환경 제어 시스템

Environmental control system
보잉 737-800 ECS용 제어판

항공학에서 항공기환경 제어 시스템(ECS)은 승무원과 승객에게 공기 공급, 열 제어기내 가압을 제공하는 필수 구성 요소이다.추가 기능에는 항전 냉각, 연기 감지 및 화재 진압이 포함됩니다.

개요

아래에 설명된 시스템은 현재 생산 중인 보잉 여객기에 한정되어 있지만, 세부 사항은 에어버스 및 기타 회사의 여객기와 기본적으로 동일합니다.콩코드는 예외로, 콩코드가 비행할 때 높은 고도와 약간 높은 실내 압력으로 인해 보조 공기 공급 시스템이 장착되었습니다.

급기

제트 여객기에서 공기는 연소기 업스트림에 있는 가스터빈 엔진의 컴프레서 단계에서 블리딩되어 ECS에 공급됩니다.이 블리딩 공기의 온도 압력은 사용되는 컴프레서 단계와 엔진의 동력 설정에 따라 달라집니다.매니폴드 압력 조절 차단 밸브(MPRSOV)는 다운스트림 시스템에 필요한 압력을 유지하기 위해 필요에 따라 유량을 제한합니다.

시스템을 통해 공기를 구동하기 위해서는 일정한 최소 공급 압력이 필요하지만, 가능한 낮은 공급 압력을 사용하는 것이 좋습니다. 블리딩 공기를 압축하는 데 사용되는 에너지는 추진에 사용할 수 없고 연료 소비에도 문제가 생기기 때문입니다.이러한 이유로, 공기는 일반적으로 서로 다른 압축기 단계 위치에 있는 두 개의 블리딩 포트(또는 경우에 따라서는 보잉 777, 3개) 중 하나에서 흡입됩니다.엔진이 저압(저추력 또는 고공)일 때 공기는 최고 압력 블리딩 포트에서 흡입됩니다.압력이 증가(추력 증가 또는 저고도)하여 미리 결정된 교차 지점에 도달하면 고압 차단 밸브(HPSOV)가 닫히고 저압 포트에서 공기가 선택되어 연료 성능 손실을 최소화합니다.엔진 압력이 감소하면 그 반대 현상이 발생합니다.

원하는 온도에 도달하기 위해 블리딩 공기는 프리쿨러라고 불리는교환기를 통과합니다.엔진 팬에서 블리딩된 공기는 엔진 스트럿에 위치한 프리쿨러를 통해 뿜어져 나와 서비스 블리딩 공기의 과도한 열을 흡수합니다.팬 공기 변조 밸브(FAMV)는 냉각 기류를 변화시켜 서비스 블리딩 공기의 최종 공기 온도를 제어합니다.

특히 보잉 787은 실내를 가압하기 위해 블리딩 공기를 사용하지 않는다.항공기는 대신 날개 앞에 위치한 전용 흡입구에서 공기를 빨아들인다.[1][2]

냉기 장치

냉기 장치(CAU)의 기능을 위한 주요 구성 요소는 공기 순환 장치(ACM) 냉각 장치입니다.초기 보잉 707기를 포함한 일부 항공기는 가정용 에어컨에서 사용되는 것과 같은 증기 압축식 냉동장치를 사용했다.

ACM은 프레온을 사용하지 않습니다. 공기 자체가 냉매입니다.ACM은 경량화 및 유지관리 요건 때문에 증기 사이클 장치보다 선호된다.

대부분의 제트 여객기에는 가압 공조 [citation needed]키트의 약자인 PACK이 장착되어 있습니다.에어컨(AC) PACK의 위치는 항공기 설계에 따라 달라집니다.몇몇 디자인에서는, 그것들은 동체 아래의 두 날개 사이의 날개 대 몸체 페어링에 설치된다.다른 항공기(Douglas Aircraft DC-9 Series)의 경우 AC PACK은 후미에 위치합니다.맥도넬 더글러스 DC-10/MD-11과 록히드 L-1011의 항공기 PACK은 비행 갑판 아래 항공기 전면에 있습니다.보잉 747, 록히드 L-1011, 맥도널-더글라스 DC-10/MD-11과 같은 대형 항공기가 3대를 가지고 있지만, 거의 모든 제트 여객기는 2대의 PACK를 가지고 있다.

