某型直升機(jī)空調(diào)冷凝器總成壓力損失的解決方案

梁光飛，焦密，宋新洲，李飛

摘 要：現(xiàn)對(duì)某型直升機(jī)的座艙空調(diào)系統(tǒng)的冷凝器總成進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化其引風(fēng)結(jié)構(gòu)。采用Fluent軟件對(duì)百葉窗結(jié)構(gòu)的空氣流動(dòng)組織、壓力損失進(jìn)行分析。結(jié)果顯示：空氣通過該結(jié)構(gòu)的壓力損失311Pa，優(yōu)化后的百葉窗結(jié)構(gòu)作為引風(fēng)導(dǎo)流裝置，其壓力損失減少了115Pa。

關(guān)鍵詞：引氣結(jié)構(gòu)；壓力損失；流動(dòng)組織

引言

國(guó)外早在20世紀(jì)60年代開始就在直升機(jī)上安裝了空調(diào)，目前國(guó)外很多軍用直升機(jī)上均配備空調(diào)。如“海王”直升機(jī)、“黑鷹”直升機(jī)以及“阿帕奇”直升機(jī)空調(diào)等。[3]

直升機(jī)的飛行速度一般在0.2Ma左右[1]，冷空氣即沖壓空氣動(dòng)能較小，采用貓耳洞型式的引風(fēng)結(jié)構(gòu)作用不大。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)機(jī)載空調(diào)系統(tǒng)的研究?jī)H限系統(tǒng)級(jí)別，主要包括：

李武奇、唐伯清、張均勇等對(duì)空氣壓縮式、蒸汽壓縮式、熱電制冷3種制冷系統(tǒng)進(jìn)行了比較，提出蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)系統(tǒng)應(yīng)用于制冷量需求較大的航電設(shè)備。[3]

肖曉勁，袁修干對(duì)兩種空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)方案進(jìn)行了對(duì)比和分析。[4]

國(guó)內(nèi)無對(duì)冷凝器總成引風(fēng)裝置的研究，本文針對(duì)引風(fēng)裝置進(jìn)行了一定的研究分析。

1 系統(tǒng)及冷凝器總成概述

1.1 系統(tǒng)工作原理

通過壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)，制冷過程連續(xù)不斷地進(jìn)行循環(huán)，艙內(nèi)熱量不斷地被蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑帶走，從而完成整艙的降溫；艙內(nèi)空氣通過蒸發(fā)器時(shí)，空氣中的水分凝結(jié)成水滴，被引至艙外排出，從而起到除濕作用。

1.2 冷凝器總成概述

為滿足極限工況下的要求，通過優(yōu)化冷凝器引風(fēng)裝置的結(jié)構(gòu)，降低空氣通過引風(fēng)裝置的阻力，有利于提高冷凝器總成的冷卻風(fēng)量和空調(diào)系統(tǒng)的制冷能力。

2 冷凝器總成

2.1 冷凝風(fēng)量的確定

空氣通過風(fēng)道后進(jìn)入冷凝器芯體內(nèi)與制冷劑進(jìn)行熱量交換。冷凝器總成的制冷能力為3.5kW，根據(jù)熱平衡方程得出所需風(fēng)量。

G=■

式中，Q為冷凝器總成的制冷能力，3.5kW；Cp為空氣的比熱容，1005J/（kg·K）； 為空氣的溫升，取21℃；G為空氣工質(zhì)的質(zhì)量流量，單位kg/s。計(jì)算得出需要的風(fēng)量為500m3/h。

2.2 引風(fēng)裝置

國(guó)內(nèi)固定翼飛機(jī)的空調(diào)或吊艙引風(fēng)裝置多采用貓耳洞結(jié)構(gòu)，部分采用百葉窗型式。

直升機(jī)空調(diào)或引風(fēng)幾乎全部采用百葉窗型式。

貓耳洞形似貓耳，百葉窗由多個(gè)并列排布的導(dǎo)流葉片組成。貓耳洞、百葉窗與飛機(jī)蒙皮通過鉚釘鉚接而成，沖壓空氣由突出部分的入口處進(jìn)入飛機(jī)或吊艙內(nèi)部。

貓耳洞強(qiáng)度略高，引入艙內(nèi)的空氣具備較高的壓頭，可引入某些系統(tǒng)中，作為冷卻其他工質(zhì)的熱沉，最后將熱量導(dǎo)出機(jī)艙外。

