減少引氣式環(huán)境控制系統(tǒng)引氣量措施分析

包涵+王新閣

摘 要：環(huán)境控制系統(tǒng)能夠使得艙內(nèi)溫濕度與壓力維持在指定的范圍內(nèi)，是飛機的重要子系統(tǒng)。引氣式環(huán)境控制系統(tǒng)從發(fā)動機壓氣機引氣，會對發(fā)動機性能有一定的影響。本文對引氣式環(huán)境控制系統(tǒng)存在的問題進行了簡析，并提出了幾種降低引氣量的措施，可以有效提升發(fā)動機推力，具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：引氣發(fā)動機 效率換熱器 措施分析

中圖分類號：V263.6 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（c）-0016-02

隨著發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展，飛機發(fā)動機的推重比不斷提高，飛機性能有了較大提升，但是對于發(fā)動機壓氣機引氣更加敏感；與此同時飛機上機載電子設(shè)備數(shù)量越來越多，對引氣量的需求也越來越大。為了更合理利用發(fā)動機的功率，提升發(fā)動機性能，需要減少環(huán)境控制系統(tǒng)的引氣量。

1 引氣式環(huán)境控制系統(tǒng)存在的主要問題

1.1 環(huán)境控制系統(tǒng)的作用

飛機環(huán)境控制系統(tǒng)的作用是保持艙內(nèi)適宜的溫度和壓力，并實現(xiàn)熱氣防冰、風擋除雨、機翼附面層控制、發(fā)動機起動、油箱與水箱增壓、機載電子設(shè)備通風冷卻、抗荷服增壓和通風服通風等功能。

1.2 引氣式環(huán)境控制系統(tǒng)對于發(fā)動機的影響

目前在飛機上應(yīng)用較多的是引氣式環(huán)境控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)需要從發(fā)動機壓氣機引氣，對發(fā)動機的推力有一定的影響。從發(fā)動機壓氣機引氣后，發(fā)動機的排氣溫度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)會發(fā)生變化，發(fā)動機推力下降，耗油率大大增加。洛克希德公司對普惠公司的STF505-M7C發(fā)動機進行的試驗驗證了從發(fā)動機壓氣機引氣對推力和耗油率的影響[1]：當飛機在10.5km高空以0.8Ma巡航，環(huán)境控制系統(tǒng)從發(fā)動機的引氣流量為0.95kg/s，則發(fā)動機推力下降7%，相當于油耗增加2.6%。對于高推重比的飛機來說，從發(fā)動機壓氣機引氣時造成的發(fā)動機推力損失和燃油代償損失會更大。

1.3 存在的主要問題

目前，采用了引氣式環(huán)境控制系統(tǒng)的飛機主要存在以下幾個問題：

（1）采用一級引氣方案。和兩級引氣相比，一級引氣引起的發(fā)動機功率損失更大，燃油消耗量也更高。

（2）座艙空氣循環(huán)系統(tǒng)制冷效率較低。目前，座艙制冷多采用簡單式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)對供氣壓力的要求較高，對使用高度有限制，并增加了飛機的性能代償損失。簡單式空氣循環(huán)系統(tǒng)中風扇所需的功率，大部分浪費在了增加排氣壓頭上，影響了系統(tǒng)的制冷效率。

（3）制冷量難以滿足電子設(shè)備的需求。隨著飛機的性能不斷提升，機載電子設(shè)備對制冷量的需求也越來越大。第三代戰(zhàn)斗機F-15環(huán)境控制系統(tǒng)總熱載荷約33kW，其中電子設(shè)備熱載荷占67%，第四代戰(zhàn)斗機F-22環(huán)境控制系統(tǒng)熱載荷約52kW，其中非設(shè)備熱載荷僅占不足13%[2]。因此，滿足電子設(shè)備對制冷量的需求，保證其可靠性，成為環(huán)境控制系統(tǒng)研制過程中重要任務(wù)之一。

