Как проектируется система кондиционирования воздуха на современном авиалайнере
![](http://www.ato.ru/files/siemens/ato-200_add0.jpg)
Как часто мы поражаемся тому, что возможно летать на высоте 10 км в салоне с контролируемым климатом? Это нас уже совсем не удивляет, а ведь создание комфортной атмосферы в салоне, когда за бортом от –40 до –55°С, — очень непростая задача, требующая систем кондиционирования и наддува кабины. Она еще больше усложняется тем, что подготовленный воздух необходимо подавать в узлы авионики и в антиобледенительную систему.
В авиации система кондиционирования воздуха (СКВ) — это оборудование, помогающее создать комфортную атмосферу для перевозки пассажиров или грузов, а также для работы авионики и других систем воздушного судна. Система жизнеобеспечения и защиты летательного аппарата (СЖЗ ЛА) предохраняет самолет от экстремальных температур, давлений и обледенения. Правильно спроектированные системы обеспечивают комфорт пассажиров, экономят топливо, ведь система кондиционирования воздуха — второй крупнейший потребитель мощности двигателей, после создания тяги. Cистемы должны быть высокоэффективными, позволять экономить топливо и сокращать вредные выбросы.
В компании Airbus постоянно работают над достижением максимального комфорта пассажиров и снижением расходов авиакомпаний. Подразделение СКВ компании Airbus Operations GmbH хорошо знакомо с этой ситуацией. Благодаря новейшим разработкам подразделение СКВ использует численное моделирование в самых различных областях. В результате сократились сроки анализа и оптимизации систем и их элементов. Дорогостоящие натурные испытания остались в прошлом. Численное моделирование — и особенно средства вычислительной гидрогазодинамики — оказалось наиболее эффективным в проектировании кабины пилотов и систем охлаждения авионики, расчете процессов смешивания и потерь давления в воздуховодах, оценке теплового комфорта в салоне. Недавно подразделение СКВ занялась анализом пространства проектных решений для улучшения конструкции системы отбора воздуха на новой модели авиалайнера.
Оптимизация смесителя воздуха
Воздух от вентилятора и компрессора двигателя создает наддув и отапливает салон. Стандартная система отбора воздуха на авиалайнере Airbus 320neo (англ. new engine option, "новый тип двигателя") размещается в пилоне под крылом. Система подает подготовленный воздух с заданными температурой и давлением на кондиционирование салона и очистку крыльев ото льда. Отбираемый от компрессора двигателя горячий воздух и холодный воздух от вентилятора подаются по воздуховоду в теплообменник. Там воздух охлаждается примерно до 200°C. Равномерное и тщательное перемешивание потоков внутреннего и внешнего контуров выполняется в статическом смесителе. Температура воздушной смеси на выходе из статического смесителя контролируется датчиками. Оптимизация характеристик статического смесителя позволит повысить эффективность работы всей системы кондиционирования воздуха.
![](/files/microsites/siemens/ato-200_add1.jpg)
Компания Airbus решила улучшить существующую конструкцию статического смесителя с соблюдением ряда заданных параметров. Общее падение давления на смесителе не должно превышать 5 кПа, а неоднородность температуры в области установки датчика не должна превышать 12 К.
Оптимальная конструкция
Найти оптимальный вариант конструкции и достичь компромисса между противоречивыми требованиями возможно, если поиск оптимальных проектных решений является неотъемлемой частью цикла проектирования. Чтобы перейти от исходной геометрии к оптимальной конструкции, выполняется несколько этапов: планирование эксперимента, геометрическое моделирование, упрощенные гидрогазодинамические расчеты, создание суррогатных моделей, нахождение Парето-фронта и обработка полученных результатов. Первый рассмотренный процесс оптимизации предполагал использование сторонних программ и систем собственной разработки. Для проверки работоспособности такого процесса была проведена оптимизация эскизного проекта спирального смесителя. В ходе оптимизации рассматривались три конструктивных параметра: радиус кривизны спирального канала, глубина выреза в воздуховоде и ширина спирального выреза.
