимах	3308 11002 16925
85807 21272 6839	3 июля 2008 Эшелон Замена изделия	Не регулируется температура в правой магистрали ни в ручном, ни в автоматическом режимах	3308 12901 12084
85833 12562	4 мая 2008 ОТО Замена изделия	При открытом кране отбора воздуха не горит лампа	5377 10040 5250
85814 21549 9076	30 апреля 2008 Снижение Замена изделия	Заслонка отбора воздуха на обогрев ВНА постоянно находится в открытом положении	3308 07301 21534
85814 21498 9025	9 апреля 2008 ОТО Замена изделия	При закрытом кране отбора воздуха не горит лампа	3161 07301 21499
85844 10826	22 февраля 2008 ОТО Замена изделия	Негерметичен компенсатор	Компенсатор 0662 3540
85814 20687 8214	8 ноября 2007 Заход на посадку Замена изделия	При закрытом кране отбора воздуха не горит лампа	5377 09301 21262
85814 20572 8099	19 октября 2007 Эшелон Замена изделия	Закрылся отбор воздуха от 2 двигателя с загоранием лампы “ОТКАЗ ОТБОРА”	5419 09306 16317
Борт СНЭ ППР	Дата Этап обнаружения Способ восстановления	Проявление неисправности ВС	Тип агрегата Заводской номер Наработка
0211 - наддув
85432 38361 2426	17 октября 2007 ОТО Замена изделия	Заслонка отбора воздуха на обогрев ВНА постоянно находится в открытом положении	3161 02900 37417
85814 20445 7972	1 октября 2007 ПТО Замена изделия	При включении отбора воздуха от одной из магистралей, расход воздуха идёт по обеим магистралям	4672 12061 1263
85814 20445 7972	1 октября 2007 ПТО Замена изделия	При включении отбора воздуха от одной из магистралей, расход воздуха идёт по обеим магистралям	4672 03060 1263
0212 - распределение
85807 20705 6272	25 октября 2008 ОТО Замена изделия	Не регулируется температура салона вручную	1408 05302 21184
85508 38581	6 марта 2007 эшелон	Не регулируется температура салона вручную	513Б 58009
0215 - охлаждение
85375 35361 6348	1 апреля 2009 ПТО Замена изделия	Внутренняя негерметичность	6435 12030 2822
85814 23260 10787	6 декабря 2008 ОТО Замена изделия	Не работает заслонка вентиляции кухни	МПК-13 Е93208 23261
85833 11354	22 августа 2007 Предполётная проверка Замена изделия	Не регулируется температура в магистрали вручную переключателем “ТХ”(“ВВР”)	3318 09902 11346
85833 11235	1 августа 2007 Набор высоты Замена изделия	Шум при работе ТХУ	3318 06802 5349
85814	1 июля 2009	Выбивает горячий воздух из выхлопной трубы ВВТ 5307АТ 1-го двигателя	5307АТ 0903149
0216 - регулирование температуры
85833 308	7 апреля 2009 Взлёт Замена изделия	Горит лампа “ОТКАЗ ОТБОРА” дв. 1	ЭП-52 2390108 13941
85833 259	1 апреля 2009 Снижение Замена изделия	На посадке загорелась лампа “t ХВ. ОТСЕКА ВЕЛИКА”	5747 06102 14183
85807 21794 7361	24 августа 2008 Эшелон Замена изделия	В правой магистрали СКВ не регулируется температура в автоматическом режиме	ЭП-52 2390341 22096
0218 - приборы и устройства
85844 13113	26 ноября 2008 ОТО Замена изделия	Показания указателя ТУЭ-48 не соответствуют истинным	ТУЭ-48 22763 13113
0219 - указатели и сигнализаторы
85814 18639 6166	3 февраля 2007 Снижение Замена изделия	На снижении загорелась лампа “ОТКАЗ ОТБОРА” дв. 2 и загорелась лампа “ОТБОР ВЫК.”	МСТ-1 4302 18633

КСКВ самолёта Ту-154М можно было бы модернизировать с целью устранения выше указанных отказов, однако вряд ли это сейчас актуально, и, тем не менее, существует ряд предложений по модернизации КСКВ Ту-154М:

1. ВВТ 5307АТ разместить в передней кромке пилона и сделать его работу, основанную на принципе работы ВВР 4458Т, т.е. роль продувочного воздуха в полёте будет выполнять набегающий поток (скоростной напор), а не воздух, отбираемый от второго контура двигателя. На земле, продувочный воздух будет по-прежнему отбираться от второго контура. Данное решение уменьшит расход топлива;

2. Для ПОС носков крыла использовать воздух не из КСКВ, а отработанный продувочный воздух либо за ВВТ 5307АТ, либо за ВВР 4458Т. Данное решение уменьшит расход воздуха в КСКВ, отбираемого от двигателей, тем самым снизит расход топлива;

3. Установить ограничитель оборотов на ТХУ 3318 и/или установить датчик превышения оборотов, соответственно с выводом светосигнализатора предупреждения об этом на панель бортинженера;

4. Установить ТХУ 3318 в звукопоглощающий корпус, а в патрубок сброса продувочного воздуха ВВР 4458Т установить глушитель шума;

5. Выполнить замену ВВТ 5307АТ на ВВТ 154.03.7603.300 разработки АНТК им. А.Н. Туполева и “Хамильтон Стандарт-Наука” с матрицей (собственно теплообменной частью конструкции) из материала “Инконель”;

6. Изменить конструкцию ПСВП;

7. Заменить все лепестковые клапаны на гравитационные клапаны.

