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[21空调] 低速风扇、高速风扇和电子设备通风形态

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发表于 2021-1-8 06:50:37 | 显示全部楼层 |阅读模式

发动机风扇竟然要限速?为什么驾驶舱这么吵?什么时候超控排气扇和鼓风机?如何才能保护老机长的听力?这篇是关于低速风扇、高速风扇和A320电子舱通风形态的故事。


为了理解“高速风扇”,我们从“低速风扇”说起。


01 低速风扇


要是说到飞机有风扇,大家容易想到的,很可能是下图这种大家伙。GE的哪个型号有人知道吗?这种风扇的叶片,是涡轮发动机唇口里的动力推进器(propeller)。图片展示的是被“剥了壳”的发动机。一个圆筒状的机匣(case)包容了风扇;机匣外面缠绕着许多管路和其他形状的部件,它们可以被概括叫做“附件”(accessories)。


既然发动机用于产生推力,而风扇产生了绝大部分的推力,那么,发动机就可以理解为风扇和它的附件小伙伴们的结合体。或者可以这么说:发动机就是一只开了外挂的风扇


低速风扇、高速风扇和电子设备通风形态-1.jpg


外挂披身,是为了能让风扇“快到起飞”吗?出乎意料的事实是:根本不需要外挂,只要给得起燃油,一只核心机天生就可以快到比起飞还要快;外挂的一个重要职责反而是限制它的速度!一台典型的发动机风扇,直径大约2米,最高转速“只有”大约每分钟3000转。真的不能再快了!再快的话,叶片的尖部就要突破音速。迄今为止,超音速的风扇叶尖在技术上都是不安全的。


低速风扇、高速风扇和电子设备通风形态-2.jpg


每分钟3000转是什么概念?挺普通的,所以才说发动机风扇是低速风扇嘛。家庭用的台扇,已经达到大约每分钟1000转;而你眼前的电脑,CPU风扇最高也可以运行到5000转以上;好在它们都足够小巧,否则也同样需要一套限速外挂……


02 高速风扇


现在把发动机风扇缩小10倍,就得到了所谓“高速风扇”的尺寸,大约为直径20厘米左右。下图是A320电子设备通风系统的排气扇(extractor fan),它使用115V交流电作为动力来源。精密制造技术使它可以转得极快,但供电功率的限制使它不能起飞。它的额定转速是每分钟11600转,大约相当于发动机风扇的4倍。


低速风扇、高速风扇和电子设备通风形态-3.jpg


即便如此,这台风扇的转速也接近了每秒钟200转。如果这个速度发生在规格为R15(半径15英寸)的小汽车轮胎上,那么时速将达到1700公里以上,妥妥的“超音速战斗汽车”,几乎2倍于风扇的栖身之所A320的巡航速度!


其实,如果参照发动机风扇受到的空气动力学限制,这台高速风扇只要不超过每秒钟500转,就可以保证叶尖不突破音速了。然而,它仅仅发挥了三分之一的潜力,就已经制造了“骇人听闻”的噪音


客舱中部的乘客距离发动机比较近,理论上感受到更大的噪音,工程师们通过各种努力降低这个噪音,制造商以更安静的客舱作为卖点向航空公司兜售新机型,而航空公司不敢告诉乘客们A320 NEO以前的老飞机到底有多吵。


低速风扇、高速风扇和电子设备通风形态-4.jpg


但是,乘客们如果能到驾驶舱里感受一番,大概能体会到另一种大约80分贝的烦恼。电子舱正好位于驾驶舱下方,所以飞行员距离用于电子设备冷却的鼓风机和排气扇非常近。电子舱正好又是增压舱,所以这些高速风扇处理的可不是发动机风扇遇到的那种非常稀薄的空气,而是和客舱里一样密度的普通空气。最稀薄的情况下,也相当于海拔2000米昆明人民日常感受的那种,不能再稀薄了。


因此,发动机在空中安静了许多,而鼓风机和排气扇在空中和地面是同样的恼人,飞行员常常恨不能关掉它们。他们在地面谨慎地进行了一些实验,结果很沮丧:先说排气扇吧,既然排气扇都不能关闭,那电门上的超控(OVRD)有什么用啊?


