三轮升压式空气循环制冷系统的试验研究

吴黎艳 刘宝霞 曹智

沈阳航空航天大学航达机载设备公司 （沈阳 110034 ）

0 引言

三轮升压式空气循环制冷系统主要用于各种类型飞机的环境控制系统中，其优点是设备的质量小；成本低；调节和控制方便；可靠性较高；检修和维护的工作量小；附件在飞机上的安排没有特殊要求；特别是其制冷介质同时可以输入座舱作为增压之用，使座舱通风、增压和冷却可由同一系统来完成。

目前，这一系统在地面设备中并没有得到应用，因为受外界环境大气高湿条件的影响，当通过冷却涡轮的空气温度降到露点以下时，会有水分凝出。因此，既要将水分除去，保证输送空气的质量，还要提高制冷系统的性能，没有合理的解决措施，其使用必然会受限制。

1 原理及性能分析

1.1 三轮涡轮冷却器原理

三轮涡轮冷却器即两个涡轮和一个压气机(或风扇)同轴，此种涡轮冷却器的特点是在涡轮-压气机式冷却器的基础上又增加了一个动力涡轮，即增加了一个动力源，空气的流程分两路，一路是制冷路，压缩空气在压气机中增压后进入涡轮膨胀降温，满足主系统的制冷要求；另一路是动力路，为制冷路提供动力，同时可用作辅助系统制冷，压缩空气直接进入动力涡轮膨胀降温，然后进入辅助系统带走热载荷。由于三轮同轴，动力涡轮的膨胀功也传输给压气机，提高了压气机的增压比，从而也提高了制冷涡轮的膨胀比，制冷涡轮温降加大，制冷量加大，性能系数进一步提高。其原理如图1所示。

图1 三轮涡轮冷却器原理

1.2 系统原理

供气经过初级热交换器、压气机和第二级热交换器后，先经过回热器热边、冷凝器、水分离器和回热器冷边，再流入冷却涡轮。

冷凝器的作用是：利用冷却涡轮出口的冷空气冷却准备流入涡轮但尚未膨胀降温的高压空气，使其温度降到露点以下，所含水分冷凝成小水滴，吸附在冷凝器壳体的换热表面上，水滴随气流流动，在经过下游的水分离器时被分离并排出，排出的水分可以喷到冲压热交换器的冲压空气进气边，以提高热交换器的效率。但为了尽量减小冷却涡轮出口冷空气在流过冷凝器时的温升，提高制冷能力，增加了一个回热器，使热量先排除一部分，而不是全部传给冷却涡轮出口冷空气。回热器的冷边空气是经过冷凝器由涡轮排气冷却的压缩空气，它在经过回热器后升高了温度，即提高了涡轮进口空气温度。提高涡轮进口空气温度与提高其出口温度效果大不相同，由下式可知。

如膨胀比 πt和效率 ηt相同。当进口温度提高时，绝对温降增加，这样对涡轮出口温度影响不大，而提高涡轮出口温度会直接降低系统的制冷能力。

空气循环冷却系统上所应用的三轮升压式涡轮冷却器起到为热交换器冷边抽风和为进入涡轮前空气增压的双重功能。外形如图2所示。

2 试验测试内容

系统与飞机空调车试验台连接置于室内，对系统的性能、噪声和流量做了相应测试试验，以考核原制冷系统改用三轮升压式制冷系统后，在供冷风状态下，三轮升压式制冷系统各段管路温度、压力及整车的风量、风温和风压等是否达到要求。

图2 三轮升压式涡轮冷却器外形图

3 试验结果与分析

按要求，将试验台冷路阀门全开，热路阀门关闭，风机开，出口接流量计，启动运行稳定后，空压机转速调为 800r/min，出口压力达到0.02MPa，将实测值与设计值比较，空调车供冷风状态下，制冷包基本满足空调车战术技术指标要求。就制冷能力来看，涡轮的出入口温差达到50℃以上，其制冷效果比较好。对比测试结果如表1所示。

表1 测试结果

4 结论

采用三轮升压式制冷系统能提高系统的效率，实现模块化设计，提高维修性，节约空间。

综上所述，该三轮升压式空气循环制冷系统制冷能力基本可以满足飞机地面空调车的使用要求，对现行飞机地面空调车制冷系统的改进有一定益处，增强了飞机地面空调车的可靠性和可维修性。

[1]朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器.北京:机械工业出版社,1992.

[2]俞勤芳.新型三轮装置冷却系统性能分析.南京航空航天大学科技报告,1980.

[3]寿荣中,何慧姗.飞行器环境控制.北京:北京航空航天大学出版社,2004.

[4]刘宝霞.三轮涡轮冷却器应用研究.沈阳航空工业学院学报,2007(5).