機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)

何予東，張 毅

（1.新鄉(xiāng)航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，河南新鄉(xiāng) 453000；2.中鐵工程裝備集團(tuán)隧道設(shè)備制造有限公司，河南新鄉(xiāng) 453000）

0 引言

由于直升機(jī)采用的渦軸發(fā)動機(jī)對引氣很敏感，據(jù)資料介紹，在發(fā)動機(jī)額定功率狀態(tài)時，每1%的引氣量將導(dǎo)致發(fā)動機(jī)功率損失約為額定功率的4%[1]。因此，國內(nèi)外直升機(jī)廣泛采用蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)制冷與引氣加溫配合使用的直升機(jī)環(huán)控系統(tǒng)，如國外的“黑鷹”VH-60N、“阿帕奇”AH-64、S-92、NH-90 等，國內(nèi)的直-8、直-9、AC313、AC311 等。

由于直升機(jī)的電能很寶貴，因此，研究降低直升機(jī)環(huán)控系統(tǒng)的功耗具有很重要的意義?，F(xiàn)有技術(shù)平臺已通過將動力組件型式改為電動半封閉壓縮機(jī)型式，將交流電機(jī)改為直流無刷電機(jī)，提高了電機(jī)的自身效率和傳動效率，將壓縮機(jī)的電功耗降低了約20%。如今，壓縮機(jī)等蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)零部件的技術(shù)提升空間已經(jīng)不大，如果要進(jìn)一步降低系統(tǒng)的電功耗，需要引入雙級膨脹技術(shù)[2]。

1 雙級膨脹系統(tǒng)介紹

如圖1 所示，單級膨脹蒸發(fā)循環(huán)制冷劑從冷凝器流出后直接進(jìn)入膨脹閥節(jié)流降壓，然后進(jìn)入蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸熱。而雙級膨脹中，從冷凝器流出的制冷劑首先進(jìn)行一級膨脹，分離成制冷劑氣體和液體，氣態(tài)制冷劑返回壓縮機(jī)，液態(tài)制冷劑進(jìn)入第二級膨脹[3]。

由于中間壓力的氣態(tài)制冷劑不需要經(jīng)過第一次壓縮，因此節(jié)省了壓縮機(jī)的功耗，提高了循環(huán)制冷系數(shù)。經(jīng)過計(jì)算，采用雙級膨脹，可以節(jié)省能耗15%以上。

圖1 單級膨脹蒸發(fā)循環(huán)與雙級膨脹

2 雙級膨脹技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

由于這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用需要中間注入式壓縮機(jī)技術(shù)，而只有螺桿式和渦旋式壓縮機(jī)符合要求，開發(fā)難度較大，國內(nèi)應(yīng)用較少。國內(nèi)雙級膨脹技術(shù)在民用領(lǐng)域已有應(yīng)用，主要應(yīng)用于大功率螺桿式壓縮機(jī)制冷機(jī)組，目的是為了解決蒸發(fā)循環(huán)熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的大壓縮比帶來的壓縮機(jī)排氣溫度過高的問題。國內(nèi)已開發(fā)出電動汽車空調(diào)熱泵系統(tǒng)用中間注入式渦旋壓縮機(jī)，并已經(jīng)過裝車試驗(yàn)。

國內(nèi)現(xiàn)有正在研制和已定型的機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)，全部采用的是單級蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)。

2.2 國外應(yīng)用現(xiàn)狀

國外先進(jìn)機(jī)型，無論以空氣為熱沉，還是以燃油為熱沉，均采用雙級膨脹系統(tǒng)，如S-92 直升機(jī)、波音787 旅客機(jī)等。其中S-92 直升機(jī)蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)以空氣為熱沉，波音787 旅客機(jī)蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)以燃油為熱沉。

3 雙級膨脹技術(shù)在直升機(jī)環(huán)控系統(tǒng)的應(yīng)用分析

3.1 國內(nèi)直升機(jī)環(huán)控系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

直升機(jī)環(huán)控系統(tǒng)中的蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)，其中的壓縮機(jī)有電動半封閉式和開啟式兩種。其中電動半封閉式由于具有安裝靈活、不影響發(fā)動機(jī)工作等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種中、大型軍民用直升機(jī)上。