AC 팩으로 흐르는 블리딩 공기의 양은 유량 컨트롤 밸브(FCV)에 의해 조절됩니다.각 PACK에 1개의 FCV가 설치됩니다.정상 폐쇄형 격리 밸브는 좌측 블리딩 시스템의 공기가 우측 PACK에 도달하는 것을 방지합니다(또는반대도 마찬가지). 단, 이 밸브는 블리딩 시스템 하나가 손실된 경우 개방될 수 있습니다.

FCV의 다운스트림에는 냉기 장치(CAU)가 있으며, 이는 냉장 장치라고도 합니다.CAU에는 다양한 유형이 있지만 모두 일반적인 기본을 사용합니다.블리딩 공기는 기본 램-공기 열 교환기로 들어가 램 공기, 팽창 또는 두 가지를 조합하여 냉각됩니다.그런 다음 차가운 공기가 압축기로 들어가 압축기가 억제되고 공기가 다시 가열됩니다.2차 램-에어 열교환기를 통과하는 패스는 고압을 유지하면서 공기를 냉각시킵니다.공기는 터빈을 통과하여 공기를 팽창시켜 열을 더 낮춥니다.터보차저 유닛과 유사하게 컴프레서와 터빈은 단일 샤프트에 있습니다.터빈을 통과하는 공기에서 추출된 에너지는 컴프레서에 전원을 공급하는 데 사용됩니다.그런 다음 공기 흐름이 재열기로 유도되어 물 추출기를 통해 물을 추출할 수 있도록 콘덴서로 흐릅니다.

그리고 나서 공기는 물 분리기를 통해 보내지며, 여기서 공기는 그 길이를 따라 소용돌이치게 되고 원심력은 수분을 체를 통과시켜 배수구로 흘러들어가는 외벽 쪽으로 보내지게 합니다.그러면, 공기는 보통 물 분리기 결합기나 양말을 통과하게 됩니다.양말은 엔진 블리딩 공기의 오물과 오일을 유지하여 실내 공기를 깨끗하게 유지합니다.이 제수 공정은 얼음의 형성과 시스템 막힘을 방지하고 조종석과 실내에 지상 작동 및 저고도에 안개가 끼는 것을 방지합니다.

제로 미만의 부트스트랩 CAU의 경우, 수분이 터빈에 도달하기 전에 추출되어 영하의 온도에 도달할 수 있습니다.

PACK 출구 공기의 온도는 램 에어 시스템을 통과하는 조정 흐름(아래)과 ACM 주변의 고온 블리딩 공기의 일부를 우회하여 ACM 터빈의 차가운 공기와 혼합하는 온도 조절 밸브(TCV)에 의해 제어됩니다.

램 에어 시스템

램 에어 인렛은 작은 스쿱으로, 일반적으로 날개와 몸의 페어링에 위치합니다.거의 모든 제트 여객기는 램 공기 흡입구의 변조 도어를 사용하여 프라이머리 및 세컨더리 램 공기 열 교환기를 통과하는 냉각 공기량을 제어합니다.

램에어 회수를 늘리기 위해 거의 모든 제트 여객기는 램에어 배기에 변조 베인을 사용한다.램 시스템 내의 램 에어 팬은 항공기가 지상에 있을 때 열 교환기를 가로질러 램 에어 플로우를 제공합니다.거의 모든 현대 고정익 항공기는 ACM 터빈으로 구동되는 ACM과 공통 축에 팬을 사용합니다.

공기 분배

AC PACK 배기 가스는 가압된 동체로 덕트되어 재순환 팬의 여과된 공기와 혼합되어 혼합 매니폴드로 공급됩니다.거의 모든 최신 제트 여객기에서 공기 흐름은 약 50%가 외부 공기이고 50%가 여과 공기입니다.