3.5 Модернизация узлов охлаждения системы кондиционирования воздуха

Из выше приведённых подразделов следует, что СКВ самолёта Ту-154М имеет целый ряд недостатков. Наиболее серьёзным недостатком являются отказы турбохолодильной установки 3318, влияющие особым образом на регулярность полётов. В случае выявления отказа ТХУ, ВС не допускается до рейса. В случае отказа в полёте существует большая вероятность в недостаточном охлаждении воздуха, отбираемого от двигателей и подаваемого в ГК, что может привести к необходимости снижения ВС и последующей посадке. Главной причиной отказов ТХУ 3318 является работа на нерасчётных режимах, что приводит к разрушению подшипников. Решением проблемы может служить ряд предложений по её доработке.

Модернизация ТХУ 3318

Электромеханическая схема. Проанализируем ТХУ 2280 самолёта Ил-76ТД, как одну из немногих в своём роде с ограничителем оборотов, с целью внесения изменений в ТХУ 3318 самолёта Ту-154М.

На самолёте Ил-76ТД ВВР продувается атмосферным воздухом от потока в полёте или на стоянке от вентилятора ТХ [14]. ТХ охлаждает воздух идущий в холодную линию СКВ и обеспечивает Т_в на выходе +5…10 °С, при этом Т_в на входе достигает +60…70 °С. Таким образом, ТХ понижает температуру на 55…60 °С. Вентилятор загружает турбину и продувает ВВР на земле. Маслобак заливается маслом ВНИИНП-50-4ф или ОКБ-122-14. Контроль уровня масла осуществляется по рискам на заливной горловине.

С целью предупреждения работы ТХ на нерасчётных режимах, которые могут привести к разрушению подшипников турбины введена автоматическая защита ТХ от превышения частоты вращения, увеличение её больше предельной (n_пр = 17500 ± 500 об/мин). Превышение возможно на больших высотах полёта (более 8000 метров) и скорости ниже 460 км/ч. На больших высотах забортный воздух имеет низкую плотность, что приводит, при постоянной производительности вентилятора ТХ, к увеличению частоты вращения вентилятора и ротора выше допустимой.

В автоматическую систему защиты ТХ по превышению частоты вращения входят:

- датчик оборотов встроенный в ТХ;

- сигнализатор оборотов;

- реле включения защиты.

Исходя из решения проблемы по раскрутке турбины на ТХУ 2280, предлагаю выполнить доработку ТХУ 3318, путём созданию автоматической системы ограничения оборотов с установкой в ТХУ 3318 индуктивного, либо механического (т.е. с сельсинной передачей) датчика оборотов. Принцип работы системы будет таков, что при достижении частоты вращения ротора ТХУ выше допустимых на 1500…2000 об/мин (т.е. на 19000 ± 500 об/мин) сработает светосигнализатор “ЗАЩИТА ТХ” и реле включения, при этом:

- разорвётся эл/цепь реле закрытия холодной магистрали (кран наддува 3308Б);

- разорвётся эл/цепь управления трёхканального блока заслонок на “ХОЛОД”;

- разорвётся эл/цепь реле сигнализации перегрева холодной линии (магистрали);

- включится автоматический режим регулятора температуры холодной магистрали РТА-36-30, при этом кран 3308В (на ТХУ) прикроется или вообще закроется;

- изменится настройка регулятора температуры РТА линии отбора воздуха от двигателей с 200 ± 20 °С до 140 ± 20 °С.

После этого частота вращения ТХУ снижается, все эл/цепи восстанавливаются в первоначальное положение, но табло “ЗАЩИТА ТХ” продолжает гореть. Температура 140 ± 20 °С будет поддерживаться в течение 10 минут. По их истечении времени, РТА снова перестроится на 200 ± 20 °С и табло погаснет. Если переключатель не стоял в положении “АВТОМАТ”, то РТА перестроится на 200 ± 20 °С и табло гаснет без выдержки 10 минут, т.е. сразу как только отключится реле включения защиты.

При включении ПОС РТА перестраивается со 140 °С на 220 °С не зависимо от сигнализации ТХУ.

Пневматическая схема. Возможна также установка пневматического ограничителя от раскрутки турбины ТХУ основанного на работе расширения воздуха, на турбине (рис. 24).



Рис. 24. Принципиальная схема комбинированной турбохолодильной установки [15]: 1 - дроссельная заслонка, 2 - воздушный теплообменник, 3 - выходная магистраль охлаждённого воздуха, 4 - турбина, 5 - вентилятор, 6 - воздушная трубка, 7 - мембрана, 8 и 13 - пружины, 9 - клапан, 10 - сильфон, 11 - трубопровод, 12 - мембрана дроссельного механизма, 14 - тяга

Степень расширения воздуха е в турбине, определяемая отношением входного давления p₁ к выходному давлению газа p₂ должна поддерживаться в заданных пределах. Превышение заданной степени расширения может вызвать раскрутку турбины и выход её из строя из-за разрушения подшипников. Уменьшение степени расширения против заданного значения приведёт к недоохлаждению воздуха в турбине и теплообменнике. Для регулирования степени расширения е в комплекте турбохолодильной установки предусмотрен регулятор, обозначенный позициями 7…11, который через дроссельный механизм 12, 13, и 14 управляет дроссельной заслонкой 1. Датчик регулятора включает в себя мембрану 7, жёстко связанную с вакуумированным сильфоном 10. Датчик работает по принципу работы дифференциального манометра. При установившемся режиме мембрана 7 и сильфон 10 находятся в равновесном положении, клапан 9 закрыт, дроссельная заслонка 1 занимает положение установившегося режима работы.

Если перепад давления на турбине 4 и, следовательно, на мембране 7 увеличивается против заданного, то мембрана прогнётся вверх и, растягивая сильфон 10, вызовет открытие клапана 9, что приведёт к повышению давления над мембраной дроссельного механизма. Мембрана, сжимая пружину, переместит дроссельную заслонку на уменьшение подачи и снижению давления перед турбиной. При уменьшении перепада давления на турбине регулятор срабатывает на открытие заслонки, на увеличение подачи воздуха и вызовет повышение давления перед турбиной.

Данное предложение в своём исполнении проще, чем первое, и не требует никаких изменений в эл/цепи.