Предложенный процесс оказался неудачным: возникли проблемы со сложной инфраструктурой и обменом данными между различными приложениями. Чтобы уложиться в ограничения по времени оптимизации, удалось учесть только два конструктивных параметра. Анализ выявил вариант конструкции, обеспечивающий перепад давления в 5000 Па и неоднородность поля температуры в 45 К в месте установки датчика. На весь проект ушло шесть месяцев. В итоге неоднородность температур уменьшилась, но достигнуть целевого значения не удалось. Вопрос остался нерешенным — как достичь заданных характеристик и сократить сроки проектирования на практике? Airbus решил обратиться в компанию Siemens PLM Software и вместе создать новый процесс.
Оптимизация в единой среде
Решением задачи сокращения сроков оптимизации конструкций стало внедрение системы Simcenter STAR-CCM+. Simcenter STAR-CCM+ успешно выполняет расчеты и анализ пространства проектных решений, точно прогнозируя характеристики изделий на основе численного моделирования. Дополнительный модуль Optimate+ в составе Simcenter STAR-CCM+ выполняет анализ и оптимизацию конструкций поисковым алгоритмом SHERPA, реализованным в системе HEEDS — среде междисциплинарной оптимизации. Алгоритм SHERPA настраивает стратегии поиска наилучшего решения за заданное время. Для этого применяются гибридные и адаптивные методики поиска. Новый процесс устраняет необходимость использовать несколько разрозненных систем — вся оптимизация теперь выполняется в единой среде.
Чтобы достичь заданных характеристик изделия, было решено разместить лопатки смесителя по двум концентрическим окружностям, а не по спирали. При оптимизации учитывалось 11 конструктивных параметров. Эскизный проект отличался высокой гибкостью пространства проектных решений, а применение методики прямой оптимизации позволило обойтись без упрощения этого пространства. Геометрия редактировалась исходя из полученных конструктивных параметров.
Оптимизация за две недели
Исходный вариант имел перепад давления в 996 Па и неоднородность температур в 153 К. Алгоритм SHERPA в модуле Optimate+ смог за 211 итераций найти наилучший компромисс между двумя конфликтующими целями оптимизации. Наилучший вариант позволил достичь перепада давления в 4775 Па и неоднородности температур в 16,4 К. Оптимизация по Парето выявила, что самые лучшие конструкции отличаются малым числом лопаток и небольшой кривизной смесителя. На основе этой информации было проведено еще 57 итераций, и неоднородность температур удалось еще уменьшить. На построенном в Optimate+ графике можно сравнить перепады температуры и давления, а также значения отдельных конструктивных параметров для всех вариантов. Красные линии соответствуют всем итерациям, синие — конструкциям, отвечающим требованию по перепаду давления. Наилучшие конструкции представлены зелеными линиями — в этом случае соблюдаются оба критерия. График демонстрирует влияние различных параметров на достижение наилучшего варианта конструкции. У лучших вариантов было больше внешних лопаток и меньше внутренних. При этом внешние лопатки имели большую кривизну, чем внутренние. Соотношение диаметров составило около 0,5.
![](/files/microsites/siemens/ato-200_add3.jpg)
В лучшем варианте по результатам оптимизации устанавливаются девять наружных лопаток с углом раскрытия 62° (средняя кривизна при хорде в 25%) и три внутренние лопатки с углом раскрытия 5° (малая кривизна при хорде в 48%). Удалось достигнуть перепада давления в 4961 Па и неоднородности температур в 13,6 К. На поиск оптимального варианта ушло две недели.
Новый процесс оптимизации с применением Simcenter STAR-CCM+ и Optimate+ сократил время расчетов на 90%. Разработанная методика будет применяться в Airbus и в будущем, чтобы быстрее находить оптимальные варианты конструкций узлов СКВ. Это позволяет создать модернизированную систему кондиционирования с лучшими параметрами смешивания воздуха, сократить сроки разработки и объемы испытаний, повысить энергоэффективность и степень удовлетворенности заказчика. Когда вы находитесь на борту самолета Airbus на высоте 10 тыс. м, ваш комфорт обеспечивается системой Simcenter STAR-CCM+.
|
Перепад давления (Па) |
Перепад температур (°С) |
Срок оптимизации (недели) |
Спиральный смеситель |
5000 |
25 |
25 |
Размещение лопаток по концентрическим окружностям, оптимизация по 2 критериям |
4775 |
9,11 |
2 |
Размещение лопаток 2 по концентрическим окружностям, оптимизация по 1 критерию |
4961 |
7,56 |