民用客机传统与“多电”气源系统介绍分析

【摘 要】本文简单介绍了民用飞机传统和“多电”理念下气源系统的基本功能和工作原理，并对两种理念下气源系统进行了初步比较分析。

【关键词】民用客机；气源系统；多电

0 引言

气源系统作为为飞机提供用气的媒介，连接飞机气源与用户系统，为飞机上环境控制系统创造良好空气条件。因此飞机气源系统设计研究是飞机环控系统尤其是大型客机环控系统研制中不可忽视一个方面[1]。自20世纪60年代波音公司737飞机以来，气源系统的发展非常迅速，但时至今日其基本架构仍然是采用气动活门与换热器等作为主要部件调节发动机引气的压力、温度和流量，进而保证调节后的空气满足下游用气系统。进入本世纪以后，随着机载发电技术的发展，气源系统设计理念上有了显著的变化。波音公司研制的波音787飞机采用“多电”理念，大胆的变革了气源系统，取消了发动机引气、APU引气和地面气源供气，只保留了发动机引气供给发动机短舱防冰系统，而采用电动压缩机提供压缩空气为下游的空调系统提供引气，其余用气系统则不再由气源系统供气。本文对传统的气源系统和“多电”理念下的气源系统进行介绍，以求初步探讨两种理念下气源系统的不同。

1 传统气源系统

传统的气源系统一般采用发动机、APU和高压地面气源作为气源，将高温高压空气供给下游用气系统。发动机引气是飞机在航线运行过程中的主要气源，APU和高压地面气源作为辅助气源，一般用于地面状态为飞机提供气源和起动发动机，APU还可用于空中起动发动机和空调系统备用气源。目前现役的民用客机除波音公司787飞机以外，均采用此架构。

1.1 传统气源系统基本功能

传统气源系统一般具有如下基本功能[2]：

（1）气源选择功能。即飞行员可控制选择用发动机、APU或高压地面气源作为气源，向下游用气系统供气。

（2）发动机引气高压端与低压端的自动选择功能。根据飞机飞行状态和发动机转速的不同，引气系统可以选择从发动机压缩机中压级或高压级引气，进行适当调节，并满足下游用户的压力、温度和流量需求。

（3）发动机引气压力调节和关断功能。引气系统的压力调节关断活门可以调节发动机引气的压力到合适值，若当引气压力不在系统设定范围内时，则关断引气。

（4）发动机引气温度调节和过热保护功能。引气系统主要通过预冷器、风扇空气活门和温度传感器来调节发动机引气的温度，当温度超过设定范围时，通过切断压力调节关断活门保护下游用气系统设备和结构。

（5）回流保护功能。引气系统回流保护是指通过各单向活门和压力调节活门的关闭，可以防止空气倒灌入发动机、APU或高压地面气源中。

（6）交输引气隔离功能。引气系统分为机身左侧与右侧两套系统，设置交输引气活门根据下游用气系统设备状况决定其打开或关闭，满足左右两侧的用气要求。

1.2 传统气源系统工作原理

典型的气源系统基本原理图如图1所示。气源系统一般由中压单向活门、高压活门、压力调节关断活门、风扇空气活门、预冷器、引气温度传感器、引气压力传感器、APU单向活门、高压地面接头、交输引气活门和高压导管及控制器等设备组成。使用发动机引气时，系统从发动机中压级引入高温高压空气，并通过调节压力调节关断活门的开度，使引气的压力达到一定值，若中压级压力不能满足下游用气系统要求，则使用高压级引气口引气。高温高压空气经过预冷器，被来自风扇空气活门的低温空气换热降温，通过设置在预冷器下游的温度传感器来感受换热后的空气温度，若空气温度过高，则风扇空气活门开度增大，增加进入预冷器的冷风量，进一步降低空气温度；如果空气温度超出引气系统限制，则关闭压力调节关断活门，防止高温高压气体损坏下游系统设备和结构。

使用APU引气供给下游用气系统时，引气系统的APU单向活门和交输引气活门打开，其他活门关闭，防止空气倒流入发动机，APU提供的空气由高压导管进入各个用气系统。高压地面气源供气与APU供气方式类似。

2 “多电”气源系统

“多电”气源系统与传统气源系统最大的不同是取消引气，代之为从外界抽取冲压空气，通过电动座舱空气压缩系统增压后供应空调系统使用。气源系统分为左右两套系统，两套系统各自独立，分别供应左右侧空调系统。每套气源系统由两个电动压缩机组成，配备有两个单向活门以防止压缩机之间的气流倒流。目前，现役民用飞机仅波音公司787飞机使用。

2.1 “多电”气源系统基本功能

“多电”气源系统一般具有如下基本功能：

（1）供气流量调节功能。电增压系统流量供应要保证满足空调系统在全包线内的需求，通过调节进入压缩机的空气流量以满足不同高度下空调系统的流量需求。

（2）增压功能。传统气源系统调节发动机的高压空气实际上是一个减压的过程，而“多电”气源系统直接从外界抽引空气，需要增压才能满足空调系统工作。

（3）压缩机防喘功能。采用电动压缩机对空气进行增压，需要防止压缩机因为流量过大而发生喘振。

（4）压缩机回流保护功能。两套压缩机系统供应一套空调系统的工作，压缩机之间安装单向活门以对压缩机进行回流保护，防止气流倒灌到另一侧压缩机内。

2.2 “多电”气源系统工作原理

“多电”气源系统基本原理图如下图2所示。系统一般由主要包括压缩机进口调节门、压缩机进口压力传感器、电动压缩机、加热和防喘活门、压缩机出口压力传感器、压缩机出口温度传感器、压缩机出口单向活门、电机控制器、系统控制器以及用于抽引空气的冲压空气进口管道等组成。空调系统与气源系统同步工作，当空调系统打开时，压缩机进口调节门打开，电机控制器控制电动压缩机工作，压缩机出口安装有压力和温度传感器，监控供应给空调系统的供气，并作为电机控制器的输入，进而调节电动压缩机的电机转速，以达到合适的压缩机出口空气品质。当气流流量过大，接近或达到压缩机的喘振裕度边界时，加热和防喘活门打开，防止压缩机喘振，此外当压缩机进口温度过低时，该活门也会打开以防止从外界吸入的冰粒进入压缩机。电动压缩机是用电消耗大户，因此需要更大的发电机系统与之匹配。

3 传统与“多电”气源系统对比

相对传统气源系统，“多电”系统由于取消了引气活门、预冷器高压管路，增加了电动压缩机和电机控制器等部件。此外，为了匹配电动压缩机的用电需求，需要更大的发电机，由此带来了全机重量相比传统气源系统可能会增加。因此需要结合重量、航程等全机因素，从全机的角度综合分析两种系统在燃油经济性方面的不同。而系统的安全性、可靠性、维修性则可根据系统架构的不同定性的得出结论。

4 总结

本文对民用飞机传统和“多电”气源系统的定义、基本功能和基本原理进行了介绍，最后对两种理念下的气源系统做了初步对比分析。两种理念下的气源系统架构有本质不同，初步定性分析“多电”理念下的气源系统具有更好的安全性、可靠性和维修性。而航空公司比较关注的燃油经济性则需要综合全机总量和航程进行综合评估。随着机载发电机技术的发展，更轻和电功率更大的发电的出现，将会推动传统气源系统向“多电”气源系统的转变。

【参考文献】

[1]寿荣中，何慧姗.飞行器环[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004，1：1.

[2]雷世豪.飞机设计手册[M].北京：航空工业出版社，199909：19.