Расчёт физических параметров. Для улучшения работы ТХУ 3318, познакомимся с основными параметрами, характеризующими работу турбохолодильника, которыми являются:

- коэффициент полезного действия;

- температурный перепад в турбохолодильнике;

- расход воздуха через турбохолодильник;

- показатель политропы расширения;

- частота вращения ротора.

Рассмотрим каждый параметр в отдельности, сравним с параметрами ТХУ 3318 и, в случае необходимости, произведём расчёт для улучшения рабочих значений этих параметров, а соответственно и для выполнения доработок.

Коэффициент полезного действия турбохолодильника. Под к.п.д. турбохолодильника понимают отношение работы, совершаемой реальным турбохолодильником, к работе, совершаемой идеальным турбохолодильником при той же степени расширения.

Пусть состояние воздуха, подводимого к турбине, определяется давлением p_о, теплосодержанием i_о и скоростью с_о. При выходе из турбины эти параметры обозначим соответственно p₂, i₂, с₂. Полная энергия 1 кг газа на входе в турбину будет равна

. (9)

Для нахождения к.п.д. ТХУ 3318 найдём работу, совершаемую идеальным турбохолодильником и ТХУ3318. Важно достичь наибольшего температурного перепада T₂ - T₁, работа L в уравнении (10) должна иметь отрицательный знак. В действительности это означает, что совершаемая газом работа на вращение рабочего колеса турбины должна быть использована. Практически это достигается нагрузкой вала турбины вентилятором, который совершает полезную работу, прогоняя воздух через ВВР.

± L = с_р·(T₂ - T₁) (10)

Подставим значения соответствующие значениям ТХУ 3318 [16]

L = 1,2·(5° - 195°) = 1,2·(-185) = -228 кГс·м (11)

В реактивной турбине расширение газа во входном диффузоре происходит не полностью, а от начального давления p_о до заданного промежуточного p₁. Окончательное расширение газа от промежуточного давления p₁ до давления за турбиной p₂ происходит в каналах рабочего колеса турбины. При относительно больших степенях расширения газа в турбохолодильных установках к.п.д. реактивных турбин несколько выше, однако конструкция их сложнее и надёжность работы меньше.

Работа идеального турбохолодильника

 . (12)

Если пренебречь вторым слагаемым правой части уравнения (12), то для адиабатного процесса получаем:

, (13)

Или

, (14)

где р - степень расширения воздуха в турбохолодильнике.

Подставим значения в уравнение (14), взятые из таблиц [15]

= 427 кГс·м (15)

Если ТХУ 3318 совершает работу L = 228 кГс·м, то его к.п.д. будет равен

= 0,53 (16)

Величина к.п.д. современных ТХУ находится в пределах 0,7…0,8. Однако если турбохолодильник работает в условиях, отличных от расчётных, то его к.п.д. может быть ниже приведённых. Таким образом, ТХУ 3318 имеет невысокий к.п.д.

Модернизация ВВТ 5307АТ. Тепловой и аэродинамический расчёт теплообменника

Для расчёта теплообменника должны быть заданы:

1. Количество тепла, отбираемого от кабинного воздуха, в зависимости от высоты полёта;

2. Температура и давление горячего воздуха перед теплообменником в зависимости от высоты полёта;

3. Расход горячего воздуха через теплообменник по высотам;

4. Величины предельно допустимых потерь давления горячего воздуха в теплообменнике по высотам;

5. Геометрические и аэродинамические характеристики туннеля.

Если вместо туннеля имеется специальная коммуникация для холодного воздуха, то должны быть заданы аналогичные величины для этого устройства.

Для расчёта необходимы следующие аэродинамические характеристики самолёта:

- скорость полёта по траектории при наборе высоты на режиме максимальной скороподъёмности

; (17)

450…500 км/ч (18)

- скороподъёмность самолёта (барограмма взлёта)

; (19)

6…8 м/с (20)

- максимальная скорость полёта по высотам

; (21)

600 км/ч (22)

При расчёте наиболее часто возникают две типовые задачи:

1. Определение необходимой поверхности теплообменника S при заданных условиях на входе и выходе для обеих рабочих сред;

2. Определение количества тепла, которое может быть передано теплообменником, если заданы его поверхность и условия на входе для обеих сред.

Если известны входные параметры для обеих рабочих сред и передаваемое тепло или одна из температур на выходе, то остальные температуры можно определить из следующих уравнений теплового баланса, применительно к ВВТ 5307АТ [17]:

- для горячего воздуха (23)

72,6·1020·(1200 - 900) = 22 215 Дж (24)

- для холодного воздуха (25)

19,7·860·(576 - 397) = 3 032 Дж (26)

где Q - количество переданного тепла;

c_{p г} и c_{p х} - теплоёмкость охлаждаемого и охлаждающего воздуха, Дж/кг·°С;

t_г и t_х - температуры горячего и холодного воздуха, °К.

По найденным значениям определим среднюю логарифмическую разность температур:

 , (27)

где ?t_б, ?t_м - большая и меньшая разности температур на входе и выходе теплообменника.

Подставим значения, соответствующие значениям ВВТ 5307АТ [17]:

. (28)

Анализируя полученные значения и условия работы, следует, что ВВТ 5307АТ является высоконагруженным узлом по температуре. Решением данной задачи является выполнение добровольного бюллетеня (подраздел 3.3) по замене ВВТ 5307АТ на ВВТ 154.03.7603.300 разработки АНТК им. А.Н. Туполева и “Хамильтон Стандарт-Наука” с матрицей (собственно теплообменной частью конструкции) из материала “Инконель” или же выполнение отбора воздуха от двигателей из двух разных точек (от разных ступеней), в зависимости от режима работы двигателя.

4. СИСТЕМА КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА САМОЛЁТА A-320

4.1 Конструкция и принцип работы системы

Рис. 25. Самолёт А-320

Система кондиционирования самолёта А-320 (рис. 25) открытого воздушного цикла с турбокомпрессором, петлевой схемой отделения влаги в линии высокого давления и частичной рециркуляцией кабинного воздуха [2]. Её принципиальная схема приведена на рис. 26.

