Курсовая работа: Проектирование системы кондиционирования воздуха среднемагистрального пассажирского самолета

От величины взлетной массы Мвзл зависят основные тактико-технические характеристики самолета (дальность, скороподьемность, маневренность, высотность). Учет массы системы кондиционирования Мскв необходим 7на ранних стадиях создания летательного аппарата. Собственная установочная масса системы не равна ее взлетной массе Мвзл, так как она требует затрат энергии для своей транспортировки, работы агрегатов, преодоление аэродинамического сопротивления воздухозаборника и т.д.

5.1. Масса топлива, расходуемая на преодоление аэродинамического сопротивления воздухозаборников СКВ

- Внешнее аэродинамическое сопротивление воздузаборников СКВ:

               (5.1) 

где =0,0047 м2 – площадь миделя частей дополнительного воздухозаборника, выставленных в поток; =0,3118 кг/м3- плотность воздуха на высоте крейсерского полета самолета Н=12000м; = 850 км/ч – крейсерская скорость полета самолета; =0,12 – коэффициент аэродинамического сопротивления частей воздухозаборника, выставленных в поток (воздузаборник расположен в нижней части фюзеляжа под крылом).

- Внутреннее аэродинамическое сопротивление воздузаборников СКВ:

       (5.2)        

где: =0,346 кг/с – массовый расход воздуха через воздухозаборник; =150 м/с – остаточная скорость на выходе в атмосферу; =25о – угол между направлением выхода струи воздуха и направлением полета.

- Масса топлива, расходуемая на преодоление аэродинамического сопротивления воздухозаборников СКВ:

                                      (5.3)

где К=19 – аэродинамическое качество самолета; g =9,8м/с2 – ускорение свободного падения; Суд =0,57 кг/Нч – удельный расход топлива на крейсерском полете;  =3,5 часа – время полета самолета.

5.2 Масса топлива, расходуемая на сжатие в компрессоре двигателя воздуха, подаваемого в СКВ

      (5.4)        

где =4200 кг/ч – расход воздуха, отбираемого от ступени компрессора; =1160Дж/(кгК) – удельная теплоемкость топлива; =1500К – температура газов в камере сгорания; =44000 кДж/кг – удельная теплота сгорания топлива; =0,98- коэффициент полноты сгорания топлива в камере сгорания;  =12,5 – степень сжатия воздуха в кабине за последней ступенью компрессора; = 10,669 – степень сжатия воздуха в компрессоре за ступенью отбора.

- Масса топлива, расходуемая на сжатие в компрессоре двигателя воздуха, подаваемого в СКВ:

 =947,8кг.                   (5.5)

5.3 Масса топлива, расходуемая на компенсацию энергии, отбираемой в СКВ с вала двигателя

- Расход топлива на компенсацию потерь энергии, отбираемой с вала двигателя:

где =620 Вт – энергия, снимаемая с вала двигателя.

=66,5586 кг/ч.

- Масса топлива, расходуемая на компенсацию потерь энергии, отбираемой с вала двигателя:

                     =213,094 кг.

5.4 Массовые характеристики агрегатов СКВ

5.4.1 Теплообменные аппараты

5.4.1.1 ВВТ1 (воздухо-воздушный теплообменник)

- Тепловой поток, отводимый воздухо-воздушным теплообменником:

где =1.032 кг/с – расход воздуха через воздухо-воздушный теплообменник; =401.076 К – температура воздуха перед воздухо-воздушным теплообменником; =347.03 К – температура воздуха на выходе из воздухо-воздушного теплообменника.

=56.05 кВт.

- Масса воздухо-воздушного теплообменника:

5.4.1.2. ВВТ2

- Тепловой поток, отводимый воздухо-воздушным теплообменником:

где =1.032 кг/с – расход воздуха через воздухо-воздушный теплообменник; =373.952 К – температура воздуха перед воздухо-воздушным теплообменником; =342.476 К – температура воздуха на выходе из воздухо-воздушного теплообменника.

=32.65 кВт.

- Масса воздухо-воздушного теплообменника:

5.4.1.3 РГТ (регенеративный теплообменник)

- Тепловой поток, отводимый РГТ:

где =1.032 кг/с – расход воздуха через регенеративный теплообменник; =342.476К – температура воздуха перед регенеративным теплообменником; =326.016К – температура воздуха на выходе из регенеративного теплообменника.

=17.07 кВт.

- Масса воздухо-воздушного теплообменника:

5.4.2 Турбохолодильник

- Тепловой поток, отводимый первой турбиной Т1:

где =1.032 кг/с – расход воздуха через Т1; =315.62 К – температура воздуха перед Т1; =270.947 К – температура воздуха на выходе из Т1.

=46.33кВт.

- Масса первой турбины Т1:

- Тепловой поток, отводимый второй турбиной Т2:

где =1.032 кг/с – расход воздуха через Т2; =315.62 К – температура воздуха перед Т2; =278.912 К – температура воздуха на выходе из Т2.

=38.07 кВт.

- Масса второй турбины Т2:

5.4.3 Влагоотделитель

- Масса влагоотделителя:

где =3715 кг/ч – расход воздуха через влагоотделитель.

=9.538 кг.

5.4.4 Трубопроводы

- Масса трубы:

где - условный диаметр трубы (см. табл. 1.), м; - толщина стенки трубы (см. табл. 1.), м; - длина трубы, м; - плотность материала трубы, кг/м3.

Длины участков трубопроводов определяются по компоновочной схеме размещения СКВ на самолете.

