典型民用飛機(jī)制冷系統(tǒng)分析研究

江娜

【摘 要】選取兩款典型制冷系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，闡明了制冷系統(tǒng)采用氣壓式溫度傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，并指出除冰設(shè)計(jì)是組件溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要部分，為現(xiàn)代民用飛機(jī)制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

【關(guān)鍵詞】空調(diào)組件；組件溫度控制；制冷系統(tǒng)；民用飛機(jī)

0 引言

飛機(jī)從地面升入高空時(shí)，外界環(huán)境變化居烈，可能在幾分鐘內(nèi)就變成一個(gè)超低壓、超低溫、濕度幾乎為零的環(huán)境。人類(lèi)在這種環(huán)境中無(wú)法生存。制冷系統(tǒng)的功能就是將來(lái)自上游氣源系統(tǒng)的高溫高壓氣體，調(diào)節(jié)成溫度、壓力及濕度適宜的空調(diào)供氣，再與再循環(huán)空氣混合，經(jīng)配平系統(tǒng)調(diào)節(jié)后供入座艙，實(shí)現(xiàn)座艙環(huán)境的調(diào)節(jié)[1]。

本文選取兩款主流干線(xiàn)飛機(jī)的制冷系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，為現(xiàn)代民用飛機(jī)制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 制冷系統(tǒng)的基本組成

制冷系統(tǒng)主要由空調(diào)組件和組件溫度控制系統(tǒng)等組成?？照{(diào)組件冷卻來(lái)自氣源系統(tǒng)的熱空氣，并傳送至下游的分配系統(tǒng)。組件溫度控制系統(tǒng)控制組件出口溫度，并防止空調(diào)組件內(nèi)部超溫或結(jié)冰。

本文將從空調(diào)組件和組件溫度控制系統(tǒng)兩方面展開(kāi)制冷系統(tǒng)的對(duì)比分析。

2 空調(diào)組件比較

圖1和圖2給出了兩款機(jī)型的制冷系統(tǒng)原理圖。兩款機(jī)型均采用三輪升壓式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)。三輪升壓式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)主要部件包括初級(jí)換熱器（或次熱交換器）、主換熱器、壓氣機(jī)、渦輪、風(fēng)扇、水分離器、回?zé)崞骱屠淠鞯?。?lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的熱引氣首先經(jīng)過(guò)初級(jí)換熱器冷卻，接著進(jìn)入壓氣機(jī)被壓縮為高溫高壓的氣體，再進(jìn)入主換熱器進(jìn)行進(jìn)一步的冷卻?；?zé)崞骱屠淠骺梢允蛊錅囟壤^續(xù)降低到露點(diǎn)溫度以下從而使?jié)窨諝庑纬捎坞x水，之后在水分離器中大部分的游離水將被除去。經(jīng)過(guò)除水處理的干燥空氣進(jìn)入渦輪膨脹冷卻成為低溫冷氣，通過(guò)單向活門(mén)進(jìn)入下游的混合器組件。兩者的區(qū)別主要有以下幾點(diǎn)：

a.機(jī)型1的熱交換器是串聯(lián)布置，稱(chēng)為初級(jí)換熱器和主換熱器。機(jī)型2的熱交換器則為并聯(lián)布置，稱(chēng)之為主熱交換器和次熱交換器。從安裝角度考慮，機(jī)型1的空調(diào)組件需要更多高度方向的安裝空間，而機(jī)型2的空調(diào)組件則需要更多沿機(jī)身方向的安裝空間。這也與各機(jī)型的總體布置方案有關(guān)。從性能角度考慮，由于并聯(lián)布置時(shí)，主換熱器的冷邊空氣均來(lái)自外界大氣，相比于串聯(lián)布置時(shí)，初級(jí)換熱器的冷邊空氣來(lái)自主換熱器冷邊出口，主換熱器可以獲得更低的熱邊出口溫度。

b.機(jī)型1在冷凝器熱邊出口處有一個(gè)水分離器，機(jī)型2除在冷凝器熱邊出口處裝有兩個(gè)水分離器外，它在次級(jí)換熱器出口處也布置有水分離管。這是由于在某些運(yùn)行工況下，主換熱器出口溫度低于水蒸氣露點(diǎn)溫度，水蒸氣將達(dá)到飽和，凝結(jié)成水滴，因此先將這部分水除去。

c.機(jī)型2風(fēng)扇腔裝有風(fēng)扇旁通單向活門(mén)，當(dāng)沖壓空氣壓頭大于風(fēng)扇升壓能力時(shí)，氣流將從風(fēng)扇旁通單向活門(mén)旁通以減小流阻。機(jī)型1沒(méi)有此設(shè)計(jì)。

3 組件溫度控制系統(tǒng)比較

組件溫度控制系統(tǒng)通常由沖壓空氣系統(tǒng)、若干溫度傳感器、防冰或熱空氣旁通活門(mén)以及溫度控制器等組成。

3.1 機(jī)型1組件溫度控制系統(tǒng)功能介紹

3.1.1 機(jī)型1組件溫度控制系統(tǒng)的基本運(yùn)行原理

機(jī)型1組件溫度控制系統(tǒng)通過(guò)組件控制器①，根據(jù)組件出口需求溫度和組件出口溫度傳感器⑩信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)旁通活門(mén)②和沖壓空氣進(jìn)氣口作動(dòng)筒③以獲得組件出口需求溫度，同時(shí)根據(jù)壓氣機(jī)出口溫度傳感器⑤保證空調(diào)組件不超溫。