Отбор воздуха в СКВ может производиться от компрессоров двигателей, ВСУ или наземного источника воздуха высокого давления.

При отборе воздуха от ВСУ его расход составляет: в жаркий день (+38 °С) 3300 кг/ч; в холодный день (-23 °С) 4500 кг/ч; в нормальный день (от -5 до +30 °С) 2950 кг/ч.

Номинальные значения подачи воздуха в систему: на земле - 3970 кг/ч, в полёте - 2940 кг/ч. Возможно изменение подачи в пределах 80...120 % от нормы. В случае отключения одного блока охлаждения подача воздуха снижается до 60 % от нормы.

При отказе СКВ во время полёта обеспечивается подача воздуха от скоростного напора через специальный воздухозаборник, расположенный снизу с левой стороны фюзеляжа. Воздухозаборник открывается по команде пилота, при этом пилот должен снизить высоту полёта (менее 3048 м). В системе предусмотрена подача воздуха от наземного кондиционера при выключенных двигателях и ВСУ. В обоих этих случаях воздух подаётся непосредственно в коллектор холодного воздуха.

Рис. 26. Схема системы кондиционирования воздуха самолёта А-320 [18]

Система обеспечивает вентиляцию пассажирского салона и кабины экипажа в соответствии с нормами JAR, 25.831 (а) и (с), на всех режимах полёта, в том числе в нештатных ситуациях.

Отобранный в систему воздух из линии кольцевания через регуляторы расхода подаётся к двум одинаковым независимым установкам охлаждения (Pack-ам). Регуляторы расхода могут быть переключены в положения:

- “Low” (“низко”, 80 %), что может быть выбрано в целях экономии топлива по усмотрению пилота при уменьшенном числе пассажиров или, когда позволяют окружающие условия;

- “Normal” (“норм”, 100 %), что соответствует нормальным условиям эксплуатации;

- “High” (“высоко”, 120 %) - выбирается при ненормально жарких окружающих условиях или для удаления дыма;

- “закрыто” - для отключения установки.

Если выбран режим “норм” или “низко” и возникает отказ одной из установок охлаждения воздуха, регулятор расхода в линии другой установки автоматически переходит в режим “высоко”.

В состав установки охлаждения, схема которой показана на рис. 27, входят первичный воздухо-воздушный теплообменник, основной воздухо-воздушный теплообменник, трехколесная турбохолодильная машина (ТХУ), теплообменник-перегреватель, теплообменник-конденсатор, влагоотделитель.

Холодный воздух из установок охлаждения подаётся в коллектор холодного воздуха (рис. 26), установленный под полом кабины, где происходит его смешивание с рециркуляционным воздухом. Поступающий в подпольное пространство кабинный воздух просасывается через фильтры рециркуляционными вентиляторами и через обратные клапаны подаётся в коллектор. Расход рециркуляционного воздуха составляет от 37 до 51 % (в нормальных условиях) от суммарного.



Рис. 27. Схема установки охлаждения (Pack) или вторичного узла охлаждения [18]

Воздух из коллекторов холодного и горячего воздуха смешивается и поступает в систему распределения (рис. 28). Пассажирская кабина условно разделяется на две зоны - переднюю и заднюю. Подача воздуха в эти зоны и регулирование температуры в них производится независимо. Подготовленный воздух распределяется в каждой зоне по трубопроводам, расположенным по правому и левому бортам в подпольной части кабины.

Рис. 28. Схема подачи воздуха в пассажирский салон самолёта А-320 [2]: 1 - подача воздуха через верхние выпускные отверстия, 2 - подача воздуха через нижние выпускные отверстия, 3 - трубопровод подачи воздуха в верхнюю зону, 4 - выпуск воздуха из салона, 5 - левый трубопровод подачи воздуха в переднюю (заднюю) зону.

Из этих трубопроводов воздух поступает в равномерно распределённые по длине салона трубопроводы, подающие воздух в верхнюю зону салона. Через верхние и нижние выпускные отверстия, расположенные над и под багажными полками соответственно, воздух поступает в кабину. Выход воздуха в подпольное пространство производится в нижней зоне у стенки.

Достоинствами данной системы являются следующие оригинальные конструктивные решения:

1. Режим рециркуляции кабинного воздуха - в зависимости от количества пассажиров;

2. Отбор воздуха в зависимости от режима работы двигателя осуществляется либо от 5-ой, либо от 9-ой ступени компрессора;

3. Обеспечение в полёте подвода воздуха в случае отказа даже двух двигателей (за счёт забора наружного воздуха на прямую в салон через открывающиеся аварийные воздухозаборники);

4. Автоматизированная система (в плане управления).

4.2 Эксплуатация системы

кондиционирование самолет авиационный кабина

Техническое обслуживание СКВ самолёта А-320, это комплекс операций по поддержанию работоспособного состояния. Техническое обслуживание выполняется по различным формам (Daily Check, Weekly Check, A, B, C, D Check), в соответствии с такими документами как, AMM (Aircraft Maintenance Manager) [19] и документом позволяющим уменьшать простои, и соответственно увеличивать регулярность полётов MMEL (Master Minimum Equipment List - Основной Перечень Минимального Оборудования) [20] и MEL (Minimum Equipment List - Перечень Минимального Оборудования) [20].

MMEL является документом, разработанным Департаментом по обеспечению и обслуживанию полётов Airbus. Эксплуатанты (авиакомпании) используют MMEL Airbus в качестве руководства для создания своего собственного MEL для своих лётных экипажей, персонала технического обслуживания, и/или персонала, занимающегося обеспечением полётов. Важно отметить, что MEL эксплуатанта не может быть менее строгим, чем MMEL, разработанный Airbus. Как MMEL, так и MEL являются нормативно-правовыми документами, которые утверждаются или принимаются органом контроля лётной годности. MMEL и MEL состоят из перечней компонентов и систем, которым присваивается статус “Допускается”, “Допускается, если”, или “Не допускается” в зависимости от их влияния на безопасность полёта. Они характеризуются следующим образом:

- компоненты со статусом “Допускается” или “Допускается, если” могут

оставаться в неисправном состоянии в течение ограниченного периода времени;

- наличие компонентов со статусом “Не допускается” является основаниемдля запрета полётов.

