三輪升壓式空氣循環制冷系統的試驗研究

吳黎艷 劉寶霞 曹智

沈陽航空航天大學航達機載設備公司 （沈陽 110034 ）

0 引言

三輪升壓式空氣循環制冷系統主要用于各種類型飛機的環境控制系統中，其優點是設備的質量小；成本低；調節和控制方便；可靠性較高；檢修和維護的工作量小；附件在飛機上的安排沒有特殊要求；特別是其制冷介質同時可以輸入座艙作為增壓之用，使座艙通風、增壓和冷卻可由同一系統來完成。

目前，這一系統在地面設備中并沒有得到應用，因為受外界環境大氣高濕條件的影響，當通過冷卻渦輪的空氣溫度降到露點以下時，會有水分凝出。因此，既要將水分除去，保證輸送空氣的質量，還要提高制冷系統的性能，沒有合理的解決措施，其使用必然會受限制。

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渦輪和一個壓氣機(或風扇)同軸，此種渦輪冷卻器的特點是在渦輪-壓氣機式冷卻器的基礎上又增加了一個動力渦輪，即增加了一個動力源，空氣的流程分兩路，一路是制冷路，壓縮空氣在壓氣機中增壓后進入渦輪膨脹降溫，滿足主系統的制冷要求；另一路是動力路，為制冷路提供動力，同時可用作輔助系統制冷，壓縮空氣直接進入動力渦輪膨脹降溫，然后進入輔助系統帶走熱載荷。由于三輪同軸，動力渦輪的膨脹功也傳輸給壓氣機，提高了壓氣機的增壓比，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，性能系數進一步提高。其原理如圖1所示。

圖1 三輪渦輪冷卻器原理

1.2 系統原理

供氣經過初級熱交換器、壓氣機和第二級熱交換器后，先經過回熱器熱邊、冷凝器、水分離器和回熱器冷邊，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，在經過下游的水分離器時被分離并排出，排出的水分可以噴到沖壓熱交換器的沖壓空氣進氣邊，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的溫升，提高制冷能力，增加了一個回熱器，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。回熱器的冷邊空氣是經過冷凝器由渦輪排氣冷卻的壓縮空氣，它在經過回熱器后升高了溫度，即提高了渦輪進口空氣溫度。提高渦輪進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。當進口溫度提高時，絕對溫降增加，這樣對渦輪出口溫度影響不大，而提高渦輪出口溫度會直接降低系統的制冷能力。

空氣循環冷卻系統上所應用的三輪升壓式渦輪冷卻器起到為熱交換器冷邊抽風和為進入渦輪前空氣增壓的雙重功能。外形如圖2所示。

2 試驗測試內容

系統與飛機空調車試驗臺連接置于室內，對系統的性能、噪聲和流量做了相應測試試驗，以考核原制冷系統改用三輪升壓式制冷系統后，在供冷風狀態下，三輪升壓式制冷系統各段管路溫度、壓力及整車的風量、風溫和風壓等是否達到要求。

圖2 三輪升壓式渦輪冷卻器外形圖

3 試驗結果與分析

按要求，將試驗臺冷路閥門全開，熱路閥門關閉，風機開，出口接流量計，啟動運行穩定后，空壓機轉速調為 800r/min，出口壓力達到0.02MPa，將實測值與設計值比較，空調車供冷風狀態下，制冷包基本滿足空調車戰術技術指標要求。就制冷能力來看，渦輪的出入口溫差達到50℃以上，其制冷效果比較好。對比測試結果如表1所示。

表1 測試結果

4 結論

采用三輪升壓式制冷系統能提高系統的效率，實現模塊化設計，提高維修性，節約空間。

綜上所述，該三輪升壓式空氣循環制冷系統制冷能力基本可以滿足飛機地面空調車的使用要求，對現行飛機地面空調車制冷系統的改進有一定益處，增強了飛機地面空調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:機械工業出版社,1992.

[2]俞勤芳.新型三輪裝置冷卻系統性能分析.南京航空航天大學科技報告,1980.

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

[4]劉寶霞.三輪渦輪冷卻器應用研究.沈陽航空工業學院學報,2007(5).