江娜

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

【關(guān)鍵詞】空調(diào)組件；組件溫度控制；制冷系統(tǒng)；民用飛機

0 引言

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

本文選取兩款主流干線飛機的制冷系統(tǒng)進行對比分析，為現(xiàn)代民用飛機制冷系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

1 制冷系統(tǒng)的基本組成

制冷系統(tǒng)主要由空調(diào)組件和組件溫度控制系統(tǒng)等組成?？照{(diào)組件冷卻來自氣源系統(tǒng)的熱空氣，并傳送至下游的分配系統(tǒng)。組件溫度控制系統(tǒng)控制組件出口溫度，并防止空調(diào)組件內(nèi)部超溫或結(jié)冰。

本文將從空調(diào)組件和組件溫度控制系統(tǒng)兩方面展開制冷系統(tǒng)的對比分析。

2 空調(diào)組件比較

圖1和圖2給出了兩款機型的制冷系統(tǒng)原理圖。兩款機型均采用三輪升壓式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)。三輪升壓式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)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(fēng)扇、水分離器、回?zé)崞骱屠淠鞯?。來自發(fā)動機的熱引氣首先經(jīng)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?；?zé)崞骱屠淠骺梢允蛊錅囟壤^續(xù)降低到露點溫度以下從而使?jié)窨諝庑纬捎坞x水，之后在水分離器中大部分的游離水將被除去。經(jīng)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(qū)別主要有以下幾點：

a.機型1的熱交換器是串聯(lián)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(lián)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(diào)組件需要更多高度方向的安裝空間，而機型2的空調(diào)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(guān)。從性能角度考慮，由于并聯(lián)布置時，主換熱器的冷邊空氣均來自外界大氣，相比于串聯(lián)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(jié)成水滴，因此先將這部分水除去。

c.機型2風(fēng)扇腔裝有風(fēng)扇旁通單向活門，當(dāng)沖壓空氣壓頭大于風(fēng)扇升壓能力時，氣流將從風(fēng)扇旁通單向活門旁通以減小流阻。機型1沒有此設(shè)計。

3 組件溫度控制系統(tǒng)比較

組件溫度控制系統(tǒng)通常由沖壓空氣系統(tǒng)、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(tǒng)功能介紹

3.1.1 機型1組件溫度控制系統(tǒng)的基本運行原理

機型1組件溫度控制系統(tǒng)通過組件控制器①，根據(jù)組件出口需求溫度和組件出口溫度傳感器⑩信號來調(diào)節(jié)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(jù)壓氣機出口溫度傳感器⑤保證空調(diào)組件不超溫。

3.1.2 組件溫度控制系統(tǒng)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(nèi)是否結(jié)冰。當(dāng)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(nèi)產(chǎn)生的冰。當(dāng)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(jù)該壓力值打開或關(guān)閉以維持組件出口溫度約為15℃。

組件控制器根據(jù)水分離器出口溫度傳感器⑦信號調(diào)節(jié)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(tǒng)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(dāng)壓氣機出口溫度超過告警溫度，位于空調(diào)組件上游的流量控制系統(tǒng)將切斷上游氣源，使空調(diào)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(dāng)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(diào)組件的流量。

3.2 機型2組件溫度控制系統(tǒng)功能介紹

3.2.1 組件溫度控制系統(tǒng)的基本運行原理

機型2的組件溫度控制器①根據(jù)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(diào)節(jié)沖壓空氣調(diào)節(jié)板的位置，從而調(diào)節(jié)沖壓空氣的流量。同時通過TCV②調(diào)節(jié)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(tǒng)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(jù)水分離器出口溫度傳感器⑦信號調(diào)節(jié)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(tǒng)具有超溫保護功能

機型2的空調(diào)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(dāng)相應(yīng)位置的溫度超過一定值時，組件將自動關(guān)閉。

3.3 機型1與機型2組件溫度控制系統(tǒng)對比小結(jié)

通過對兩款機型組件溫度控制系統(tǒng)的介紹，可以發(fā)現(xiàn)：

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(diào)節(jié)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(shè)計提高了組件溫度控制系統(tǒng)的可靠性。但同時也增加了重量和控制邏輯的復(fù)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(shè)計是組件溫度控制設(shè)計較為重要的部分。

4 結(jié)論

通過對兩款機型的對比，得出以下結(jié)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(tǒng)的可靠性，但同時增加了重量和控制邏輯的復(fù)雜度。

b.組件的除冰設(shè)計是組件溫度控制設(shè)計中較為重要的部分。

【參考文獻】

[1]雷世豪，主編.飛機設(shè)計手冊第15 冊《生命保障和環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計》[M].北京：航空工業(yè)出版社，1999.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]