淺析民用飛機(jī)空調(diào)制冷技術(shù)

顧仁碗+焦毅

摘 要：飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)可以為駕駛艙和客艙提供適宜的溫度和壓力，并為其補(bǔ)充新鮮的空氣，以保證機(jī)組和旅客的舒適度，而空調(diào)制冷系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)上述功能時(shí)發(fā)揮著舉足輕重的作用。ARJ21-700飛機(jī)作為我國(guó)民用飛機(jī)的探路者，其空調(diào)制冷技術(shù)具有一定的代表性。以ARJ21-700飛機(jī)空調(diào)制冷系統(tǒng)為例，詳細(xì)闡述了民用飛機(jī)的制冷技術(shù)，以期為相關(guān)工作的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：空氣循環(huán)裝置；制冷組件；空氣管理系統(tǒng)；綜合控制器

中圖分類號(hào)：V245.3+4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.11.023

1 概述

民用飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)主要為飛機(jī)座艙、駕駛艙提供適宜的溫度和壓力，流量穩(wěn)定的清潔空氣，以保證機(jī)組和旅客的舒適度。飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的清潔空氣一般都來自飛機(jī)的APU或發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)引氣，如何將這些高溫高壓的引氣轉(zhuǎn)化為可用的清潔空氣，飛機(jī)空調(diào)制冷系統(tǒng)發(fā)揮著巨大的作用。

2 民用飛機(jī)空調(diào)制冷系統(tǒng)的現(xiàn)狀

民用飛機(jī)空調(diào)制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，既要滿足艙內(nèi)乘客對(duì)溫度的要求，又要提高電子設(shè)備工作的可靠性，其發(fā)展經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)，按照制冷原理分為蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)和空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)。蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)是利用液態(tài)制冷劑（比如氟利昂）的相變來吸收空氣中的熱量，使空氣在進(jìn)入座艙或設(shè)備艙之前顯著地降低溫度，從而達(dá)到冷卻的目的?？紤]到客艙通風(fēng)、增壓和制冷的一體化功能，現(xiàn)役民用飛機(jī)大多采用從APU或發(fā)動(dòng)機(jī)引氣的空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)，其主要部件就是常說的制冷組件（PACK）。根據(jù)制冷組件中渦輪負(fù)載輸出功率的不同分配形式，分為兩輪升壓式（渦輪-壓氣機(jī)）、三輪升壓式（渦輪-壓氣機(jī)-風(fēng)扇）、四輪升壓式（渦輪-渦輪-壓氣機(jī)-風(fēng)扇）；根據(jù)系統(tǒng)除水方式的不同，又可分為低壓除水和高壓除水2種方式。隨著科技的進(jìn)步，高壓除水方案得到長(zhǎng)足的發(fā)展，并被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代民用飛機(jī)上。

空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)從兩輪升壓式到三輪升壓式再到四輪升壓式，都是以追求高性能、低能耗為宗旨，從核心部件-渦輪冷卻器的改型出發(fā)，每一個(gè)階段都在不斷向前發(fā)展。由兩輪升壓式演變?yōu)槿喩龎菏?，其推?dòng)力是解決地面和小馬赫數(shù)飛行時(shí)系統(tǒng)的制冷能力；由三輪升壓式演變?yōu)樗妮喩龎菏剑渫苿?dòng)力是解決制冷組件中冷凝器的凍堵問題，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

3 典型民用飛機(jī)空調(diào)制冷系統(tǒng)

當(dāng)今民用飛機(jī)空調(diào)制冷技術(shù)主流均使用三輪升壓式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)，而作為我國(guó)第一款擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的民用飛機(jī)ARJ21-700飛機(jī)，其空調(diào)系統(tǒng)也是采用該技術(shù)。下面，以ARJ21-700飛機(jī)的空調(diào)系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹當(dāng)今民用飛機(jī)空調(diào)制冷技術(shù)。

3.1 ARJ21-700飛機(jī)空調(diào)制冷系統(tǒng)概述

ARJ21-700飛機(jī)空調(diào)制冷系統(tǒng)主要是由2套空氣管理系統(tǒng)綜合控制器（IASC）、2套制冷組件（PACK）、控制面板和空氣管路等組成。制冷組件將來自APU或發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫、高壓引氣轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟?、壓力、濕度適宜的空氣，為飛機(jī)提供充足的制冷量，滿足整個(gè)飛機(jī)客艙、貨艙系統(tǒng)對(duì)溫度、壓力控制的要求。空調(diào)系統(tǒng)是有余度的，在兩側(cè)制冷組件系統(tǒng)完全相同，單個(gè)制冷組件工作條件下，雖然其性能有所下降，但仍可以滿足系統(tǒng)的最低需求。

