直升機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀分析

彭孝天，王蘇明，王晨臣，馮詩(shī)愚

（南京航空航天大學(xué)，南京210016）

近年來，直升機(jī)在執(zhí)法、救護(hù)、農(nóng)業(yè)、軍事、運(yùn)輸?shù)确矫娴膽?yīng)用越來越廣泛[1]。伴隨著直升機(jī)技術(shù)的革新，機(jī)載大功率電子設(shè)備逐漸增多，且司乘人員對(duì)機(jī)艙的舒適性要求日益提高，直升機(jī)環(huán)控系統(tǒng)的重要性越來越突出。國(guó)外高性能的民用及軍用直升機(jī)均裝備了性能較完善的環(huán)控系統(tǒng)，而國(guó)內(nèi)起步較晚，因此發(fā)展配套的直升機(jī)環(huán)控系統(tǒng)具有重要意義。

與固定翼飛機(jī)相比，直升機(jī)飛行高度較低，飛行速度較慢，且不需要座艙增壓。另外，直升機(jī)環(huán)控系統(tǒng)一般加裝在已經(jīng)設(shè)計(jì)完成并已經(jīng)生產(chǎn)的機(jī)型上。而在設(shè)計(jì)之初，多數(shù)直升機(jī)并沒有考慮環(huán)控系統(tǒng)的代償損失，因而在設(shè)計(jì)直升機(jī)環(huán)控系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)盡可能在降低系統(tǒng)重量的同時(shí)提高系統(tǒng)效率[2]。本文對(duì)直升機(jī)環(huán)控系統(tǒng)的各類制冷系統(tǒng)、制熱系統(tǒng)進(jìn)行了總結(jié)與分析，為給國(guó)內(nèi)直升機(jī)加裝環(huán)控系統(tǒng)提供借鑒。

1 直升機(jī)加熱系統(tǒng)

常見的直升機(jī)加熱系統(tǒng)除了發(fā)動(dòng)機(jī)引氣直接供熱外，還有內(nèi)部燃燒加熱、廢氣加熱、電加熱等方式[3]。

1.1 內(nèi)部燃燒加熱

加溫器由內(nèi)外2個(gè)室組成，燃料與空氣的混合物進(jìn)入燃燒室燃燒。來自大氣或座艙的空氣進(jìn)入外室與爐壁換熱，被加熱后送入座艙。圖1為這種加熱方式的原理圖。

1.2 廢氣加熱

空氣經(jīng)過帶有縱向肋片的內(nèi)管，被發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣加熱升溫后送入座艙，原理圖如圖2所示。

圖1 內(nèi)部燃燒加熱原理圖Fig.1 Schematic diagram of internal combustion heating

圖2 廢氣加熱原理圖Fig.2 Schematic diagram of exhaust heating

1.3 電加熱

電加溫器主要由電阻元件組成，電阻元件對(duì)通過加溫器的沖壓空氣進(jìn)行加熱。原理圖如圖3所示。

圖3 電加熱原理圖Fig.3 Schematic diagram of electric heating

1.4 加熱系統(tǒng)的比較

常見加熱系統(tǒng)的性能比較見表1。

表1 常見加熱系統(tǒng)的性能比較Tab.1 Comparison of performances of common heating systems

由于發(fā)動(dòng)機(jī)引氣加熱技術(shù)簡(jiǎn)單可靠，且在固定翼飛機(jī)中應(yīng)用較成熟。故目前直升機(jī)加熱系統(tǒng)大多選用發(fā)動(dòng)機(jī)引氣直接加熱的方式。

2 直升機(jī)制冷系統(tǒng)

飛行器環(huán)境制冷系統(tǒng)主要有空氣循環(huán)系統(tǒng)和蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)2大類[4]。

2.1 空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)

空氣循環(huán)系統(tǒng)由于對(duì)溫度、壓力控制高效、設(shè)備質(zhì)量輕，目前被廣泛應(yīng)用于固定翼飛機(jī)中。它主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的座艙增壓器或者由主發(fā)動(dòng)機(jī)引出的空氣作為供給空氣。高壓空氣經(jīng)過熱交換器初步冷卻后再經(jīng)過冷卻渦輪進(jìn)行膨脹降溫，由此獲得所需的冷空氣，冷卻渦輪帶動(dòng)壓氣機(jī)、風(fēng)扇、泵或其他裝置，將熱能轉(zhuǎn)換為可用功。直升機(jī)空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)主要借鑒固定翼飛機(jī)上制冷系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)，其主要包括簡(jiǎn)單式、升壓式及三輪式3種形式[5-6]。

2.1.1 簡(jiǎn)單式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)

圖4為簡(jiǎn)單式空氣循環(huán)的原理圖，發(fā)動(dòng)機(jī)引氣首先經(jīng)過熱交換器，利用沖壓空氣對(duì)其進(jìn)行初步降溫。然后進(jìn)入渦輪，膨脹降溫后送入座艙。這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)是需要的引氣壓力較高。