百葉窗結(jié)構(gòu)強(qiáng)度略差，引入的空氣壓頭一般較小，用途受到一定的限制。

2.2.1 引風(fēng)裝置——百葉窗

流體分析：冷凝器芯體的翅片厚度僅0.07mm，若冷凝器總成劃分網(wǎng)格，數(shù)量極為巨大，嚴(yán)重影響計(jì)算速度。而冷凝器芯體已有相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此，對(duì)引風(fēng)裝置的入口和風(fēng)道進(jìn)行分析，結(jié)合芯體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)冷凝器總成進(jìn)行整體分析和評(píng)估。

將在proe建立的模型導(dǎo)入有限元分析軟件ansys的fluent模塊，對(duì)引風(fēng)裝置進(jìn)行仿真分析。仿真模型將不影響計(jì)算結(jié)果的外部圓角、倒角簡(jiǎn)化，以保證計(jì)算資源的有效利用。

為保證引風(fēng)入口的流動(dòng)情況與實(shí)際相符，在入口處建立一個(gè)較大的空間，模擬實(shí)際的入口條件。

空氣由百葉窗導(dǎo)流進(jìn)入風(fēng)道內(nèi)部，由于導(dǎo)流效果明顯，空氣流線與百葉窗外形輪廓近似，空氣流到轉(zhuǎn)彎風(fēng)道后，并在通風(fēng)風(fēng)道底部形成一個(gè)大的渦旋區(qū)，影響了空氣流動(dòng)。而后空氣沿壁面流入長(zhǎng)圓形風(fēng)道內(nèi)，而后流出冷凝器總成。

在此過程中，空氣進(jìn)入百葉窗導(dǎo)流片內(nèi)，存在突縮和轉(zhuǎn)彎損失，進(jìn)入風(fēng)道內(nèi)，有轉(zhuǎn)彎損失，進(jìn)入長(zhǎng)圓形風(fēng)道內(nèi)有突縮損失。

空氣通過引風(fēng)裝置總的壓力損失為311Pa，入口處的壓力損失較大，且流線分布不均勻。

2.2.2 引風(fēng)結(jié)構(gòu)——改進(jìn)型百葉窗

（1）改進(jìn)型百葉窗介紹。為提高空調(diào)引風(fēng)風(fēng)量，減小引風(fēng)結(jié)構(gòu)處的空氣壓力損失，對(duì)原百葉窗結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，具體改進(jìn)如下：a.將弧形的導(dǎo)流葉片改為平面結(jié)構(gòu)；b.導(dǎo)流片的導(dǎo)流角度減?。籧.兩端連接部位由圓弧過度改為板材折彎的型式；d.增大葉片之間的間距。（2）流體分析。采用相同的方式對(duì)模型進(jìn)行處理，通過對(duì)模型進(jìn)行分析，得到靜壓場(chǎng)。

與改進(jìn)前相比，導(dǎo)流片的導(dǎo)流角度變小，流動(dòng)阻力較小?？諝馔ㄟ^百葉窗導(dǎo)流片后，進(jìn)入通風(fēng)風(fēng)道的流動(dòng)更加均勻，這樣有利于流動(dòng)阻力的減小，有利于空氣與冷凝器芯體充分換熱。

額定風(fēng)量下，空氣通過引風(fēng)裝置的阻力為196Pa，入口處的壓力損失降低，空氣整體流動(dòng)略有不均。

3 結(jié)束語

通過對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的引風(fēng)裝置對(duì)比：改進(jìn)后的百葉窗流動(dòng)阻力比原結(jié)構(gòu)減小110Pa，有利于系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

原百葉窗結(jié)構(gòu)流動(dòng)阻力的分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。而改進(jìn)后的百葉窗結(jié)構(gòu)模型存在一定程度的假設(shè)和處理。因此本報(bào)告分析結(jié)果僅供參考，最終結(jié)論需要進(jìn)一步通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

[1]壽榮中，何慧姍.飛行器環(huán)境控制，北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[2]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].高等教育出版社，2006.

[3]李武奇，唐伯清，張均勇等.蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)在航空中的應(yīng)用[J].飛機(jī)設(shè)計(jì)，2018年4月.

[4]肖曉勁，袁修干.直升機(jī)空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)方案比較[J].制冷學(xué)報(bào)，2004年第3期.

[5]仇振安，包睿，毛陽，楊國(guó)茹.直升機(jī)蒸發(fā)循環(huán)核心部件耐腐蝕技術(shù)研究[J].直升機(jī)技術(shù)，2017年第4期.

[6]朱玲美，蔣福根等.一種提高飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)制冷能力的方法[M].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2005年8月.