2 減少環(huán)境控制系統(tǒng)引氣量的措施

發(fā)動機推重比的提高，對環(huán)境控制系統(tǒng)引氣量提出來嚴格的限制[3]。通常情況下，環(huán)境控制系統(tǒng)的引氣量約占發(fā)動機核心流量的0.3%～1.0%之間[4]。為提升發(fā)動機性能，可以用以下幾個方面減少發(fā)動機壓氣機的引氣量。

（1）提高座艙空氣循環(huán)系統(tǒng)制冷能力。

目前飛機采用較多的是開式空氣循環(huán)制冷。開式空氣循環(huán)制冷簡單可靠，但是對引氣的消耗較大，且制冷系數(shù)不高。美國F-15飛機采用了再生式空氣循環(huán)制冷，把再生式換熱器加在了第二級散熱器后面，這樣使得用于座艙冷卻的空氣不是直接排出，而是作為再生式換熱器的冷卻空氣。這樣既減小了引氣量，滿足了制冷需求，又提高了能量利用率，減少了性能代償損失。

（2）提高換熱器效率。

板翅換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、比表面積大、可以多股流換熱以及二次傳熱等優(yōu)點[5]。提高板翅式換熱器的換熱效率，可以有效減小引氣量。

環(huán)形散熱器引氣量低，代償損失小，可靠性高，并且利用進氣道的壁面進行換熱因而無需為環(huán)境控制系統(tǒng)增設(shè)沖壓進氣口，這也減少了系統(tǒng)的代償損失。所以可選用環(huán)形散熱器來減少發(fā)動機壓氣機的引氣量。

（3）改進座艙玻璃防冰除霧方法。

目前，采用引氣防冰除霧的有兩種基本方案，一個是防冰除霧供氣與座艙供氣來自同一管路；另一個方案是座艙供氣和防冰除霧供氣采用不同的管路。第一種方案在座艙玻璃結(jié)冰時比第二種方案所需供氣量要大，因為第二種方案可以在融冰除霧時關(guān)閉座艙供氣，使總的供氣量不至于過大。

防冰除霧除了采用引氣系統(tǒng)提供的熱空氣外，還可以采用電熱防冰和化學(xué)液體防冰。電熱防冰重量輕、可靠性好，跟氣熱防冰相比熱效率高且易于實現(xiàn)自動化?；瘜W(xué)液體防冰系統(tǒng)簡單，耗能低，不過會增加飛機負載，對環(huán)境的污染也應(yīng)該考慮。這兩種防冰除霧方式不需要引氣，引起的代償損失也比較小，可以在環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計中進行考慮。

（4）改進電子設(shè)備冷卻方法。

電子設(shè)備的冷卻方法主要有空氣循環(huán)制冷、利用沖壓空氣冷卻、利用座艙排氣冷卻、液冷系統(tǒng)冷卻和蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)冷卻等方法。

目前，最廣泛采用的是空氣循環(huán)制冷。但是空氣循環(huán)制冷需要從發(fā)動機壓氣機引氣，會影響發(fā)動機性能和造成代償損失。因此，當電子設(shè)備對制冷量要求不大時，可以采用座艙排氣對電子設(shè)備進行冷卻來減少引氣量。而當電子設(shè)備對制冷量要求較大時，此時若采用空氣循環(huán)制冷，引氣量會很大。此時應(yīng)該考慮使用液冷和蒸發(fā)循環(huán)制冷來滿組制冷需求。

3 結(jié)語

引氣式環(huán)境控制系統(tǒng)需要從發(fā)動機壓氣機進行引氣，對發(fā)動機性能有著一定的影響。在特定的飛行階段，發(fā)動機對引氣量極為敏感[6]。因此對環(huán)境控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，減少引氣量，提升發(fā)動機性能是十分有必要的。

參考文獻

[1] 壽榮中，何慧珊.飛行器環(huán)境控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[2] 黨曉明，賈少鵬.軍用飛機大制冷量環(huán)控系統(tǒng)方案研究[J].飛機工程，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] 趙斌，李紹斌，周盛，等.航空發(fā)動機空氣系統(tǒng)氣源引氣的研究進展[J].航空工程進展，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] 寧換利，華浪，劉永安.環(huán)控系統(tǒng)減少引氣量和降低燃油代償損失研究[J].教練機，2013（1）：50-53.endprint