圖4 簡(jiǎn)單式空氣循環(huán)原理圖Fig.4 Schematic diagram of simple air cycle diagram

2.1.2 升壓式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)

升壓式空氣循環(huán)系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 升壓式空氣循環(huán)原理圖Fig.5 Schematic diagram of boosting air circulation

與簡(jiǎn)單式不同的是，這種系統(tǒng)增加一個(gè)由渦輪帶動(dòng)的壓氣機(jī)，可以用在供氣壓力受限情況下，使渦輪前的供氣壓力進(jìn)一步提高，從而獲得更大的渦輪降溫。發(fā)動(dòng)機(jī)引氣先經(jīng)過初級(jí)熱交換器預(yù)冷，后被壓氣機(jī)壓縮后經(jīng)過第二級(jí)熱交換器，然后進(jìn)入冷卻渦輪。在冷卻渦輪中膨脹到所需的座艙空氣壓力，同時(shí)，渦輪將熱能轉(zhuǎn)換為軸功并用來帶動(dòng)壓氣機(jī)。

2.1.3 三輪式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)

三輪式是簡(jiǎn)單式與升壓式組合的空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)，因?yàn)槠淅鋮s裝置中的同一根軸上有渦輪、壓氣機(jī)和風(fēng)扇三個(gè)輪子，由渦輪膨脹冷卻時(shí)的軸功帶動(dòng)壓氣機(jī)和風(fēng)扇，所以稱作三輪式。三輪式系統(tǒng)提高了直升機(jī)地面停機(jī)和低速飛行時(shí)的制冷效率，提高了能量的利用率[7]。原理圖如圖6所示。

圖6 三輪式空氣循環(huán)原理圖Fig.6 Schematic diagram of three wheeled air circulation

2.2 蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)

蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)在作用原理上為熱泵，即把熱從低溫取出并把它排到較高的溫度中去。它具有性能系數(shù)高、噪聲低、組件小等優(yōu)點(diǎn)[8]。缺點(diǎn)是制冷劑泄露會(huì)污染大氣、系統(tǒng)質(zhì)量較大等。根據(jù)制冷劑的壓縮級(jí)數(shù)，蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)可分為單級(jí)壓縮和兩級(jí)壓縮[9-12]。

2.2.1 單級(jí)壓縮蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)

單級(jí)壓縮蒸發(fā)循環(huán)的原理圖如圖7所示。

圖7 單級(jí)壓縮蒸發(fā)循環(huán)原理圖Fig.7 Schematic diagram of single-stage compression evaporation cycle

工作時(shí)，壓縮機(jī)抽吸蒸發(fā)器出口的制冷劑蒸汽，并將其壓縮升壓至冷凝壓力，并送至冷凝器；該高壓制冷劑在冷凝器中冷凝成液體；然后，進(jìn)入節(jié)流機(jī)構(gòu)節(jié)流膨脹，變?yōu)橐环N氣液混合物；該混合物流入蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)；最后，重新回到壓縮機(jī)完成一個(gè)循環(huán)。

2.2.2 兩級(jí)壓縮蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)

當(dāng)冷凝溫度較高時(shí)，對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)增壓比較大，此時(shí)需要采用兩級(jí)壓縮，以改善壓縮機(jī)工作條件，提高壓縮機(jī)的效率，進(jìn)而提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。原理圖如圖8所示。

圖8 雙級(jí)壓縮蒸發(fā)循環(huán)原理圖Fig.8 Schematic diagram of two-stage compression evaporation cycle

2.3 直升機(jī)制冷系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

表2分析比較了2種制冷系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)?？梢钥闯觯舭l(fā)循環(huán)系統(tǒng)與空氣循環(huán)相比，有性能系數(shù)高、代償損失小、無發(fā)動(dòng)機(jī)引氣等優(yōu)點(diǎn)，且近年來蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)可靠性差和制冷劑泄漏等弊端得到了解決，故現(xiàn)代直升機(jī)廣泛采用蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)，且有取代空氣循環(huán)系統(tǒng)的趨勢(shì)[13-14]。表3統(tǒng)計(jì)了國(guó)外現(xiàn)役直升機(jī)加裝環(huán)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀[15]，從中也可以看出，人們?cè)谶x擇直升機(jī)環(huán)控系統(tǒng)時(shí)，越來越青睞于蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)。

從整個(gè)環(huán)控系統(tǒng)性能角度出發(fā)，隨著直升機(jī)機(jī)載電子設(shè)備的增多，熱流密度的增大以及附件制造工藝、系統(tǒng)優(yōu)化和控制技術(shù)的進(jìn)步，要保證電子設(shè)備的正常工作，必須及時(shí)將這些熱量散發(fā)出去。同時(shí)，乘員對(duì)直升機(jī)座艙舒適性的期望越來越高。所以傳統(tǒng)的開式空氣循環(huán)制冷由于發(fā)動(dòng)機(jī)引氣量的限制而不能滿足冷卻需求，而蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)的高效能制冷能力能夠滿足這一冷卻需求。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)引氣會(huì)造成燃料燃燒增多，排出的廢氣也會(huì)造成一定的大氣污染。因此，我國(guó)今后在研發(fā)的新型直升機(jī)冷卻方案設(shè)計(jì)中，應(yīng)以蒸發(fā)循環(huán)制冷為首選方案。