電動半封閉壓縮機(jī)在工作中，由于制冷劑氣體在進(jìn)入渦旋壓縮動靜盤前，首先進(jìn)入了電機(jī)殼中的溝槽，通過電機(jī)定子吸收電機(jī)工作中散發(fā)的熱量，制冷劑本身焓值增加，壓縮機(jī)入口溫度增加，因此電動半封閉壓縮機(jī)的排氣溫度明顯高于開啟式壓縮機(jī)，同時，由于壓縮過程向壓焓圖的右方移動，壓縮過程所需要的功也增加了。

選取一款電動半封閉渦旋式壓縮機(jī)作為研究對象，在相同的條件下進(jìn)行熱力計(jì)算。

由計(jì)算結(jié)果可知，由于制冷劑需要帶走電機(jī)工作產(chǎn)生的熱量，使壓縮入口溫度提高了20 ℃，結(jié)果使壓縮機(jī)排氣溫度由92 ℃提高到114.66 ℃，排氣溫度升高，將降低壓縮機(jī)的工作效率，加快壓縮機(jī)上密封墊等非金屬件的老化，增加冷凝器的熱負(fù)荷。同時，由于壓縮過程向壓焓圖的右方移動，壓縮過程所需要的功增加，制冷系數(shù)降低了9.6%。

3.2 直升機(jī)用雙級膨脹關(guān)鍵技術(shù)分析

（1）雙級膨脹系統(tǒng)匹配技術(shù)。民用雙級膨脹系統(tǒng)，由于外界環(huán)境很穩(wěn)定，系統(tǒng)參數(shù)經(jīng)過啟動初期的振蕩后會很快穩(wěn)定并持續(xù)保持下去，系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)工作量較小。

（2）航空高效氣液分離閃發(fā)器設(shè)計(jì)技術(shù)。由于航空產(chǎn)品對體積、重量的高要求，機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)用閃發(fā)器不能采用自然分離技術(shù)，需要研制高效率的氣液分離裝置，同時，閃發(fā)器在設(shè)計(jì)時，還要考慮飛機(jī)各個飛行姿態(tài)下液態(tài)制冷劑不能進(jìn)入回氣管中，因?yàn)橐簯B(tài)制冷劑從回氣管中進(jìn)入壓縮機(jī)，會在壓縮腔中產(chǎn)生液擊，影響壓縮機(jī)正常工作。

（3）中間注入式機(jī)載渦旋式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)。從現(xiàn)在收集到的材料看，國外飛機(jī)上使用的中間注入式壓縮機(jī)，采用的均為立式設(shè)計(jì)，說明其技術(shù)來源于家用制冷設(shè)備，由于國內(nèi)的技術(shù)來源于車用渦旋壓縮機(jī)，車用渦旋壓縮機(jī)對體積、重量及耐振性的要求超過家用制冷設(shè)備，在機(jī)載應(yīng)用上具有一定優(yōu)勢。國內(nèi)前期已進(jìn)行了小型中間注入式渦旋式壓縮機(jī)的研究，并在車用熱泵型蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)上已完成實(shí)車試驗(yàn)。

4 結(jié)束語

在直升機(jī)上采用雙級膨脹技術(shù)，可以顯著降低壓縮機(jī)排氣溫度和功率消耗，提高系統(tǒng)可靠性，降低直升機(jī)燃油消耗，系統(tǒng)所需關(guān)鍵技術(shù)國內(nèi)已具有一定基礎(chǔ)，研制風(fēng)險不大，經(jīng)過對雙級膨脹系統(tǒng)應(yīng)用到直升機(jī)環(huán)控系統(tǒng)中面臨的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，提出了通過引入雙級膨脹技術(shù)以提升國內(nèi)直升機(jī)環(huán)控系統(tǒng)的技術(shù)水平這一發(fā)展方向。因此，雙級膨脹技術(shù)將是國內(nèi)直升機(jī)環(huán)控系統(tǒng)一個很好的技術(shù)發(fā)展方向。