浅析民用飞机空调制冷技术

顾仁碗+焦毅

摘 要：飞机空调系统可以为驾驶舱和客舱提供适宜的温度和压力，并为其补充新鲜的空气，以保证机组和旅客的舒适度，而空调制冷系统在实现上述功能时发挥着举足轻重的作用。ARJ21-700飞机作为我国民用飞机的探路者，其空调制冷技术具有一定的代表性。以ARJ21-700飞机空调制冷系统为例，详细阐述了民用飞机的制冷技术，以期为相关工作的发展提供参考。

关键词：空气循环装置；制冷组件；空气管理系统；综合控制器

中图分类号：V245.3+4 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.11.023

1 概述

民用飞机空调系统主要为飞机座舱、驾驶舱提供适宜的温度和压力，流量稳定的清洁空气，以保证机组和旅客的舒适度。飞机空调系统的清洁空气一般都来自飞机的APU或发动机压气机引气，如何将这些高温高压的引气转化为可用的清洁空气，飞机空调制冷系统发挥着巨大的作用。

2 民用飞机空调制冷系统的现状

民用飞机空调制冷系统的设计，既要满足舱内乘客对温度的要求，又要提高电子设备工作的可靠性，其发展经历了半个多世纪，按照制冷原理分为蒸发循环制冷系统和空气循环制冷系统。蒸发循环制冷系统是利用液态制冷剂（比如氟利昂）的相变来吸收空气中的热量，使空气在进入座舱或设备舱之前显著地降低温度，从而达到冷却的目的。考虑到客舱通风、增压和制冷的一体化功能，现役民用飞机大多采用从APU或发动机引气的空气循环制冷系统，其主要部件就是常说的制冷组件（PACK）。根据制冷组件中涡轮负载输出功率的不同分配形式，分为两轮升压式（涡轮-压气机）、三轮升压式（涡轮-压气机-风扇）、四轮升压式（涡轮-涡轮-压气机-风扇）；根据系统除水方式的不同，又可分为低压除水和高压除水2种方式。随着科技的进步，高压除水方案得到长足的发展，并被广泛应用于现代民用飞机上。

空气循环制冷系统从两轮升压式到三轮升压式再到四轮升压式，都是以追求高性能、低能耗为宗旨，从核心部件-涡轮冷却器的改型出发，每一个阶段都在不断向前发展。由两轮升压式演变为三轮升压式，其推动力是解决地面和小马赫数飞行时系统的制冷能力；由三轮升压式演变为四轮升压式，其推动力是解决制冷组件中冷凝器的冻堵问题，从而提高系统的可靠性。

3 典型民用飞机空调制冷系统

当今民用飞机空调制冷技术主流均使用三轮升压式空气循环制冷系统，而作为我国第一款拥有自主知识产权的民用飞机ARJ21-700飞机，其空调系统也是采用该技术。下面，以ARJ21-700飞机的空调系统为例，详细介绍当今民用飞机空调制冷技术。

3.1 ARJ21-700飞机空调制冷系统概述

ARJ21-700飞机空调制冷系统主要是由2套空气管理系统综合控制器（IASC）、2套制冷组件（PACK）、控制面板和空气管路等组成。制冷组件将来自APU或发动机的高温、高压引气转变为温度、压力、湿度适宜的空气，为飞机提供充足的制冷量，满足整个飞机客舱、货舱系统对温度、压力控制的要求。空调系统是有余度的，在两侧制冷组件系统完全相同，单个制冷组件工作条件下，虽然其性能有所下降，但仍可以满足系统的最低需求。

3.2 制冷组件（PACK）介绍

ARJ21-700飞機空调制冷系统的核心部件是制冷组件（PACK），其外形如图1所示。

3.2.1 制冷组件的组成

ARJ21-700飞机制冷组件是由三轮升压式高压除水系统组成的高性能空气制冷组件，是由三轮空气循环装置（ACM）、热交器、温度控制活门（TCV）、回热器（REH）、冷凝器（CON）、高压除水装置（WE）、相关传感器、连接管道和其他附件组成的一个整体。

3.2.2 制冷组件的工作原理

流量控制系统原理如图2所示，从图2中可以看出，经引气系统预调温度和压力的发动机引气，通过引气过滤器（BFR）、臭氧转换器（OZC）、流量文氏管（FSV）和流量控制活门（FCV）后分成冷、热2路。