- Плотности материалов трубопроводов:

Материал: 12Х18Н10Т ….=7800 кг/м3

АМг-6……… =2700 кг/м3.

- Масса теплоизоляции трубы:

где - расчетный диаметр трубы; - толщина стенки трубы; - толщина теплоизоляции трубы; - длина трубы; - плотность материала теплоизоляции.

Результаты расчетов трубопроводов сведены в таблице 3.

Таблица 3

- Масса соединений всех трубопроводов:

где =16 - количество соединений трубопроводов СКВ; - условный диаметр i-го участка трубопровода.

= 0.919 кг.

- Масса креплений всех трубопроводов:

где h = 500мм – средний шаг установки креплений трубопроводов; L – длина i-го участка трубопровода.

= 8.916 кг.

5.4.5 Установочная масса системы кондиционирования воздуха

)

= 314.063 кг.

5.5 Масса топлива, необходимая для перевозки установочной массы СКВ

= 565.649 кг.

5.6 Приращение взлетной массы  самолета, вызванное установкой на нем СКВ

=3471кг.

6. Сравнение альтернативной СКВ по приращению взлетной массы

В качестве альтернативной примем одноступенчатую СКВ с влагоотделением в линии высокого давления.

Рис.4. Одноступенчатая система охлаждения с влагоотделением в линии высокого давления.

Данная схема может быть получена из двухступенчатой схемы (рис.1) за счет исключения из нее промежуточного компрессора КМ, вторичного теплообменника ВВТ2, регенеративного теплообменника РГТ и вторую турбину турбохолодильника ТХ2.

Методика тепловлажностного расчета данной схемы такая же как и в пункте 3 при  Расчет трубопроводов СКВ и приращения взлетной массы самолета производится по формулам пунктов 4 и 5 при соответствующих значениях параметров.

Расчеты показывают, что приращение взлетной массы самолета при установке на нем альтернативной одноступенчатой СКВ равно 4833 кг. Тепловлажностный расчет данной СКВ показывает, что при расчетных условиях пункта 3 данная схема не обеспечивает необходимую относительную влажность воздуха в кабине самолета. При установке СКВ данной схемы относительная влажность воздуха в кабине самолета более 100%. Кроме того, данная схема, из-за отсутствия вторичного теплообменника ВВТ2, на земле выдает температуру воздуха на выходе из системы равную , что не соответствует нормам.

Из этого можно сделать вывод, что принятая двухступенчатая двухтурбинная схема является наиболее эффективной по сравнению с альтернативной одноступенчатой , так как последняя не обеспечивает требуемые параметры воздуха в кабине, хотя и является более легкой и менее энергоемкой. В режиме крейсерского полета самолета альтернативная одноступенчатая схема по своей эффективности не уступает принятой двухступенчатой схеме, но вследствие небольшой разности приращения взлетных масс самолета при установке на нем одной из данных СКВ, более приемлемой является двухступенчатая двухтурбинная схема, так как она обеспечивает требуемые параметры воздуха в кабине на наиболее нагруженном режиме работы, то есть на стоянке самолета.

7. Область применения проектируемой СКВ

Рассмотрим область применения проектируемой СКВ в зависимости от условий полета самолета.

При расчете области применения данной СКВ считаем, что расход воздуха G, через систему постоянен и равен максимальному, то есть , отсутствует рециркуляция кабинного воздуха, системные параметры приняты такими же как и в пункте 3. Регулирование температуры воздуха на выходе из СКВ производится путем изменения расхода продувочного воздуха основного теплообменника ВВТ2 () и включением обводного канала турбины турбохолодильника ТХ (). Температура воздуха на выходе из СКВ .

Принят следующий закон регулирования в кабине самолета: Рк=101325 Па при Н=0…6300 м, Рк=Рн+56000 Па при Н=6300…12000 м, Рк=80000 Па при Н>12000 м.

Как видно из графика (рис.5.) область применения данной СКВ достаточно узка, особенно при Н>9000 м. Расширить область данной СКВ можно с помощью системы рециркуляции кабинного воздуха (уменьшиться расход G и следовательно степень зависимости СКВ от условий полета) и изменения системных параметров, особенно таких как ,.

Заключение

В данном курсовом проекте был проведен расчет СКВ среднемагистрального пассажирского самолета Ту-204. Полученные в результате расчета параметры СКВ при максимальной холодопроизводительности, а также полученная область применения СКВ удовлетворяет требованиям современных сверхзвуковых истребителей-перехватчиков. Данная схема СКВ поддерживает в норме параметры воздуха в гермокабине и в отсеках БРЭО, необходимые для нормальной работы самолета. Также СКВ удовлетворяет требованиям по минимальной взлетной массе и по габаритным характеристикам.

Литература

1.  Спарин В.А. Влажностная обработка воздуха в СКВ летательных аппаратов. Учебное пособие. – Новосибирск: НГТУ, 1998

2.  Спарин В.А. Тепловой расчет СКВ летательных аппаратов. Учебное пособие.- Новосибирск: НГТУ, 1995

3.  Система оборудования летательных аппаратов / Под ред. А.М. Матвиенко и В. И. Бекасова.- М.: Машиностроение, 1995

4.  Рывкин С.А. Трубопроводы систем кондиционирования воздуха летательных аппаратов. Методическое указание. – Новосибирск: НГТУ, 1989

5.  Прохоров В. И. Двигатель ПС-90А. Учебное пособие.- Москва: МАИ, 1990

6.  Ту-204. Руководство по эксплуатации. Раздел КСКВ-051