3.2 制冷組件（PACK）介紹

ARJ21-700飛機(jī)空調(diào)制冷系統(tǒng)的核心部件是制冷組件（PACK），其外形如圖1所示。

3.2.1 制冷組件的組成

ARJ21-700飛機(jī)制冷組件是由三輪升壓式高壓除水系統(tǒng)組成的高性能空氣制冷組件，是由三輪空氣循環(huán)裝置（ACM）、熱交器、溫度控制活門（TCV）、回?zé)崞鳎≧EH）、冷凝器（CON）、高壓除水裝置（WE）、相關(guān)傳感器、連接管道和其他附件組成的一個(gè)整體。

3.2.2 制冷組件的工作原理

流量控制系統(tǒng)原理如圖2所示，從圖2中可以看出，經(jīng)引氣系統(tǒng)預(yù)調(diào)溫度和壓力的發(fā)動(dòng)機(jī)引氣，通過引氣過濾器（BFR）、臭氧轉(zhuǎn)換器（OZC）、流量文氏管（FSV）和流量控制活門（FCV）后分成冷、熱2路。

制冷組件工作原理如圖3所示。冷路空氣進(jìn)入制冷組件（PACK），供氣首先到制冷組件初級(jí)熱交換器（PHX），在初級(jí)熱交換器中由沖壓空氣冷卻，然后進(jìn)入空氣循環(huán)裝置的壓氣機(jī)，被壓縮到較高的壓力和溫度，再進(jìn)入次級(jí)熱交換器（MHX），由沖壓空氣冷卻，散完熱的空氣經(jīng)過回?zé)崞鳎≧EH）和冷凝器（CON）后，通過高壓水分離器（WE）分離冷凝水后進(jìn)入空氣循環(huán)裝置的冷卻渦輪?？諝馔ㄟ^渦輪時(shí)膨脹降溫，膨脹時(shí)發(fā)出的軸功率又驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)和冷卻風(fēng)扇葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，空氣膨脹做功，熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，使渦輪出口排氣溫度降得很低。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，此時(shí)渦輪出口溫度在5～80 ℃之間。熱路引氣經(jīng)空調(diào)系統(tǒng)的配平活門（TAV）調(diào)節(jié)后與制冷組件出口空氣混合后供給駕駛艙和客艙。在調(diào)節(jié)ARJ21-700飛機(jī)駕駛艙溫度和客艙溫度的過程中，空調(diào)系統(tǒng)的2個(gè)TAV獨(dú)立工作，分別調(diào)節(jié)進(jìn)入相應(yīng)艙位的來自熱路的熱空氣與來自制冷組件的“冷”空氣的混合比例，管路溫度傳感器（DTS）用于感受此混合后的溫度值，為TAV的開啟速率提供參數(shù)，即TAV用于艙內(nèi)溫度的最終或精確調(diào)節(jié)。其調(diào)節(jié)的加熱或制冷量是非常有限的，一旦2個(gè)配平空氣活門中的1個(gè)達(dá)到全開（加熱狀態(tài)）或全關(guān)（制冷狀態(tài)），此時(shí)通過TAV的加熱能力或制冷能力即達(dá)到了極限。要想繼續(xù)加熱或制冷，只能通過調(diào)節(jié)制冷組件的溫度控制活門（TCV），調(diào)節(jié)渦輪出口空氣與熱旁路的混合比例，以提高進(jìn)入駕駛艙和客艙空氣的加熱能力或制冷能力。此時(shí)，2套制冷組件的TCV同步動(dòng)作，且制冷組件的工作狀態(tài)完全相同。TCV調(diào)溫的實(shí)質(zhì)是，除了調(diào)節(jié)冷熱路比例外，還同步調(diào)節(jié)冷風(fēng)道進(jìn)氣量，從而減少或增加進(jìn)入渦輪的空氣流量，降低或提高渦輪轉(zhuǎn)速，使制冷能力減弱或增強(qiáng)。

制冷組件中用于PHX和MHX冷卻的沖壓空氣通過沖壓進(jìn)氣口進(jìn)入，經(jīng)過2個(gè)串聯(lián)的熱交換器實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫引氣的散熱降溫。圖3中的沖壓空氣轉(zhuǎn)換活門主要用來切換制冷組件冷媒的使用方式。在地面狀態(tài)下，沒有沖壓空氣可以利用，飛機(jī)只能采用渦輪風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)的方法制冷，沖壓空氣轉(zhuǎn)換活門將處于關(guān)閉位置，沖壓空氣將在風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)下流過雙級(jí)熱交換器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的制冷功能；相反，在飛行狀態(tài)下，活門將處于打開位置，利用沖壓空氣進(jìn)行冷卻。