制冷组件工作原理如图3所示。冷路空气进入制冷组件（PACK），供气首先到制冷组件初级热交换器（PHX），在初级热交换器中由冲压空气冷却，然后进入空气循环装置的压气机，被压缩到较高的压力和温度，再进入次级热交换器（MHX），由冲压空气冷却，散完热的空气经过回热器（REH）和冷凝器（CON）后，通过高压水分离器（WE）分离冷凝水后进入空气循环装置的冷却涡轮。空气通过涡轮时膨胀降温，膨胀时发出的轴功率又驱动压气机和冷却风扇叶轮转动，空气膨胀做功，热能转换成机械能，使涡轮出口排气温度降得很低。根据设计要求，此时涡轮出口温度在5～80 ℃之间。热路引气经空调系统的配平活门（TAV）调节后与制冷组件出口空气混合后供给驾驶舱和客舱。在调节ARJ21-700飞机驾驶舱温度和客舱温度的过程中，空调系统的2个TAV独立工作，分别调节进入相应舱位的来自热路的热空气与来自制冷组件的“冷”空气的混合比例，管路温度传感器（DTS）用于感受此混合后的温度值，为TAV的开启速率提供参数，即TAV用于舱内温度的最终或精确调节。其调节的加热或制冷量是非常有限的，一旦2个配平空气活门中的1个达到全开（加热状态）或全关（制冷状态），此时通过TAV的加热能力或制冷能力即达到了极限。要想继续加热或制冷，只能通过调节制冷组件的温度控制活门（TCV），调节涡轮出口空气与热旁路的混合比例，以提高进入驾驶舱和客舱空气的加热能力或制冷能力。此时，2套制冷组件的TCV同步动作，且制冷组件的工作状态完全相同。TCV调温的实质是，除了调节冷热路比例外，还同步调节冷风道进气量，从而减少或增加进入涡轮的空气流量，降低或提高涡轮转速，使制冷能力减弱或增强。

制冷组件中用于PHX和MHX冷却的冲压空气通过冲压进气口进入，经过2个串联的热交换器实现对高温引气的散热降温。图3中的冲压空气转换活门主要用来切换制冷组件冷媒的使用方式。在地面状态下，没有冲压空气可以利用，飞机只能采用涡轮风扇驱动的方法制冷，冲压空气转换活门将处于关闭位置，冲压空气将在风扇的驱动下流过双级热交换器，实现系统的制冷功能；相反，在飞行状态下，活门将处于打开位置，利用冲压空气进行冷却。

离开次级热交换器的供气分别通过回热器和冷凝器热腔，此时与冷凝器冷腔中的涡轮排气进行热交换，使冷凝器热边出口排气冷却到饱和温度以下，从而使大量冷凝水滴通过高压水分离器分离掉，然后进入回热器。此时，回热器减小了次级热交换器与涡轮进口之间的温差。由此可以看出，制冷组件中的REH、CON、WE三者共同的作用就是尽量可能多地除去空气中的水分，进而满足客舱、驾驶舱对湿度的要求。

4 民用飞机制冷技术的发展趋势

应用民用飞机空调系统空气循环制冷技术，具有体积小、质量轻、易维护等特点。另外，将清洁无害且用之不竭的空气作为制冷工质，能够缓解氟利昂工质对环境的污染，比如电驱动式空气循环制冷系统就是由传统的发动机引气演变为电动式压气机压缩外界空气作为制冷工质。波音787飞机采用电驱动四轮升压式高压除水制冷组件，其原理如图4所示。与ARJ21-700飞机制冷组件相比，电驱动四轮升压式高压除水制冷组件又多了以下2个优点：①使用由2台独立电驱动的空气压缩机压缩从外界来的空气作为高压气源，从而取消发动机引气，系统的工作能力不再受发动机工作状态的影响，同时，也不再直接影响发动机的热力循环。因此，取消发动机引气的制冷系统，可以节省大量民用飞机的能耗，从而节省发动机燃油消耗。②四轮升压式制冷组件采用两级涡轮降温，在实际工作过程中，第一级涡轮可以将温度控制在零度以上，这样能够有效防止冷凝器结冰，第二级涡轮将再次对一级涡轮出口气体进行膨胀做功，进一步降低了进入座舱的供气温度，增强了系统制冷能力。在该组件的空气循环机結构设计中，将4个转子（涡轮、涡轮、压气机、风扇）与2个轴段连接在一起，用精密的调节装置使所有的转子和轴部件径向校准。这种结构形式改善了空气循环机的起动性能，增强了系统的适应能力，提高了系统的可靠性。

5 结束语

从国外民用飞机空调制冷系统发展的过程中可以看出，随着飞机性能和人们对其舒适度需求的提高，空调制冷系统的性能也在不断改善。在实际工作中，提高空气循环机的工作效率，可以有效降低制冷系统的运行成本。在民用飞机朝着“多电或全电大型飞机”方向发展的过程中，电驱动形式的制冷系统将具有更大的灵活性和更强的适应能力。随着科技的发展，我国国产大飞机项目——C919飞机在2017年首飞，相信将会有更多、更先进的技术被应用于我国民用大飞机上。

参考文献

[1]周洁敏.民用航空特色专业系列教材：飞机电气系统[M].北京：科学出版社，2010.

[2]迈克·图利.飞机电气和电子系统：原理、维护和使用[M].上海：上海交通大学出版社，2011.

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作者简介：顾仁碗（1983—），男，工程师，主要研究方向为外场机务维修与研究。焦毅（1986—），男，高级工程师，主要研究方向为适航、安全性与标准化研究。

〔编辑：白洁〕