Как MMEL, так и MEL разработаны с целью сохранения приемлемого уровня безопасности полётов в случаях, когда воздушное судно допускается к полётам с неисправным (не задействованным) оборудованием. MEL позволяет эксплуатантам быстро организовать эксплуатацию (полёты) воздушного судна и избежать излишних задержек или отмены рейсов, не ставя под угрозу безопасность полётов.

4.3 Характерные отказы и неисправности. Методы их выявления и устранения

В течение 2001…2004 года 14 % прерванных полётов самолётов семейства А-320 имеет отношение к главе 21 AMM [19] (рис. 29), т.е. к СКВ [21].



Рис. 29. Диаграмма отказов СКВ самолётов семейства А-320 в период 2001…2004 года. Раздел 21 AMM - Air Conditioning System & Ventilation [21]

Характерными отказами и неисправностями СКВ семейства самолётов А-320 являются следующие:

1. Сбои в блоке AEVC - Avionics Equipment Ventilation Computer (рис. 30)

Способы выявления: Невозможность герметизации салона из-за не закрывающихся или открывающихся самопроизвольно в полёте клапанов вентиляции авионики по неверным сигналам этого блока.

Причины: Конструктивные, а именно невозможность работы в условиях повышенной эксплуатационной вибрации и неверная обработка сигнала о задымлении отсека авионики.

Методы устранения: Замена на новый блок, с демпфирующим устройством и обновлённой платой.

Рис. 30. Блок AEVC, отвечающий за вентиляцию авионики [21]

2. Разрушение хомутов во вторичном узле охлаждения

Способы выявления: Плохой наддув гермокабины, связанный с утечками (травлением) воздуха из вторичных узлов охлаждения (Pack-ов). При осмотре обнаружение разрушений гофрированных патрубков (трубопроводов, рис. 31) в местах соединения хомутами.

Причины: Корродирование и разъедание материала патрубков из-за высоких температур и повышенной вибрации при прохождении воздуха.

Методы устранения: Заменить хомуты на коррозионно-стойкие.

Рис. 31. Типичный случай разрушения хомута [21]

3. Разрывы стенок конденсатора

Способы выявления: Плохой наддув гермокабины, связанный с нарушением герметичности конденсатора (рис. 32).

Причины: Неудачная заводская конструкция.

Методы устранения: Увеличение толщины стенок конденсатора.

Рис. 32. Типичный случай разрыва конденсатора [21]

В течение 2004 года 8 % [21]прерванных полётов самолётов семейства А-320 имеют отношение к главе 36 AMM [19], системе отбора воздуха (рис. 33).

Рис. 33. Диаграмма отказов СКВ самолётов семейства А-320 за 2004 год. Раздел 36 (Pneumatic) [21]

Характерными отказами и неисправностями являются следующие:

1. Главной причиной являются утечки отобранного воздуха из магистралей, ведущих от двигателя ко вторичному узлу охлаждения (к Pack);

2. Отбор продувочного воздуха высокой температуры от вентилятора двигателя на Precooler (ВВТ или первичный узел охлаждения), вследствие неправильной работы TCT (Temperature Control Thermostat);

3. Отбор продувочного воздуха высокой температуры по причине загрязнения фильтра TCT.

4.4 Анализ надёжности. Предложения по модернизации

В течение 2001…2004 года невозможность совершения полёта или возвращение из полёта на базу самолётов семейства А-320 по причине неисправности СКВ соответствует 14 % (рис. 34) от общего количества отказов, включающих отказы других самолётных систем. Наряду с отказами систем шасси и двигателей, это самый высокий показатель.

Рис. 34. Диаграмма отказов по различным системам за 2001…2004 года [21]

Предложения по модернизации СКВ самолётов семейства A-320:

1. Изменить схему управления клапанами и заслонками с пневматической на электромеханическую;

2. Установка нового блока AEVC, с более обновлённой платой;

3. Замена хомутов трубопроводов и патрубков в Pack на коррозионно-стойкие;

4. Увеличение толщины стенок конденсатора в Pack;

5. Установка испарительного увлажнителя воздуха;

6. Изменить установку датчика TCT в подсистеме отбора;

7. Уменьшить периодичность смотровых работ на предмет загрязнения фильтров TCT до 20 месяцев.

5. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА САМОЛЁТОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

К перспективным системам кондиционирования воздуха относится СКВ самолёта B-787 “Dreamliner” (рис. 35) фирмы Boeing. Главной отличительной особенностью самолёта В-787 являются электрические системы, которые заменяют большинство пневматических систем, устанавливаемых традиционно на современных самолётах гражданской авиации. Одним из преимуществ электрической системы по сравнению с пневматической системой отбора воздуха от двигателей является большая эксплуатационная эффективность, получаемая за счёт уменьшения расхода топлива. Расчёты прогнозируют экономию топлива приблизительно на 3 %. Boeing также предлагает авиакомпаниям повысить эффективность эксплуатации ВС, благодаря преимуществам электрических систем по сравнению с пневматическими из-за уменьшения затрат на ТО в течение всего ресурса.