表2 常見直升機(jī)制冷系統(tǒng)比較Tab.2 Comparison of common helicopter refrigeration systems

表3 國(guó)外現(xiàn)役直升機(jī)環(huán)控系統(tǒng)形式統(tǒng)計(jì)Tab.3 Form statistics of active helicopter control system in foreign countries

表4統(tǒng)計(jì)了典型直升機(jī)制冷系統(tǒng)的制冷量和重量，在初步設(shè)計(jì)直升機(jī)蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)時(shí)可用做參考。

表4 典型直升機(jī)制冷系統(tǒng)主要參數(shù)一覽表Tab.4 List of main parameters of refrigeration system for typical helicopters

3 VCS主要部件介紹及選型

3.1 制冷壓縮機(jī)的選擇

直升機(jī)獨(dú)特飛行條件，決定機(jī)載制冷壓縮機(jī)應(yīng)具有以下特性[16-17]：

①效率高；②功重比高；③工作范圍廣；④對(duì)飛行高度敏感性低；⑤對(duì)突發(fā)情況適應(yīng)性好；⑥可靠性高。

常見機(jī)載制冷壓縮機(jī)的分類見表5。

表5 常見制冷壓縮機(jī)分類表Tab.5 Classification tables of common refrigerating compressors

表6對(duì)常見機(jī)載壓縮的性能進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)并沒有哪類壓縮機(jī)可以滿足以上所有要求。但是表6表明螺桿式壓縮機(jī)的綜合性能最好，最適合機(jī)載循環(huán)，但是國(guó)內(nèi)小制冷量的螺桿機(jī)并不成熟。

目前，國(guó)內(nèi)具有配套能力的壓縮機(jī)的類型主要有活塞式（斜盤、滾動(dòng)轉(zhuǎn)子）、渦旋式、旋葉式。表7總結(jié)了這3種壓縮機(jī)的性能對(duì)比，可以看出，渦旋式是國(guó)內(nèi)目前最合適應(yīng)用于直升機(jī)蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)的壓縮機(jī)類型。

表6 常見機(jī)載壓縮機(jī)性能比較表Tab.6 Comparison of performance of common airborne compressors

表7 可用壓縮機(jī)性能比較表Tab.7 Compressor performance comparison table

3.2 換熱器形式的選擇

蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)中換熱器主要指蒸發(fā)器、冷凝器，對(duì)其性能要求為：①質(zhì)量輕、尺寸??；②換熱效率高；③對(duì)液體、氣態(tài)制冷劑均適用。

通過分析現(xiàn)有換熱器類型，僅緊湊型換熱器可以滿足上述幾點(diǎn)要求，未來應(yīng)探索微通道換熱器用于直升機(jī)蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)中。

3.3 節(jié)流裝置的選擇

節(jié)流機(jī)構(gòu)作為制冷系統(tǒng)的工質(zhì)流量調(diào)節(jié)元件，對(duì)裝置的運(yùn)行特性有重要影響。常用的節(jié)流裝置主要有毛細(xì)管、熱力膨脹閥、電子膨脹閥等，其主要特點(diǎn)比較如表8所示[18]。

表8 常用節(jié)流裝置特點(diǎn)比較Tab.8 Comparison of commonly used throttling device

由表8可以看出，采用電子膨脹閥的過熱度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其時(shí)間滯后比熱力膨脹閥小?？刂齐娮优蛎涢y動(dòng)作的調(diào)節(jié)規(guī)律由程序給出，因而具有很大的靈活性，可以考慮各種影響因素按具體要求制定調(diào)節(jié)規(guī)律，獲得良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。除了能夠精確地控制蒸發(fā)器出口過熱度外，還可以通過指定的調(diào)節(jié)程序?qū)㈦娮优蛎涢y的控制功能擴(kuò)展。故電子膨脹閥更適用于直升機(jī)蒸發(fā)制冷系統(tǒng)。

4 結(jié)論

目前，國(guó)外直升機(jī)環(huán)控系統(tǒng)的應(yīng)用已很普遍，技術(shù)也相當(dāng)成熟，而國(guó)內(nèi)起步較晚。但隨著直升機(jī)特別是武裝直升機(jī)的發(fā)展，對(duì)環(huán)控系統(tǒng)要求增加。故發(fā)展直升機(jī)環(huán)控系統(tǒng)，應(yīng)引起足夠的重視。

1）隨著電子設(shè)備的增加以及司乘人員對(duì)舒適性要求的提高，直升機(jī)加裝環(huán)境控制系統(tǒng)顯得越來越緊迫；

2）蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)聯(lián)合發(fā)動(dòng)機(jī)引氣加熱系統(tǒng)是未來機(jī)載環(huán)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)；

3）今后在選裝機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)部件時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮選用渦旋式壓縮機(jī)、平行流換熱器、電子膨脹閥。

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