三輪升壓式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)的試驗(yàn)研究

吳黎艷 劉寶霞 曹智

沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航達(dá)機(jī)載設(shè)備公司 （沈陽(yáng) 110034 ）

0 引言

三輪升壓式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)主要用于各種類型飛機(jī)的環(huán)境控制系統(tǒng)中，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備的質(zhì)量小；成本低；調(diào)節(jié)和控制方便；可靠性較高；檢修和維護(hù)的工作量??；附件在飛機(jī)上的安排沒有特殊要求；特別是其制冷介質(zhì)同時(shí)可以輸入座艙作為增壓之用，使座艙通風(fēng)、增壓和冷卻可由同一系統(tǒng)來完成。

目前，這一系統(tǒng)在地面設(shè)備中并沒有得到應(yīng)用，因?yàn)槭芡饨绛h(huán)境大氣高濕條件的影響，當(dāng)通過冷卻渦輪的空氣溫度降到露點(diǎn)以下時(shí)，會(huì)有水分凝出。因此，既要將水分除去，保證輸送空氣的質(zhì)量，還要提高制冷系統(tǒng)的性能，沒有合理的解決措施，其使用必然會(huì)受限制。

1 原理及性能分析

1.1 三輪渦輪冷卻器原理

三輪渦輪冷卻器即兩個(gè)渦輪和一個(gè)壓氣機(jī)(或風(fēng)扇)同軸，此種渦輪冷卻器的特點(diǎn)是在渦輪-壓氣機(jī)式冷卻器的基礎(chǔ)上又增加了一個(gè)動(dòng)力渦輪，即增加了一個(gè)動(dòng)力源，空氣的流程分兩路，一路是制冷路，壓縮空氣在壓氣機(jī)中增壓后進(jìn)入渦輪膨脹降溫，滿足主系統(tǒng)的制冷要求；另一路是動(dòng)力路，為制冷路提供動(dòng)力，同時(shí)可用作輔助系統(tǒng)制冷，壓縮空氣直接進(jìn)入動(dòng)力渦輪膨脹降溫，然后進(jìn)入輔助系統(tǒng)帶走熱載荷。由于三輪同軸，動(dòng)力渦輪的膨脹功也傳輸給壓氣機(jī)，提高了壓氣機(jī)的增壓比，從而也提高了制冷渦輪的膨脹比，制冷渦輪溫降加大，制冷量加大，性能系數(shù)進(jìn)一步提高。其原理如圖1所示。

圖1 三輪渦輪冷卻器原理

1.2 系統(tǒng)原理

供氣經(jīng)過初級(jí)熱交換器、壓氣機(jī)和第二級(jí)熱交換器后，先經(jīng)過回?zé)崞鳠徇叀⒗淠?、水分離器和回?zé)崞骼溥?，再流入冷卻渦輪。

冷凝器的作用是：利用冷卻渦輪出口的冷空氣冷卻準(zhǔn)備流入渦輪但尚未膨脹降溫的高壓空氣，使其溫度降到露點(diǎn)以下，所含水分冷凝成小水滴，吸附在冷凝器殼體的換熱表面上，水滴隨氣流流動(dòng)，在經(jīng)過下游的水分離器時(shí)被分離并排出，排出的水分可以噴到?jīng)_壓熱交換器的沖壓空氣進(jìn)氣邊，以提高熱交換器的效率。但為了盡量減小冷卻渦輪出口冷空氣在流過冷凝器時(shí)的溫升，提高制冷能力，增加了一個(gè)回?zé)崞?，使熱量先排除一部分，而不是全部傳給冷卻渦輪出口冷空氣?；?zé)崞鞯睦溥吙諝馐墙?jīng)過冷凝器由渦輪排氣冷卻的壓縮空氣，它在經(jīng)過回?zé)崞骱笊吡藴囟?，即提高了渦輪進(jìn)口空氣溫度。提高渦輪進(jìn)口空氣溫度與提高其出口溫度效果大不相同，由下式可知。

如膨脹比 πt和效率 ηt相同。當(dāng)進(jìn)口溫度提高時(shí)，絕對(duì)溫降增加，這樣對(duì)渦輪出口溫度影響不大，而提高渦輪出口溫度會(huì)直接降低系統(tǒng)的制冷能力。

空氣循環(huán)冷卻系統(tǒng)上所應(yīng)用的三輪升壓式渦輪冷卻器起到為熱交換器冷邊抽風(fēng)和為進(jìn)入渦輪前空氣增壓的雙重功能。外形如圖2所示。

2 試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容

系統(tǒng)與飛機(jī)空調(diào)車試驗(yàn)臺(tái)連接置于室內(nèi)，對(duì)系統(tǒng)的性能、噪聲和流量做了相應(yīng)測(cè)試試驗(yàn)，以考核原制冷系統(tǒng)改用三輪升壓式制冷系統(tǒng)后，在供冷風(fēng)狀態(tài)下，三輪升壓式制冷系統(tǒng)各段管路溫度、壓力及整車的風(fēng)量、風(fēng)溫和風(fēng)壓等是否達(dá)到要求。

圖2 三輪升壓式渦輪冷卻器外形圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

按要求，將試驗(yàn)臺(tái)冷路閥門全開，熱路閥門關(guān)閉，風(fēng)機(jī)開，出口接流量計(jì)，啟動(dòng)運(yùn)行穩(wěn)定后，空壓機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)為 800r/min，出口壓力達(dá)到0.02MPa，將實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值比較，空調(diào)車供冷風(fēng)狀態(tài)下，制冷包基本滿足空調(diào)車戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)要求。就制冷能力來看，渦輪的出入口溫差達(dá)到50℃以上，其制冷效果比較好。對(duì)比測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

采用三輪升壓式制冷系統(tǒng)能提高系統(tǒng)的效率，實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，提高維修性，節(jié)約空間。

綜上所述，該三輪升壓式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)制冷能力基本可以滿足飛機(jī)地面空調(diào)車的使用要求，對(duì)現(xiàn)行飛機(jī)地面空調(diào)車制冷系統(tǒng)的改進(jìn)有一定益處，增強(qiáng)了飛機(jī)地面空調(diào)車的可靠性和可維修性。

[1]朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992.

[2]俞勤芳.新型三輪裝置冷卻系統(tǒng)性能分析.南京航空航天大學(xué)科技報(bào)告,1980.

[3]壽榮中,何慧姍.飛行器環(huán)境控制.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.

[4]劉寶霞.三輪渦輪冷卻器應(yīng)用研究.沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2007(5).