Рис. 35. Самолёт B-787 в сборочном цеху [22]

5.1 Предпосылки создания самолёта с более мощной системой электроснабжения

Недавние технологические достижения позволили фирме Boeing внедрить новую конфигурацию бортовых систем без отбора воздуха в конструкцию самолёта В-787 (рис. 36) [22]. В новой конфигурации отбор воздуха от двигателей и последующее использование энергии этого воздуха для выполнения ряда функций заменены использованием дополнительно генерируемой на борту ВС электроэнергией. Конфигурация бортовых систем без отбора воздуха от двигателей предлагает авиакомпаниям целый ряд преимуществ, в том числе:

- улучшенный расход топлива за счёт более эффективного получения, передачи и потребления дополнительных мощностей;

- сокращение затрат на техническое обслуживание благодаря исключению сложной системы отбора и распределения сжатого воздуха;

Рис. 36. Сравнение схем электроснабжения самолётов с традиционной пневматической системой и системой без отбора воздуха от двигателей [22]

- повышенная надёжность в результате использования современной электроники больших мощностей и меньшего количества деталей в двигателях;

- увеличенная дальность полёта и сниженный расход топлива благодаря меньшей общей массе воздушного судна.

Сокращение затрат на техническое обслуживание и повышенная надёжность ВС объясняются тем, что данная конфигурация использует меньшее количество узлов и деталей по сравнению с системами предыдущих поколений.

Конфигурация систем самолёта В-787 без отбора воздуха позволит маршевым двигателям создавать требуемую тягу более эффективно, поскольку весь высокоскоростной газовоздушный поток, производимый двигателями, идёт на создание тяги. Пневматические системы, которые отбирают часть высокоскоростного потока от маршевых двигателей, лишают предыдущих поколений самолёты определённой части тяги и увеличивают расход топлива.

Специалисты компании Boeing полагают, что использование электроэнергии более эффективно, чем использование вырабатываемой двигателями энергии сжатого воздуха, и рассчитывают, что новая конфигурация позволит сэкономить до 35 % энергии двигателей. Обычные пневматические системы, потребляющие отобранный от двигателей сжатый воздух, как правило, производят больше энергии, чем это необходимо в большинстве ситуаций, приводя к тому, что избыток энергии сбрасывается за борт. Трубопроводы, используемые для подачи сжатого воздуха, запорные клапаны и узлы предварительного охлаждения выполнены из титановых сплавов, что прибавляет сотни килограммов к массе самолёта. Электроэнергетическая система проста с точки зрения контроля и управления, и производит ровно столько энергии, сколько необходимо. Энергетическая мощность, которая вырабатывается в генераторах с переменной частотой, преобразуется в отсеке электронного оборудования до распределения по соответствующим системам.

5.2 Конфигурация бортовых систем самолёта В-787 без отбора воздуха от двигателей

Конфигурация бортовых систем самолёта В-787 без отбора воздуха от двигателей схематично показана на рис. 37. На самолёте В-787 отбираемый воздух используется только для защиты от обледенения входного устройства двигателя и наддува баков двигательных гидросистем. Электроэнергия, поступающая от генераторов, приводимых маршевыми двигателями и ВСУ, расходуется на: работу противообледенительной системы крыла; запуск двигателей привод гидравлических насосов высокой мощности; электроснабжение системы кондиционирования воздуха.

Рис. 37. Принципиальная схема новой конфигурации систем без отбора воздуха от двигателей [22]

В данной конфигурации источниками энергии для электрической системы являются генераторы с приводом от двигателей и от ВСУ, в то время как источниками энергии для гидравлической системы являются: гидронасос с механическим приводом от двигателя и гидронасос с приводом от электродвигателя. Источники гидравлической энергии с механическим приводом от двигателя в конфигурации без отбора воздуха, подобны источникам в традиционной конфигурации.

В конфигурации бортовых систем без отбора воздуха от двигателей, компрессоры с электроприводом выполняют функцию наддува кабины, свежий воздух через трубопроводы и короба поступает в гермокабину. По мнению специалистов фирмы Boeing, этот подход в значительной мере более эффективен, чем традиционная система отбора воздуха, так как отсутствует чрезмерный отбор энергии от двигателей, сопровождаемый потерей энергии в узлах предварительного охлаждения и регулирующих клапанах. В новой схеме нет никакой необходимости полностью использовать поступающий от двигателей сжатый воздух. Вместо этого, сжатый воздух производится компрессорами с электроприводом с регулируемым расходом при необходимом давлении без существенной потери энергии. Это приводит к значительному улучшению расхода топлива двигателями.

5.3 Двигатели

В традиционной конфигурации двигатели удовлетворяют большую часть потребностей вторичных бортовых систем в энергопитании (пневмопитании); в конфигурации без отбора воздуха двигатели удовлетворяют большую часть потребностей бортовых систем в энергопитании в виде электроэнергии с помощью электрогенераторов, приводимых во вращение от двигателей через валы-рессоры. Традиционная конфигурация системы отбора сжатого воздуха влечёт за собой меньшую эффективность работы маршевых двигателей. Исключение отбора сжатого воздуха приводит к более эффективной работе двигателей за счёт снижения потребляемой мощности на уровне всего самолёта - воздушное судно за рейс не нуждается в такой мощности от двигателей, и поэтому не сжигается так много топлива. Прогнозируемое улучшение потребления топлива, в условиях рейса, по оценкам специалистов фирмы Boeing находится в диапазоне от 1 до 2 %. Кроме того, конфигурация без отбора воздуха позволяет существенно упростить обвязку двигателя, благодаря отсутствию пневматической системы и связанных с ней узлов предварительного охлаждения, регулирующих клапанов и предусмотренной пневматической системой трубопроводов. На рис. 38 сравнивается типичная обвязка маршевого двигателя с отсутствием отбора и традиционного двигателя с отбором воздуха.