최신 제트 여객기는 모든 박테리아와 군집 바이러스의 99% 이상을 가두는 고효율 입자 고정 HEPA 필터를 사용한다.

혼합 매니폴드의 공기는 항공기의 다양한 구역에서 오버헤드 분배 노즐로[3] 유도된다.각 구역의 온도는 TCV의 AC PACK 업스트림에서 태핑되는 저압, 고온의 공기인 소량의 트림 공기를 추가하여 조정할 수 있습니다.개별 가스퍼 [a]환기구에도 공기가 공급됩니다.통풍구의 회전제어를 돌려 공기출력이 전혀 없는 것과 상당한 바람 사이의 환기를 조정할 수 있습니다.

보잉 737-800의 조수석 위에 있는 가스퍼 환기구

가스퍼들은[a] 보통 항공기에 탑재된 AC PACK에서 공기를 공급받으며, 항공기 제트 엔진의 압축기 단계에서 또는 보조 동력 장치(APU) 또는 지상 전원으로부터 지상에 있을 때 공기를 공급받는다.가스퍼의 마스터 컨트롤은 조종석에 있습니다. 가스퍼의 경우 특정 비행 단계(예: 이륙 및 상승 중) 동안 일시적으로 꺼지는 경우가 많습니다. 이때 공기 누출 요구로 인한 엔진 부하를 최소화해야 합니다.

가압

보잉 737-800의 유출 및 감압 밸브

동체 내 공기 흐름은 거의 일정하며 압력은 Out-Flow Valve(OFV; 아웃플로 밸브)의 개구부를 변화시킴으로써 유지됩니다.보잉 747과 777과 같은 몇몇 대형 항공기들은 두 개의 OFV를 가지고 있지만, 대부분의 현대 제트 여객기는 동체 뒤쪽 끝 부근에 하나의 OFV를 가지고 있다.

OFV가 페일클로즈될 경우, 동체를 과압 및 과소압으로부터 보호하기 위해 적어도 2개의 정압 릴리프 밸브(PPRV)와 최소 1개의 부압 릴리프 밸브(NPRV)가 제공됩니다.

항공기 실내 압력은 일반적으로 8000피트 이하의 실내 고도로 가압됩니다.즉, 압력은 평방인치당 10.9파운드(75kPa)이며, 이는 8,000피트(2,400m)의 주변 압력입니다.실내 고도가 낮을수록 압력이 높아집니다.실내 압력은 각 항공기 고도와 실내 고도를 연관짓는 실내 압력 스케줄에 의해 제어됩니다.에어버스 A350보잉 787과 같은 새로운 여객기는 비행 중 승객의 피로를 줄이는 데 도움이 되는 더 낮은 기내 고도를 갖게 될 것이다.

일반적인 제트 여객기 순항 고도의 대기는 일반적으로 매우 건조하고 차갑습니다. 장시간 비행 시 실내로 펌핑된 외부 공기는 응결을 일으켜 부식 또는 전기적 고장을 일으킬 수 있으므로 제거됩니다.따라서 낮은 고도에서 습한 공기가 발견되어 흡입되면 ECS는 이를 온난화 및 냉각 사이클과 위에서 언급한 물 분리기로 건조시킵니다. 따라서 높은 외부 상대 습도에도 실내의 상대 습도는 보통 10%를 넘지 않습니다.

실내 습도가 낮으면 곰팡이와 세균의 증식을 막는 건강상의 이점이 있지만 습도가 낮으면 피부와 눈, 점막의 건조가 유발되고 탈수현상을 일으켜 피로감, 불쾌감, 건강상의 문제로 이어진다.한 연구에서 대부분의 승무원들이 낮은 [4]습도로 인한 불편함과 건강 문제를 보고했다.2003년 미국 의회에 제출한 성명에서 상용 항공기 객실 내 대기 품질 위원회의 한 위원은 "낮은 상대 습도는 일시적인 불편함(예: 안구건조증, 비강 및 피부)을 유발할 수 있지만 다른 가능한 단기적 또는 장기적 영향은 확인되지 않았다"[5]고 말했다.

