减少引气式环境控制系统引气量措施分析

包涵+王新阁

摘 要：环境控制系统能够使得舱内温湿度与压力维持在指定的范围内，是飞机的重要子系统。引气式环境控制系统从发动机压气机引气，会对发动机性能有一定的影响。本文对引气式环境控制系统存在的问题进行了简析，并提出了几种降低引气量的措施，可以有效提升发动机推力，具有一定的参考价值。

关键词：引气发动机 效率换热器 措施分析

中图分类号：V263.6 文獻标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）07（c）-0016-02

随着发动机技术的发展，飞机发动机的推重比不断提高，飞机性能有了较大提升，但是对于发动机压气机引气更加敏感；与此同时飞机上机载电子设备数量越来越多，对引气量的需求也越来越大。为了更合理利用发动机的功率，提升发动机性能，需要减少环境控制系统的引气量。

1 引气式环境控制系统存在的主要问题

1.1 环境控制系统的作用

飞机环境控制系统的作用是保持舱内适宜的温度和压力，并实现热气防冰、风挡除雨、机翼附面层控制、发动机起动、油箱与水箱增压、机载电子设备通风冷却、抗荷服增压和通风服通风等功能。

1.2 引气式环境控制系统对于发动机的影响

目前在飞机上应用较多的是引气式环境控制系统，该系统需要从发动机压气机引气，对发动机的推力有一定的影响。从发动机压气机引气后，发动机的排气温度、转速等参数会发生变化，发动机推力下降，耗油率大大增加。洛克希德公司对普惠公司的STF505-M7C发动机进行的试验验证了从发动机压气机引气对推力和耗油率的影响[1]：当飞机在10.5km高空以0.8Ma巡航，环境控制系统从发动机的引气流量为0.95kg/s，则发动机推力下降7%，相当于油耗增加2.6%。对于高推重比的飞机来说，从发动机压气机引气时造成的发动机推力损失和燃油代偿损失会更大。

1.3 存在的主要问题

目前，采用了引气式环境控制系统的飞机主要存在以下几个问题：

（1）采用一级引气方案。和两级引气相比，一级引气引起的发动机功率损失更大，燃油消耗量也更高。

（2）座舱空气循环系统制冷效率较低。目前，座舱制冷多采用简单式空气循环制冷系统。该系统对供气压力的要求较高，对使用高度有限制，并增加了飞机的性能代偿损失。简单式空气循环系统中风扇所需的功率，大部分浪费在了增加排气压头上，影响了系统的制冷效率。

（3）制冷量难以满足电子设备的需求。随着飞机的性能不断提升，机载电子设备对制冷量的需求也越来越大。第三代战斗机F-15环境控制系统总热载荷约33kW，其中电子设备热载荷占67%，第四代战斗机F-22环境控制系统热载荷约52kW，其中非设备热载荷仅占不足13%[2]。因此，满足电子设备对制冷量的需求，保证其可靠性，成为环境控制系统研制过程中重要任务之一。

2 减少环境控制系统引气量的措施

发动机推重比的提高，对环境控制系统引气量提出来严格的限制[3]。通常情况下，环境控制系统的引气量约占发动机核心流量的0.3%～1.0%之间[4]。为提升发动机性能，可以用以下几个方面减少发动机压气机的引气量。

（1）提高座舱空气循环系统制冷能力。

目前飞机采用较多的是开式空气循环制冷。开式空气循环制冷简单可靠，但是对引气的消耗较大，且制冷系数不高。美国F-15飞机采用了再生式空气循环制冷，把再生式换热器加在了第二级散热器后面，这样使得用于座舱冷却的空气不是直接排出，而是作为再生式换热器的冷却空气。这样既减小了引气量，满足了制冷需求，又提高了能量利用率，减少了性能代偿损失。

（2）提高换热器效率。

板翅换热器具有结构紧凑、比表面积大、可以多股流换热以及二次传热等优点[5]。提高板翅式换热器的换热效率，可以有效减小引气量。

环形散热器引气量低，代偿损失小，可靠性高，并且利用进气道的壁面进行换热因而无需为环境控制系统增设冲压进气口，这也减少了系统的代偿损失。所以可选用环形散热器来减少发动机压气机的引气量。

（3）改进座舱玻璃防冰除雾方法。

目前，采用引气防冰除雾的有两种基本方案，一个是防冰除雾供气与座舱供气来自同一管路；另一个方案是座舱供气和防冰除雾供气采用不同的管路。第一种方案在座舱玻璃结冰时比第二种方案所需供气量要大，因为第二种方案可以在融冰除雾时关闭座舱供气，使总的供气量不至于过大。

防冰除雾除了采用引气系统提供的热空气外，还可以采用电热防冰和化学液体防冰。电热防冰重量轻、可靠性好，跟气热防冰相比热效率高且易于实现自动化。化学液体防冰系统简单，耗能低，不过会增加飞机负载，对环境的污染也应该考虑。这两种防冰除雾方式不需要引气，引起的代偿损失也比较小，可以在环控系统设计中进行考虑。

（4）改进电子设备冷却方法。

电子设备的冷却方法主要有空气循环制冷、利用冲压空气冷却、利用座舱排气冷却、液冷系统冷却和蒸发循环系统冷却等方法。

目前，最广泛采用的是空气循环制冷。但是空气循环制冷需要从发动机压气机引气，会影响发动机性能和造成代偿损失。因此，当电子设备对制冷量要求不大时，可以采用座舱排气对电子设备进行冷却来减少引气量。而当电子设备对制冷量要求较大时，此时若采用空气循环制冷，引气量会很大。此时应该考虑使用液冷和蒸发循环制冷来满组制冷需求。

3 结语

引气式环境控制系统需要从发动机压气机进行引气，对发动机性能有着一定的影响。在特定的飞行阶段，发动机对引气量极为敏感[6]。因此对环境控制系统进行优化设计，减少引气量，提升发动机性能是十分有必要的。

参考文献

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

[2] 党晓明，贾少鹏.军用飞机大制冷量环控系统方案研究[J].飞机工程，2007（3）：13-15.

[3] Juan Carlosordonez，AdrianBejan.Minimum Power requirement for environment control of aircraft Department of mechanical of engineering and materials science[M].Duke university，2001：1183-1198.

[4] 赵斌，李绍斌，周盛，等.航空发动机空气系统气源引气的研究进展[J].航空工程进展，2012，3（4）：476-485.

[5] Shah.S， Liu.G，Greatrix.D R. Modelling， simulation， and experimental evaluation of a crossflow heat exchanger for an aircraft environmental control system[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，2010，224（5）：613-623.

[6] 宁换利，华浪，刘永安.环控系统减少引气量和降低燃油代偿损失研究[J].教练机，2013（1）：50-53.endprint