Рис. 38. Сравнение обвязки маршевого двигателя: а - двигатель без отбора воздуха, б - двигатель с отбором воздуха [22]

5.4 Запуск двигателя и вспомогательной силовой установки

Функции запуска двигателя и ВСУ (APU) на самолёте В-787 выполняются в соответствии с методом, который был с успехом применён для ВСУ в семействе самолётов В-737 следующих поколений. В соответствии с этим методом генераторы работают в режиме стартёров, при этом порядок запуска контролируется пусковыми конвертёрами. Для получения оптимального режима запуска пусковые конвертёры обеспечивают стартёр-генераторы преобразованной электроэнергией (устанавливают напряжение и частоту). Конвертёры запуска двигателя и ВСУ выполняют функцию регулятора электропитания для электродвигателя компрессора наддува кабины. Как правило, оба генератора на ВСУ и оба генератора на двигателе используются для оптимального режима запуска. Несмотря на это, в случае неисправности генератора, оставшийся исправный генератор может быть использован для запуска двигателя, но в более медленном темпе. Для запуска ВСУ требуется только один генератор. Источником энергии для запуска ВСУ может быть аккумулятор самолёта, источник аэродромного питания или генератор с приводом от двигателя. Источником энергии для запуска маршевого двигателя может быть генератор ВСУ, генератор с питанием электроэнергией от уже запущенного двигателя или два источника аэродромного питания с напряжением 115 VAC (Volts Alternating Current - Вольт Переменного Тока), расположенные в передней части самолёта. При желании, для быстрого запуска могут использоваться разъёмы аэродромного питания, расположенные в хвостовой части самолёта.

5.5 Система контроля параметров воздуха

В электрической конфигурации самолёта В-787 производимая мощность компрессоров наддува кабины пропускается через установки для охлаждения воздуха с низким давлением для повышения эффективности. Регулируемая мощность электрических двигателей позволит в дальнейшем оптимизировать потребление энергии самолётом, не требуя выработки излишней мощности из подаваемого сжатого воздуха и впоследствии полностью его контролировать с помощью регулирующих клапанов, что влечёт за собой потери энергии. Уход от энергетических потерь, связанных с абсолютным регулированием, приводит к улучшениям показателей потребления топлива, и расход воздуха с помощью системы контроля параметров воздуха может быть скорректирован в соответствии с количеством пассажиров на рейс для того, чтобы достичь наименьших потерь энергии и, одновременно, удовлетворить требования по расходу воздуха.

5.6 Вспомогательная силовая установка

Как и в традиционной конфигурации, вспомогательная силовая установка в конфигурации электрической без отбора воздуха смонтирована в хвостовой части фюзеляжа, но она вырабатывает исключительно электроэнергию. Вследствие этого, она намного более проста, чем ВСУ в традиционной конфигурации, так как отсутствуют все элементы, связанные с отбором сжатого воздуха. Это должно привести к значительному улучшению надёжности и упрощению обслуживания ВСУ.

Более того, воспользовавшись преимуществом свойства переменной частоты электрической системы В-787, ВСУ функционирует при переменной скорости для повышения эффективности. Рабочая скорость зависит от температуры окружающего воздуха в пределах 15-процентного диапазона номинальной скорости.

5.7 Выводы

Основным преимуществом, ожидаемым от конфигурации без отбора воздуха самолёта Boeing 787, является уменьшение расхода топлива в результате получения более эффективного цикла двигателя и выработки дополнительной мощности, передачи электроэнергии и её использования. Также ожидается, что устранение сложной системы подачи воздуха приведёт к снижению необходимости частого технического обслуживания и ремонта самолётов, а также улучшит надёжность воздушного судна, так как при установке двигателя потребуется меньшее количество комплектующих деталей; не будет IDG (Integrated Drive Generator - Генератор со встроенным приводом), трубопроводов, узлов предварительного охлаждения, клапанов, устройств защиты от повышения давления в трубопроводах и избыточного нагрева; также не будет сжатого воздуха из вспомогательной силовой установки, на смену которой пришла более простая и более надёжная ВСУ. Конфигурация без отбора воздуха В-787 также характеризуется современной электроникой больших мощностей и двигателями, которые обеспечивают увеличение суммарной надёжности, снижение затрат и повышение производительности. И наконец, данная конфигурация подразумевает уменьшение массы самолёта, уменьшение количества деталей и более простой монтаж системы.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

На основании полученных результатов анализа трёх различных типов систем кондиционирования воздуха следует, что СКВ самого эксплуатируемого отечественного самолёта Ту-154М более сложна, имеет большую массу и имеет большее число отказов, чем СКВ одного из самых эксплуатируемых самолётов иностранного производства - самолёта А-320. После Ту-154М на отечественных самолётах следующего поколения, таких как Ту-204/214 и Ил-96-300 СКВ были кардинально изменены, и изменены действительно в лучшую сторону.

Характерными отказами и неисправностями КСКВ самолёта Ту-154М являются отказы воздухо-воздушного теплообменника (ВВТ 5307АТ), турбохолодильной установки (ТХУ 3318), пневматической системы весовой подачи воздуха (ПСВП), обратных клапанов 3203Т, 4477, 4672.

По модернизации КСКВ Ту-154М предлагаются следующие мероприятия:

1. ВВТ 5307АТ разместить в передней кромке пилона и сделать его работу, основанную на принципе работы ВВР 4458Т, т.е. роль продувочного воздуха в полёте будет выполнять набегающий поток (скоростной напор), а не воздух, отбираемый от второго контура двигателя. На земле, продувочный воздух будет по-прежнему отбираться от второго контура. Данное решение уменьшит расход топлива;

2. Для ПОС носков крыла использовать воздух не из КСКВ, а отработанный продувочный воздух либо за ВВТ 5307АТ, либо за ВВР 4458Т. Данное решение уменьшит расход воздуха в КСКВ, отбираемого от двигателей, тем самым снизит расход топлива;

3. Установить ограничитель оборотов на ТХУ 3318 и/или установить датчик превышения оборотов, соответственно с выводом светосигнализатора предупреждения об этом на панель бортинженера;

4. Установить ТХУ 3318 в звукопоглощающий корпус, а в патрубок сброса продувочного воздуха ВВР 4458Т установить глушитель шума;

5. Выполнить замену ВВТ 5307АТ на ВВТ 154.03.7603.300 разработки АНТК им. А.Н. Туполева и “Хамильтон Стандарт-Наука” с матрицей (собственно теплообменной частью конструкции) из материала “Инконель”;

6. Изменить конструкцию ПСВП;

7. Заменить все лепестковые клапаны на гравитационные клапаны.