일부 항공기의 ECS에 실내 습도 조절 시스템을 추가하여 응결 [6]방지 필요성과 일관되게 상대 습도를 극히 낮은 수준으로 유지할 수 있다.또한 Boeing 787과 Airbus A350은 보다 내식성 복합 재료를 사용하여 장거리 비행 시 16%의 실내 상대 습도로 운항할 수 있습니다.

건강에 대한 우려

블리딩 공기는 엔진에서 나오지만 연소기의 엔진 업스트림에서 블리딩됩니다.압축기 스톨 중(기본적으로 제트 엔진 역화)을 제외하고 공기는 엔진을 통해 역류할 수 없습니다. 따라서 블리딩 공기는 항공기 자체 엔진의 정상 작동으로 인한 연소 오염물질이 없어야 합니다.

그러나 카본 씰은 업계에서 [7]흄 이벤트로 알려진 오일(잠재적으로 위험한 화학 물질이 함유된 것)을 블리딩 공기로 누출할 수 있습니다.오일 씰이 고장 나면 엔진 수명이 줄어들기 때문에 이 문제는 일반적으로 신속하게 해결됩니다.

엔진 베이의 이것과 다른 소스로부터의 오일 오염은 일부 옹호 단체의 건강 문제로 이어졌으며 여러 학술 기관과 규제 기관의 연구를 촉발시켰다.그러나,[8][9][10] 증기로 인한 의학적 상태의 존재에 대한 확실한 연구는 없다.

각주

  1. ^ a b 가스퍼(gasper)는 승객들이 개인 편의를 위해 조정할 수 있는 각 조수석 시트 위의 작고 둥근 통풍구입니다.

레퍼런스

  1. ^ "AERO - 787 No-Bleed Systems". www.boeing.com. Retrieved 2021-02-20.
  2. ^ "The Innovative 787 Carries Boeing, And Aviation, Ahead". Wired. ISSN 1059-1028. Retrieved 2021-02-20.
  3. ^ Eitel, Elisabeth (6 May 2014). "CFD software models how moving parts affect aircraft-cabin airflow". Machine Design Magazine. Archived from the original on 1 July 2014.
  4. ^ Nagda, Niren Laxmichand, ed. (2000). Air Quality and Comfort in Airliner Cabins. ASTM International. ISBN 978-0-8031-2866-8.
  5. ^ Nazaroff, William W. (5 June 2003). "Statement of William W. Nazaroff, Ph.D. Professor of Environmental Engineering, University of California, Berkeley and Member, Committee on Air Quality in Passenger Cabins of Commercial Aircraft". Cabin Air Quality. nationalacademies.org (Report). Washington, DC: National Academy of Sciences. Archived from the original on 21 June 2008.
  6. ^ "CTT Systems AB receives cabin humidity control system order from Jet Aviation AG". Airline Industry Information. 5 March 2007.
  7. ^ The Guardian (2006-02-26). "Toxic cockpit fumes that bring danger to the skies". London. Retrieved 2007-10-20.
  8. ^ Bagshaw, Michael (September 2008). "The Aerotoxic Syndrome" (PDF). European Society of Aerospace Medicine. Archived from the original (PDF) on February 27, 2012. Retrieved December 31, 2012.
  9. ^ Select Committee on Science and Technology (2000). "Chapter 4: Elements Of Healthy Cabin Air". Science and Technology - Fifth Report (Report). House of Lords. Archived from the original on 2010-04-24. Retrieved 2010-07-05.
  10. ^ "항공기 연기:BAe의 비밀스런 삶" 칼럼, 프라이빗 아이 매거진 1193호, 2007년 9월 14-27쪽, 26-27쪽, Pressdram Ltd., London.
  • ASHRAE 핸드북, 미국 난방, 환기 및 공조 엔지니어 협회(ASHRAE), 애틀랜타, GA, 1999의 HVAC 애플리케이션 볼륨.