化工学报 ›› 2020, Vol. 71 ›› Issue (S1): 328-334.DOI: 10.11949/0438-1157.20191125
收稿日期:
2019-10-07
修回日期:
2019-11-13
出版日期:
2020-04-25
发布日期:
2020-04-25
通讯作者:
孟繁鑫
作者简介:
孟繁鑫(1983—),男,博士,高级工程师,Fanxin MENG1(),Jianing SUN2,Yue ZHOU1,Zanjun GAO1,Dingbin CHENG1
Received:
2019-10-07
Revised:
2019-11-13
Online:
2020-04-25
Published:
2020-04-25
Contact:
Fanxin MENG
摘要:
建立了飞机环境控制系统中压气机-涡轮-风扇式空气循环机的数学模型并开发了性能仿真模型;提出了性能试验原理及方法并开展了性能试验获得了设计工况下测试数据;通过对比不同转速下压气机增压比和效率特性、不同膨胀比条件下涡轮的温降特性、风扇压升特性等仿真结果与试验数据,修正了所建仿真模型相关参数并校核了模型有效性。结果表明,提出的仿真建模方法能够对空气循环机进行准确计算,经修正后仿真误差可以控制在±10%以内,仿真精度满足飞机环境控制系统工程设计要求,对环控系统及部件研制具有重要意义。
中图分类号:
孟繁鑫, 孙佳宁, 周月, 高赞军, 程定斌. 飞机环控系统空气循环机仿真建模及试验校核[J]. 化工学报, 2020, 71(S1): 328-334.
Fanxin MENG, Jianing SUN, Yue ZHOU, Zanjun GAO, Dingbin CHENG. Modeling and validating of air cycle machine in aircraft environmental control system[J]. CIESC Journal, 2020, 71(S1): 328-334.
转速/ (r·min-1) | 流量/ (kg·s-1) | 压 比 | 效 率 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
试验 | 计算 | 误差/% | 试验 | 计算 | 误差/% | ||
25000 | 0.1 | 1.15 | 1.17 | 1.7 | 0.80 | 0.80 | 0.0 |
0.15 | 1.03 | 1.07 | 3.9 | 0.40 | 0.36 | 10.0 | |
30000 | 0.1 | 1.30 | 1.28 | 1.5 | 0.85 | 0.85 | 0.0 |
0.15 | 1.20 | 1.20 | 0.0 | 0.75 | 0.71 | 5.3 | |
35000 | 0.15 | 1.37 | 1.37 | 0.0 | 0.80 | 0.80 | 0.0 |
0.2 | 1.22 | 1.23 | 0.8 | 0.60 | 0.58 | 3.3 | |
40000 | 0.2 | 1.45 | 1.43 | 1.4 | 0.80 | 0.79 | 1.3 |
0.25 | 1.13 | 1.08 | 4.4 | 0.20 | 0.18 | 10.0 | |
45000 | 0.2 | 1.62 | 1.61 | 0.6 | 0.80 | 0.80 | 0.0 |
0.25 | 1.45 | 1.45 | 0.0 | 0.70 | 0.68 | 2.9 |
表1 压气机仿真模型性能校核
Table 1 Compressor performance validation
转速/ (r·min-1) | 流量/ (kg·s-1) | 压 比 | 效 率 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
试验 | 计算 | 误差/% | 试验 | 计算 | 误差/% | ||
25000 | 0.1 | 1.15 | 1.17 | 1.7 | 0.80 | 0.80 | 0.0 |
0.15 | 1.03 | 1.07 | 3.9 | 0.40 | 0.36 | 10.0 | |
30000 | 0.1 | 1.30 | 1.28 | 1.5 | 0.85 | 0.85 | 0.0 |
0.15 | 1.20 | 1.20 | 0.0 | 0.75 | 0.71 | 5.3 | |
35000 | 0.15 | 1.37 | 1.37 | 0.0 | 0.80 | 0.80 | 0.0 |
0.2 | 1.22 | 1.23 | 0.8 | 0.60 | 0.58 | 3.3 | |
40000 | 0.2 | 1.45 | 1.43 | 1.4 | 0.80 | 0.79 | 1.3 |
0.25 | 1.13 | 1.08 | 4.4 | 0.20 | 0.18 | 10.0 | |
45000 | 0.2 | 1.62 | 1.61 | 0.6 | 0.80 | 0.80 | 0.0 |
0.25 | 1.45 | 1.45 | 0.0 | 0.70 | 0.68 | 2.9 |
转速/ (r·min-1) | 流量/ (kg·s-1) | 出口压力/kPa | 出口温度/℃ | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
试验 | 计算 | 误差/% | 试验 | 计算 | 误差/% | ||
25000 | 369 | 116.9 | 115.9 | 0.9 | 43.7 | 44 | 0.7 |
30000 | 462 | 125.9 | 124.2 | 1.4 | 51.7 | 50.7 | 1.9 |
35000 | 486 | 138.4 | 136.6 | 1.3 | 62 | 62 | 0.0 |
40000 | 567 | 148.4 | 146.2 | 1.5 | 70 | 67.9 | 3.0 |
45000 | 691 | 160.3 | 159.6 | 0.4 | 80 | 80.2 | 0.2 |
表2 压气机仿真模型进出口参数校核
Table 2 Compressor outlet parameter validation
转速/ (r·min-1) | 流量/ (kg·s-1) | 出口压力/kPa | 出口温度/℃ | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
试验 | 计算 | 误差/% | 试验 | 计算 | 误差/% | ||