В течение 2001…2004 года 14 % прерванных полётов самолётов семейства А-320 имеет отношение к главе 21, т.е. к СКВ, при этом характерными отказами и неисправностями СКВ семейства самолётов А-320 являются сбои в блоке AEVC (Avionics Equipment Ventilation Computer), разрушение хомутов во вторичном узле охлаждения, разрывы стенок конденсатора.

В течение 2004 года 8 % прерванных полётов самолётов семейства А-320 имеют отношение к главе 36 (системе отбора воздуха), при этом характерными отказами и неисправностями являются утечки отобранного воздуха из магистралей, ведущих от двигателя ко вторичному узлу охлаждения (к Pack), отбор продувочного воздуха высокой температуры от вентилятора двигателя на Precooler (ВВТ или первичный узел охлаждения), вследствие неправильной работы TCT (Temperature Control Thermostat), отбор продувочного воздуха высокой температуры по причине загрязнения фильтра TCT.

В течение 2001…2004 года невозможность совершения полёта или возвращение из полёта на базу самолётов семейства А-320 по причине неисправности СКВ соответствует 14 % от общего количества отказов, включающих отказы других самолётных систем. Наряду с отказами систем шасси и двигателей, это самый высокий показатель.

По модернизации СКВ самолётов семейства A-320 предлагаются следующие мероприятия:

1. Изменить схему управления клапанами и заслонками с пневматической на электромеханическую;

2. Установить новый блок AEVC, с обновлённой платой;

3. Заменить хомуты трубопроводов и патрубков в Pack на коррозионно-стойкие;

4. Увеличить толщину стенок конденсатора в Pack;

5. Установить испарительный увлажнитель воздуха;

6. Изменить установку датчика TCT в подсистеме отбора;

7. Уменьшить периодичность смотровых работ на предмет загрязнения фильтров TCT с 40 до 20 месяцев.

Как показывают тенденции развития самолётостроения, перспективными будут электрифицированные СКВ, собственно как и большинство других самолётных систем. В основе такой СКВ будут использоваться автономные компрессоры, приводимые во вращение от электрических двигателей, мощность электропривода на всех режимах будет в точности соответствовать той величине, которая необходима для функционирования СКВ.

Исследования показали [23], что электрификация СКВ позволит обеспечить:

- снижение потерь мощности до 30 %;

- сокращение массы трубопроводной системы и агрегатов на 20…30 %;

- сокращение расхода топлива на 1…2 %.

И уже сейчас примером такой системы может служить СКВ самолёта Boeing 787, которая позволит повысить уровень безопасности и регулярности полётов, а также сэкономить деньги на расходе топлива и обслуживании, в чём сейчас заинтересованы все авиакомпании мира.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. ИНТЕРНЕТ (http://www.55a.net/firas/rusi/?page=show_det&id=434 и http://ru.wikipedia.org - в поиске прописать “горные гуси”).

2. Антонова Н.В., Дубровин Л.Д., Егоров Е.Е. Проектирование авиационных систем кондиционирования воздуха. - М.: Машиностроение, 2006. - 384 с.

3. ГОСТ 4401-81. Атмосфера стандартная. Параметры (Соответствует международному стандарту ISO 2532). - 181 с.

4. ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers). Handbook of Fundamentals.

5. Единые нормы лётной годности гражданских транспортных самолётов стран-членов СЭВ. - М., Межведомственная комиссия по нормам лётной годности гражданских самолётов и вертолётов СССР, 1985.

6. Воронин Г.И. Системы кондиционирования воздуха на летательных аппаратах. - М.: Машиностроение, 1973. - 248 с.

7. Шустров Ю.М., Булаевский М.М. Авиационные системы кондиционирования воздуха. - М: Машиностроение, 1978. - 280 с.

8. Воронин Г.И. Конструирование машин и агрегатов систем кондиционирования. - М.: Машиностроение, 1978. - 544 с.

9. Антипенко М.Н., Данилов Н.В., Кузнецов В.И. Эксплуатация систем кондиционирования воздуха пассажирских самолётов. - М.: Транспорт, 1974. - 136 с.

10. Благинин Г.М. Основные системы самолёта Ту-154М. Ульяновск, 1986.

11. Регламент технического обслуживания. РО-90. Самолёт Ту-154М.

12. Руководство по технической эксплуатации Ту-154М.

13. Каталог часто встречающихся дефектов, схемы их поиска и устранения. Самолёт Ту-154М.

14. Руководство по технической эксплуатации Ил-76ТД.

15. Гришамов Н.Т. Высотное оборудование самолётов ГА. - М.: Транспорт, 1978. - 270 с.

16. Паспорт турбохолодильника 3318.

17. Паспорт воздухо-воздушного теплообменника 5307АТ.

18. Sabena Technics. Technical Training. Airbus A319/A320/A321.

19. Aircraft Maintenance Manual A319/A320/A321.

20. Введение в MMEL и MEL. Русская версия - Издание 1. Airbus Industry. 2006.

21. Airbus Technical Magazine - “Flight Airworthiness Support Technology”.

22. Авиационный журнал “AERO” фирмы Boeing.

23. Авиационный журнал “Авиа Панорама”. Март-апрель, 2009.

24. Межин К.А. Конструкция и эксплуатация систем кондиционирования воздуха магистральных самолётов гражданской авиации. Всероссийская молодёжная научная конференция с международным участием “X Королёвские Чтения”. Сборник трудов. Самара, 2009, с. 114.

25. Старостин К.И. Математическое моделирование авиационных систем кондиционирования воздуха с учётом влажности. - М.: Издательство МАИ, 2009.

Размещено на Allbest.ru