低速风扇、高速风扇和电子设备通风形态-5.jpg


03 通风形态


哈哈!按出这个电门,之所以是超控(OVRD)而不是关闭(OFF),就是因为法国人并不承诺这样做一定能关掉风扇嘛。请看图片,水上迫降电门(DITTING)、鼓风机电门(BLOWER)、排气扇电门(EXTRACT)这3兄弟,它们正好被安排得特别近。按照设计意图,这个组合被用来产生多达8种电子舱通风形态,每一种形态都是电子设备通风系统里8个部件不同状态的组合,参见下图。


低速风扇、高速风扇和电子设备通风形态-6.jpg


只按出排气扇电门时,进入了形态5,与正常飞行时典型的全闭环形态(形态2)对比,可以看到,系统引入了比电子舱环境温度更低的空调空气,同时关闭了两个活门,从而改变了空气的路线。“蒙皮热交换器入口旁通活门”被关闭,意味着电子舱环境里比较暖的空气不会进入冷却空气环路了;而“蒙皮热交换器出口旁通活门”被关闭,意味着环路里干完活的空气不再向后排入前货舱地板。这让闭环变得更加封闭了。


而如果和地面上典型的全开环形态(形态1)对比,除了引入空调空气,蒙皮热交换器也被利用上了。在全闭环形态中,这两者有利于电子设备的冷却。


当飞机正常时,在空中,没有需要单独超控排气扇的程序;而在地面,大雨条件下,超控排气扇起到了类似于“上天入水”的效果:在空中或者按压水上迫降电门时,蒙皮空气入口和出口都能关闭。但是,大雨条件下不应该使用水上迫降电门,那样做会导致空调组件也被关闭。


低速风扇、高速风扇和电子设备通风形态-7.jpg


现在请想象一下,外边是磅礴大雨,听着雨的副驾给右食指发了个指令:EXTRACTOR OVERRIDE。接下来飞机发生了什么变化?


第一、机外左侧的“蒙皮空气入口活门”关闭了。第二、由于正常的冷空气来源被切断,作为补偿,“空调空气入口活门”打开了,于是凉凉的空调空气混入了冷却空气环路的上游,与鼓风机并肩作战。第三、机外右侧的“蒙皮空气出口活门”也关闭了。第四、由于正常的热空气出口被封锁,“蒙皮热交换隔离活门”打开了,于是携带了电子设备热量的空气转而向上流动,贴着机身的某个横截面走了半圈返回到鼓风机。第五、在这半圈路程里,热空气正好通过蒙皮把不想要的热量传给了外边凉凉的大雨,美其名曰“热交换”。一二三四五,这五件事虽然不像红蜘蛛展开成类人形态那么炫酷,但已经非常了不起了!


低速风扇、高速风扇和电子设备通风形态-8.gif


当大雨努力地拍打着风挡,高速风扇的噪音就不那么恼人了。但是听力尚可的副驾趁老机长不备,还是偷偷地把鼓风机的电门也按了出来,这就进入了形态6。它实际上是“排烟形态”,在形态5的基础上,又发生了三件事。第一、位于右侧的蒙皮空气出口活门上的小门打开了。第二、热空气得以逸出机外,也就不再需要通过环路回到鼓风机,因此蒙皮热交换隔离活门关闭,热交换器下班了。第三、鼓风机也停摆了。由于第三件事,来自电子舱的噪音瞬间就降低了一半。


鼓风机位于电子舱左侧,离机长更近。副驾因为干了好事正要偷乐,闭眼养神中的老机长却慢悠悠教育道:“嘛呢?!你小子啊,要是敢抽烟,我就敢抽你!”在驾驶舱里抽烟?萌新不敢啊,那种事情在本世纪初已经成为历史了。机长的话里是有典故的:曾有一段时光,左右座们偶尔会利用“排烟形态”来缓解疲劳,不同的机型有不同的姿势,不变的是男人的心!没等副驾反应过来,老机长果然伸手过来……


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老机长按回了排气扇电门,于是只有鼓风机电门显示超控了。这是什么操作?噪音并没有恢复啊!副驾的心情跌宕起伏。现在,电子设备通风系统进入了形态4。在形态6的基础上,蒙皮热交换器和蒙皮空气出口活门再次换班,刚刚休息的蒙皮热交换器又返岗了,继续处理它的热空气。奇怪的是,鼓风机保持沉默,因此噪音没有增加回去,也挺神奇哈!


同样地,如果飞机正常,那么在空中没有要求进入形态4的程序。而在地面,当使用APU作为人工起动发动机的气源,如果N2上不去,就要考虑卸载APU的电力负载,这时候鼓风机就被盯上了。老机长干过这事,但现在跟右边这位徒弟还讲不明白。


低速风扇、高速风扇和电子设备通风形态-10.jpg




参考资料

- GE官网

- 中关村在线

- A320 AMM、CMM、FCOM

- 产品官网、产品说明书


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