離開次級(jí)熱交換器的供氣分別通過回?zé)崞骱屠淠鳠崆?，此時(shí)與冷凝器冷腔中的渦輪排氣進(jìn)行熱交換，使冷凝器熱邊出口排氣冷卻到飽和溫度以下，從而使大量冷凝水滴通過高壓水分離器分離掉，然后進(jìn)入回?zé)崞?。此時(shí)，回?zé)崞鳒p小了次級(jí)熱交換器與渦輪進(jìn)口之間的溫差。由此可以看出，制冷組件中的REH、CON、WE三者共同的作用就是盡量可能多地除去空氣中的水分，進(jìn)而滿足客艙、駕駛艙對(duì)濕度的要求。

4 民用飛機(jī)制冷技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

應(yīng)用民用飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)空氣循環(huán)制冷技術(shù)，具有體積小、質(zhì)量輕、易維護(hù)等特點(diǎn)。另外，將清潔無害且用之不竭的空氣作為制冷工質(zhì)，能夠緩解氟利昂工質(zhì)對(duì)環(huán)境的污染，比如電驅(qū)動(dòng)式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)就是由傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)引氣演變?yōu)殡妱?dòng)式壓氣機(jī)壓縮外界空氣作為制冷工質(zhì)。波音787飛機(jī)采用電驅(qū)動(dòng)四輪升壓式高壓除水制冷組件，其原理如圖4所示。與ARJ21-700飛機(jī)制冷組件相比，電驅(qū)動(dòng)四輪升壓式高壓除水制冷組件又多了以下2個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①使用由2臺(tái)獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)的空氣壓縮機(jī)壓縮從外界來的空氣作為高壓氣源，從而取消發(fā)動(dòng)機(jī)引氣，系統(tǒng)的工作能力不再受發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的影響，同時(shí)，也不再直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力循環(huán)。因此，取消發(fā)動(dòng)機(jī)引氣的制冷系統(tǒng)，可以節(jié)省大量民用飛機(jī)的能耗，從而節(jié)省發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗。②四輪升壓式制冷組件采用兩級(jí)渦輪降溫，在實(shí)際工作過程中，第一級(jí)渦輪可以將溫度控制在零度以上，這樣能夠有效防止冷凝器結(jié)冰，第二級(jí)渦輪將再次對(duì)一級(jí)渦輪出口氣體進(jìn)行膨脹做功，進(jìn)一步降低了進(jìn)入座艙的供氣溫度，增強(qiáng)了系統(tǒng)制冷能力。在該組件的空氣循環(huán)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將4個(gè)轉(zhuǎn)子（渦輪、渦輪、壓氣機(jī)、風(fēng)扇）與2個(gè)軸段連接在一起，用精密的調(diào)節(jié)裝置使所有的轉(zhuǎn)子和軸部件徑向校準(zhǔn)。這種結(jié)構(gòu)形式改善了空氣循環(huán)機(jī)的起動(dòng)性能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng)能力，提高了系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)束語

從國(guó)外民用飛機(jī)空調(diào)制冷系統(tǒng)發(fā)展的過程中可以看出，隨著飛機(jī)性能和人們對(duì)其舒適度需求的提高，空調(diào)制冷系統(tǒng)的性能也在不斷改善。在實(shí)際工作中，提高空氣循環(huán)機(jī)的工作效率，可以有效降低制冷系統(tǒng)的運(yùn)行成本。在民用飛機(jī)朝著“多電或全電大型飛機(jī)”方向發(fā)展的過程中，電驅(qū)動(dòng)形式的制冷系統(tǒng)將具有更大的靈活性和更強(qiáng)的適應(yīng)能力。隨著科技的發(fā)展，我國(guó)國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)項(xiàng)目——C919飛機(jī)在2017年首飛，相信將會(huì)有更多、更先進(jìn)的技術(shù)被應(yīng)用于我國(guó)民用大飛機(jī)上。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：顧仁碗（1983—），男，工程師，主要研究方向?yàn)橥鈭?chǎng)機(jī)務(wù)維修與研究。焦毅（1986—），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)檫m航、安全性與標(biāo)準(zhǔn)化研究。

〔編輯：白潔〕