3.1.2 組件溫度控制系統(tǒng)具有防、除冰功能

對(duì)于除冰模式，防冰活門(mén)④通過(guò)探測(cè)冷凝器冷熱端上下游壓差來(lái)探測(cè)冷凝器內(nèi)是否結(jié)冰。當(dāng)壓差大于一定值時(shí)，防冰活門(mén)將打開(kāi)，熱引氣被供入到渦輪出口溶化冷凝器內(nèi)產(chǎn)生的冰。當(dāng)組件溫度控制器故障，安裝在冷凝器冷邊出口的氣壓式溫度傳感器⑨的壓力將隨著溫度的變化而變化，防冰活門(mén)將根據(jù)該壓力值打開(kāi)或關(guān)閉以維持組件出口溫度約為15℃。

組件控制器根據(jù)水分離器出口溫度傳感器⑦信號(hào)調(diào)節(jié)旁通活門(mén)，以保證水分離器出口溫度在冰點(diǎn)以上。

3.1.3 組件溫度控制系統(tǒng)具有超溫保護(hù)功能

壓氣機(jī)過(guò)熱溫度傳感器⑥用于探測(cè)壓氣機(jī)出口溫度超溫情況。當(dāng)壓氣機(jī)出口溫度超過(guò)告警溫度，位于空調(diào)組件上游的流量控制系統(tǒng)將切斷上游氣源，使空調(diào)組件停止工作。氣壓式壓氣機(jī)過(guò)熱溫度傳感器⑧也用于探測(cè)壓氣機(jī)出口超溫情況。當(dāng)組件溫度控制器故障時(shí)，壓氣機(jī)過(guò)熱溫度傳感器無(wú)法工作，若此時(shí)壓氣機(jī)出口超溫，氣壓式壓氣機(jī)過(guò)熱溫度傳感器將給出信號(hào)，要求減少進(jìn)入空調(diào)組件的流量。

3.2 機(jī)型2組件溫度控制系統(tǒng)功能介紹

3.2.1 組件溫度控制系統(tǒng)的基本運(yùn)行原理

機(jī)型2的組件溫度控制器①根據(jù)位于壓氣機(jī)出口處的沖壓空氣傳感器⑥信號(hào)，通過(guò)沖壓空氣作動(dòng)筒③調(diào)節(jié)沖壓空氣調(diào)節(jié)板的位置，從而調(diào)節(jié)沖壓空氣的流量。同時(shí)通過(guò)TCV②調(diào)節(jié)熱空氣的配平流量，以達(dá)到組件出口需求溫度。

3.2.2 組件溫度控制系統(tǒng)具有防、除冰功能

從圖2可以看出，在組件上游有一支熱旁路，直接將上游引氣引入渦輪外殼用于防冰。同時(shí)，組件控制器根據(jù)水分離器出口溫度傳感器⑦信號(hào)調(diào)節(jié)TCV，以保證水分離器出口溫度在冰點(diǎn)以上。

備用TCV④除了作為T(mén)CV的備份外，還可以向渦輪出口提供熱氣除冰。

3.2.3 組件溫度控制系統(tǒng)具有超溫保護(hù)功能

機(jī)型2的空調(diào)組件具有三個(gè)過(guò)熱電門(mén)：壓氣機(jī)過(guò)熱電門(mén)⑤、渦輪過(guò)熱電門(mén)⑧和組件供氣過(guò)熱電門(mén)⑨，當(dāng)相應(yīng)位置的溫度超過(guò)一定值時(shí)，組件將自動(dòng)關(guān)閉。

3.3 機(jī)型1與機(jī)型2組件溫度控制系統(tǒng)對(duì)比小結(jié)

通過(guò)對(duì)兩款機(jī)型組件溫度控制系統(tǒng)的介紹，可以發(fā)現(xiàn)：

a.機(jī)型1采用了較多的氣壓式溫度傳感器，此類(lèi)傳感器可以在組件溫度控制器故障時(shí)，通過(guò)氣壓感受溫度，降級(jí)調(diào)節(jié)組件出口溫度和除冰。在組件溫度控制器可靠性較低的情況下，這種設(shè)計(jì)提高了組件溫度控制系統(tǒng)的可靠性。但同時(shí)也增加了重量和控制邏輯的復(fù)雜度。

b.兩款機(jī)型都采用了單獨(dú)的活門(mén)用于除冰，而非采用熱旁路活門(mén)兼顧。由此可見(jiàn)，組件的除冰設(shè)計(jì)是組件溫度控制設(shè)計(jì)較為重要的部分。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)兩款機(jī)型的對(duì)比，得出以下結(jié)論：

a.在組件溫度控制器可靠性較低的情況下，氣壓式溫度傳感器雖然可以提高組件溫度控制系統(tǒng)的可靠性，但同時(shí)增加了重量和控制邏輯的復(fù)雜度。

b.組件的除冰設(shè)計(jì)是組件溫度控制設(shè)計(jì)中較為重要的部分。

【參考文獻(xiàn)】

[1]雷世豪，主編.飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第15 冊(cè)《生命保障和環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)》[M].北京：航空工業(yè)出版社，1999.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]