典型民用飞机制冷系统分析研究

江娜

【摘 要】选取两款典型制冷系统进行对比分析，阐明了制冷系统采用气压式温度传感器的优缺点，并指出除冰设计是组件温度控制系统设计的重要部分，为现代民用飞机制冷系统的设计提供参考。

【关键词】空调组件；组件温度控制；制冷系统；民用飞机

0 引言

飞机从地面升入高空时，外界环境变化居烈，可能在几分钟内就变成一个超低压、超低温、湿度几乎为零的环境。人类在这种环境中无法生存。制冷系统的功能就是将来自上游气源系统的高温高压气体，调节成温度、压力及湿度适宜的空调供气，再与再循环空气混合，经配平系统调节后供入座舱，实现座舱环境的调节[1]。

本文选取两款主流干线飞机的制冷系统进行对比分析，为现代民用飞机制冷系统的设计提供参考。

1 制冷系统的基本组成

制冷系统主要由空调组件和组件温度控制系统等组成。空调组件冷却来自气源系统的热空气，并传送至下游的分配系统。组件温度控制系统控制组件出口温度，并防止空调组件内部超温或结冰。

本文将从空调组件和组件温度控制系统两方面展开制冷系统的对比分析。

2 空调组件比较

图1和图2给出了两款机型的制冷系统原理图。两款机型均采用三轮升压式空气循环制冷系统。三轮升压式空气循环制冷系统主要部件包括初级换热器（或次热交换器）、主换热器、压气机、涡轮、风扇、水分离器、回热器和冷凝器等。来自发动机的热引气首先经过初级换热器冷却，接着进入压气机被压缩为高温高压的气体，再进入主换热器进行进一步的冷却。回热器和冷凝器可以使其温度继续降低到露点温度以下从而使湿空气形成游离水，之后在水分离器中大部分的游离水将被除去。经过除水处理的干燥空气进入涡轮膨胀冷却成为低温冷气，通过单向活门进入下游的混合器组件。两者的区别主要有以下几点：

a.机型1的热交换器是串联布置，称为初级换热器和主换热器。机型2的热交换器则为并联布置，称之为主热交换器和次热交换器。从安装角度考虑，机型1的空调组件需要更多高度方向的安装空间，而机型2的空调组件则需要更多沿机身方向的安装空间。这也与各机型的总体布置方案有关。从性能角度考虑，由于并联布置时，主换热器的冷边空气均来自外界大气，相比于串联布置时，初级换热器的冷边空气来自主换热器冷边出口，主换热器可以获得更低的热边出口温度。

b.机型1在冷凝器热边出口处有一个水分离器，机型2除在冷凝器热边出口处装有两个水分离器外，它在次级换热器出口处也布置有水分离管。这是由于在某些运行工况下，主换热器出口温度低于水蒸气露点温度，水蒸气将达到饱和，凝结成水滴，因此先将这部分水除去。

c.机型2风扇腔装有风扇旁通单向活门，当冲压空气压头大于风扇升压能力时，气流将从风扇旁通单向活门旁通以减小流阻。机型1没有此设计。

3 组件温度控制系统比较

组件温度控制系统通常由冲压空气系统、若干温度传感器、防冰或热空气旁通活门以及温度控制器等组成。

3.1 机型1组件温度控制系统功能介绍

3.1.1 机型1组件温度控制系统的基本运行原理

机型1组件温度控制系统通过组件控制器①，根据组件出口需求温度和组件出口温度传感器⑩信号来调节旁通活门②和冲压空气进气口作动筒③以获得组件出口需求温度，同时根据压气机出口温度传感器⑤保证空调组件不超温。

3.1.2 组件温度控制系统具有防、除冰功能

对于除冰模式，防冰活门④通过探测冷凝器冷热端上下游压差来探测冷凝器内是否结冰。当压差大于一定值时，防冰活门将打开，热引气被供入到涡轮出口溶化冷凝器内产生的冰。当组件温度控制器故障，安装在冷凝器冷边出口的气压式温度传感器⑨的压力将随着温度的变化而变化，防冰活门将根据该压力值打开或关闭以维持组件出口温度约为15℃。

组件控制器根据水分离器出口温度传感器⑦信号调节旁通活门，以保证水分离器出口温度在冰点以上。

3.1.3 组件温度控制系统具有超温保护功能

压气机过热温度传感器⑥用于探测压气机出口温度超温情况。当压气机出口温度超过告警温度，位于空调组件上游的流量控制系统将切断上游气源，使空调组件停止工作。气压式压气机过热温度传感器⑧也用于探测压气机出口超温情况。当组件温度控制器故障时，压气机过热温度传感器无法工作，若此时压气机出口超温，气压式压气机过热温度传感器将给出信号，要求减少进入空调组件的流量。

3.2 机型2组件温度控制系统功能介绍

3.2.1 组件温度控制系统的基本运行原理

机型2的组件温度控制器①根据位于压气机出口处的冲压空气传感器⑥信号，通过冲压空气作动筒③调节冲压空气调节板的位置，从而调节冲压空气的流量。同时通过TCV②调节热空气的配平流量，以达到组件出口需求温度。

3.2.2 组件温度控制系统具有防、除冰功能

从图2可以看出，在组件上游有一支热旁路，直接将上游引气引入涡轮外壳用于防冰。同时，组件控制器根据水分离器出口温度传感器⑦信号调节TCV，以保证水分离器出口温度在冰点以上。

备用TCV④除了作为TCV的备份外，还可以向涡轮出口提供热气除冰。

3.2.3 组件温度控制系统具有超温保护功能

机型2的空调组件具有三个过热电门：压气机过热电门⑤、涡轮过热电门⑧和组件供气过热电门⑨，当相应位置的温度超过一定值时，组件将自动关闭。

3.3 机型1与机型2组件温度控制系统对比小结

通过对两款机型组件温度控制系统的介绍，可以发现：

a.机型1采用了较多的气压式温度传感器，此类传感器可以在组件温度控制器故障时，通过气压感受温度，降级调节组件出口温度和除冰。在组件温度控制器可靠性较低的情况下，这种设计提高了组件温度控制系统的可靠性。但同时也增加了重量和控制逻辑的复杂度。

b.两款机型都采用了单独的活门用于除冰，而非采用热旁路活门兼顾。由此可见，组件的除冰设计是组件温度控制设计较为重要的部分。

4 结论

通过对两款机型的对比，得出以下结论：

a.在组件温度控制器可靠性较低的情况下，气压式温度传感器虽然可以提高组件温度控制系统的可靠性，但同时增加了重量和控制逻辑的复杂度。

b.组件的除冰设计是组件温度控制设计中较为重要的部分。

【参考文献】

[1]雷世豪，主编.飞机设计手册第15 册《生命保障和环控系统设计》[M].北京：航空工业出版社，1999.

[责任编辑：杨玉洁]