25000 | 369 | 116.9 | 115.9 | 0.9 | 43.7 | 44 | 0.7 |
30000 | 462 | 125.9 | 124.2 | 1.4 | 51.7 | 50.7 | 1.9 |
35000 | 486 | 138.4 | 136.6 | 1.3 | 62 | 62 | 0.0 |
40000 | 567 | 148.4 | 146.2 | 1.5 | 70 | 67.9 | 3.0 |
45000 | 691 | 160.3 | 159.6 | 0.4 | 80 | 80.2 | 0.2 |
压力/ kPa | 温度/ ℃ | 流量/ (kg·h-1) | 背压/ kPa | 转速/ (r·min-1) | 出口温度/℃ | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|
试验 | 计算 | 误差 | |||||
180.0 | 40.4 | 504 | 100.5 | 25880 | 10.2 | 7.4 | 2.8 |
216.9 | 45.7 | 683 | 100.9 | 31730 | -0.6 | 2.7 | 3.3 |
260.8 | 46.2 | 916 | 101.8 | 37300 | -10.4 | -6.7 | 3.7 |
314.3 | 47.0 | 1125 | 102.7 | 40170 | -14.6 | -14.7 | 0.1 |
426.0 | 49.3 | 1577 | 105.1 | 45350 | -24.7 | -25.1 | 0.4 |
表3 涡轮仿真模型的试验校核
Table 3 Turbine model validation
压力/ kPa | 温度/ ℃ | 流量/ (kg·h-1) | 背压/ kPa | 转速/ (r·min-1) | 出口温度/℃ | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|
试验 | 计算 | 误差 | |||||
180.0 | 40.4 | 504 | 100.5 | 25880 | 10.2 | 7.4 | 2.8 |
216.9 | 45.7 | 683 | 100.9 | 31730 | -0.6 | 2.7 | 3.3 |
260.8 | 46.2 | 916 | 101.8 | 37300 | -10.4 | -6.7 | 3.7 |
314.3 | 47.0 | 1125 | 102.7 | 40170 | -14.6 | -14.7 | 0.1 |
426.0 | 49.3 | 1577 | 105.1 | 45350 | -24.7 | -25.1 | 0.4 |
试验参数 | 试验值 | 仿真值 | 误差/% |
---|---|---|---|
进口温度/℃ | 39 | 39 | 输入 |
进口压力/kPa | 100 | 100 | |
进口流量/(kg·h-1) | 2559 | 2559 | |
风扇转速/(r·min-1) | 44000 | 44000 | |
出口温度/℃ | 49 | 46 | 6 |
出口压力/kPa | 104.9 | 104 | 0.9 |
表4 风扇仿真模型的设计工况校核
Table 4 Fan simulation model validation
试验参数 | 试验值 | 仿真值 | 误差/% |
---|---|---|---|
进口温度/℃ | 39 | 39 | 输入 |
进口压力/kPa | 100 | 100 | |
进口流量/(kg·h-1) | 2559 | 2559 | |
风扇转速/(r·min-1) | 44000 | 44000 | |
出口温度/℃ | 49 | 46 | 6 |
出口压力/kPa | 104.9 | 104 | 0.9 |
参数 | 试验 | 仿真 | 误差/% | |
---|---|---|---|---|
压气机 | 进口温度/℃ | 115.3 | 115 | 输入 |
进口压力/kPa | 303 | 303 | ||
进口流量/(kg·h-1) | 1600 | 1600 | ||
出口压力/kPa | 443 | 425 | 4 | |
出口温度/℃ | 166 | 164 | 1 | |
涡轮 | 进口温度/℃ | 48.7 | 48.7 | 输入 |
进口流量/(kg·h-1) | 1600 | 1600 | ||
进口压力/kPa | 418 | 418 | ||
出口压力/kPa | 107 | 107 | 0 | |
出口温度/℃ | -19.2 | -23 | 19 | |
风扇 | 进口温度/℃ | 39 | 39 | 输入 |
进口压力/kPa | 100 | 100 | ||
进口流量/(kg·h-1) | 2559 | 2559 | ||
出口温度/℃ | 49 | 46 | 6 | |
风扇压升/kPa | 4.9 | 4 | 19 | |
涡轮转速/(r·min-1) | 44000 | 43000 | 3 |
表5 三轮空气循环机试验数据与仿真结果对比
Table 5 Three-wheel air cycle machine simulation model validation
参数 | 试验 | 仿真 | 误差/% | |
---|---|---|---|---|
压气机 | 进口温度/℃ | 115.3 | 115 | 输入 |
进口压力/kPa | 303 | 303 | ||
进口流量/(kg·h-1) | 1600 | 1600 | ||
出口压力/kPa | 443 | 425 | 4 | |
出口温度/℃ | 166 | 164 | 1 | |
涡轮 | 进口温度/℃ | 48.7 | 48.7 | 输入 |
进口流量/(kg·h-1) | 1600 | 1600 | ||
进口压力/kPa | 418 | 418 | ||
出口压力/kPa | 107 | 107 | 0 | |
出口温度/℃ | -19.2 | -23 | 19 | |
风扇 | 进口温度/℃ | 39 | 39 | 输入 |
进口压力/kPa | 100 | 100 | ||
进口流量/(kg·h-1) | 2559 | 2559 | ||
出口温度/℃ | 49 | 46 | 6 | |
风扇压升/kPa | 4.9 | 4 | 19 | |
涡轮转速/(r·min-1) | 44000 | 43000 | 3 |
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