典型民用飛機制冷系統分析研究

江娜

【摘 要】選取兩款典型制冷系統進行對比分析，闡明了制冷系統采用氣壓式溫度傳感器的優缺點，并指出除冰設計是組件溫度控制系統設計的重要部分，為現代民用飛機制冷系統的設計提供參考。

【關鍵詞】空調組件；組件溫度控制；制冷系統；民用飛機

0 引言

飛機從地面升入高空時，外界環境變化居烈，可能在幾分鐘內就變成一個超低壓、超低溫、濕度幾乎為零的環境。人類在這種環境中無法生存。制冷系統的功能就是將來自上游氣源系統的高溫高壓氣體，調節成溫度、壓力及濕度適宜的空調供氣，再與再循環空氣混合，經配平系統調節后供入座艙，實現座艙環境的調節[1]。

本文選取兩款主流干線飛機的制冷系統進行對比分析，為現代民用飛機制冷系統的設計提供參考。

1 制冷系統的基本組成

制冷系統主要由空調組件和組件溫度控制系統等組成。空調組件冷卻來自氣源系統的熱空氣，并傳送至下游的分配系統。組件溫度控制系統控制組件出口溫度，并防止空調組件內部超溫或結冰。

本文將從空調組件和組件溫度控制系統兩方面展開制冷系統的對比分析。

2 空調組件比較

圖1和圖2給出了兩款機型的制冷系統原理圖。兩款機型均采用三輪升壓式空氣循環制冷系統。三輪升壓式空氣循環制冷系統主要部件包括初級換熱器（或次熱交換器）、主換熱器、壓氣機、渦輪、風扇、水分離器、回熱器和冷凝器等。來自發動機的熱引氣首先經過初級換熱器冷卻，接著進入壓氣機被壓縮為高溫高壓的氣體，再進入主換熱器進行進一步的冷卻。回熱器和冷凝器可以使其溫度繼續降低到露點溫度以下從而使濕空氣形成游離水，之后在水分離器中大部分的游離水將被除去。經過除水處理的干燥空氣進入渦輪膨脹冷卻成為低溫冷氣，通過單向活門進入下游的混合器組件。兩者的區別主要有以下幾點：

a.機型1的熱交換器是串聯布置，稱為初級換熱器和主換熱器。機型2的熱交換器則為并聯布置，稱之為主熱交換器和次熱交換器。從安裝角度考慮，機型1的空調組件需要更多高度方向的安裝空間，而機型2的空調組件則需要更多沿機身方向的安裝空間。這也與各機型的總體布置方案有關。從性能角度考慮，由于并聯布置時，主換熱器的冷邊空氣均來自外界大氣，相比于串聯布置時，初級換熱器的冷邊空氣來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.機型1在冷凝器熱邊出口處有一個水分離器，機型2除在冷凝器熱邊出口處裝有兩個水分離器外，它在次級換熱器出口處也布置有水分離管。這是由于在某些運行工況下，主換熱器出口溫度低于水蒸氣露點溫度，水蒸氣將達到飽和，凝結成水滴，因此先將這部分水除去。

c.機型2風扇腔裝有風扇旁通單向活門，當沖壓空氣壓頭大于風扇升壓能力時，氣流將從風扇旁通單向活門旁通以減小流阻。機型1沒有此設計。

3 組件溫度控制系統比較

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

3.1 機型1組件溫度控制系統功能介紹

3.1.1 機型1組件溫度控制系統的基本運行原理

機型1組件溫度控制系統通過組件控制器①，根據組件出口需求溫度和組件出口溫度傳感器⑩信號來調節旁通活門②和沖壓空氣進氣口作動筒③以獲得組件出口需求溫度，同時根據壓氣機出口溫度傳感器⑤保證空調組件不超溫。

3.1.2 組件溫度控制系統具有防、除冰功能

對于除冰模式，防冰活門④通過探測冷凝器冷熱端上下游壓差來探測冷凝器內是否結冰。當壓差大于一定值時，防冰活門將打開，熱引氣被供入到渦輪出口溶化冷凝器內產生的冰。當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，防冰活門將根據該壓力值打開或關閉以維持組件出口溫度約為15℃。

組件控制器根據水分離器出口溫度傳感器⑦信號調節旁通活門，以保證水分離器出口溫度在冰點以上。

3.1.3 組件溫度控制系統具有超溫保護功能

壓氣機過熱溫度傳感器⑥用于探測壓氣機出口溫度超溫情況。當壓氣機出口溫度超過告警溫度，位于空調組件上游的流量控制系統將切斷上游氣源，使空調組件停止工作。氣壓式壓氣機過熱溫度傳感器⑧也用于探測壓氣機出口超溫情況。當組件溫度控制器故障時，壓氣機過熱溫度傳感器無法工作，若此時壓氣機出口超溫，氣壓式壓氣機過熱溫度傳感器將給出信號，要求減少進入空調組件的流量。

3.2 機型2組件溫度控制系統功能介紹

3.2.1 組件溫度控制系統的基本運行原理

機型2的組件溫度控制器①根據位于壓氣機出口處的沖壓空氣傳感器⑥信號，通過沖壓空氣作動筒③調節沖壓空氣調節板的位置，從而調節沖壓空氣的流量。同時通過TCV②調節熱空氣的配平流量，以達到組件出口需求溫度。

3.2.2 組件溫度控制系統具有防、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，組件控制器根據水分離器出口溫度傳感器⑦信號調節TCV，以保證水分離器出口溫度在冰點以上。

備用TCV④除了作為TCV的備份外，還可以向渦輪出口提供熱氣除冰。

3.2.3 組件溫度控制系統具有超溫保護功能

機型2的空調組件具有三個過熱電門：壓氣機過熱電門⑤、渦輪過熱電門⑧和組件供氣過熱電門⑨，當相應位置的溫度超過一定值時，組件將自動關閉。

3.3 機型1與機型2組件溫度控制系統對比小結

通過對兩款機型組件溫度控制系統的介紹，可以發現：

a.機型1采用了較多的氣壓式溫度傳感器，此類傳感器可以在組件溫度控制器故障時，通過氣壓感受溫度，降級調節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，這種設計提高了組件溫度控制系統的可靠性。但同時也增加了重量和控制邏輯的復雜度。

b.兩款機型都采用了單獨的活門用于除冰，而非采用熱旁路活門兼顧。由此可見，組件的除冰設計是組件溫度控制設計較為重要的部分。

4 結論

通過對兩款機型的對比，得出以下結論：

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的可靠性，但同時增加了重量和控制邏輯的復雜度。

b.組件的除冰設計是組件溫度控制設計中較為重要的部分。

【參考文獻】

[1]雷世豪，主編.飛機設計手冊第15 冊《生命保障和環控系統設計》[M].北京：航空工業出版社，1999.

[責任編輯：楊玉潔]