某直升機(jī)蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)的風(fēng)道試驗(yàn)研究

（西安交通大學(xué)，西安 710049）

0 引言

隨著直升機(jī)的發(fā)展，機(jī)載大功率、高集成度電子設(shè)備大幅增多；另一方面，機(jī)載人員對(duì)機(jī)艙舒適性的期望也越來(lái)越高，直升機(jī)環(huán)控系統(tǒng)（ECS）的重要性越來(lái)越突出[1]。直升機(jī)機(jī)載電子設(shè)備適宜的工作溫度和機(jī)載人員舒適的工作環(huán)境是保證直升機(jī)高效、安全飛行的重要條件。為滿(mǎn)足上述ECS條件，最重要的是具有可適用于直升機(jī)的機(jī)載制冷系統(tǒng)。目前，用于直升機(jī)的制冷系統(tǒng)有空氣循環(huán)和蒸發(fā)循環(huán)2種類(lèi)型。由于早期蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)可靠性差和制冷劑易泄漏等問(wèn)題，早期的直升機(jī)往往采用空氣循環(huán)方法進(jìn)行機(jī)艙降溫?？諝庋h(huán)系統(tǒng)需要從發(fā)動(dòng)機(jī)引氣，這對(duì)于直升機(jī)的整體機(jī)動(dòng)性能具有顯著影響。高效、可靠的機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)是現(xiàn)代先進(jìn)直升機(jī)的重要組成。隨著蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)的可靠性差、制冷劑泄漏等弊端得到解決，國(guó)外先進(jìn)軍用直升機(jī)已配備了蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)，而國(guó)內(nèi)直升機(jī)在蒸發(fā)循環(huán)制冷技術(shù)的應(yīng)用上才剛剛起步。盡管蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)已取得長(zhǎng)足的發(fā)展，在汽車(chē)、建筑、軌道列車(chē)等領(lǐng)域也已廣泛應(yīng)用，但直升機(jī)對(duì)機(jī)載設(shè)備重量、尺寸、安裝和效能的苛刻要求仍然給機(jī)載蒸發(fā)制冷系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)帶來(lái)困難。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某型直升機(jī)擬開(kāi)發(fā)的機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)要求，開(kāi)展機(jī)載制冷系統(tǒng)風(fēng)道試驗(yàn)，對(duì)直升機(jī)蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備選型、風(fēng)道設(shè)計(jì)和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)具有參考意義。

1 機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)

蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。系統(tǒng)由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)和膨脹閥，以及蒸發(fā)器和冷凝器（下面合稱(chēng)兩器）配套風(fēng)機(jī)、風(fēng)道、制冷劑管路、控制器和箱體等輔助部件組成。

圖1 蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)工作原理

直升機(jī)特殊的結(jié)構(gòu)以及有限的內(nèi)部空間對(duì)蒸發(fā)循環(huán)制冷設(shè)備的設(shè)置要求苛刻。本文綜合直升機(jī)機(jī)艙與短翼的內(nèi)部空間條件，確定直升機(jī)用蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)布置如圖2所示。蒸發(fā)器組件采用壁掛式結(jié)構(gòu)安裝在機(jī)艙內(nèi)壁，利用設(shè)置在機(jī)艙頂部的靜壓箱進(jìn)行冷氣送風(fēng)；壓縮機(jī)、電子膨脹閥及冷凝器組件安裝在直升機(jī)短翼內(nèi)部。根據(jù)直升機(jī)實(shí)際飛行時(shí)的各種熱負(fù)荷計(jì)算，確定制冷系統(tǒng)的總熱載荷為15kW。同時(shí)，為了滿(mǎn)足直升機(jī)的重量平衡要求，此制冷系統(tǒng)采用2套相同的系統(tǒng)對(duì)稱(chēng)布置在機(jī)艙左右兩側(cè)，因此每套系統(tǒng)的熱負(fù)荷為7.5kW。

圖2 直升機(jī)制冷系統(tǒng)設(shè)備、風(fēng)道布置

風(fēng)道試驗(yàn)是為了研究?jī)善餮h(huán)空氣的高效流動(dòng)情況，使其滿(mǎn)足熱力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)下的對(duì)流換熱要求。試驗(yàn)涉及到的主要設(shè)備有兩器、風(fēng)機(jī)和兩器箱體，下面分別介紹適用于直升機(jī)的上述設(shè)備。

1.1 兩器分析

用于直升機(jī)的蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)尚無(wú)全面的換熱器使用參考。汽車(chē)與直升機(jī)具有十分相似的環(huán)控條件，另外汽車(chē)空調(diào)已取得長(zhǎng)足的發(fā)展，因此在直升機(jī)蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)的初期研究階段，可借鑒汽車(chē)空調(diào)技術(shù)。

目前用于汽車(chē)空調(diào)的換熱器以層疊換熱器和平行流換熱器為主。層疊換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、換熱性能好、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，常用于乘用車(chē)雙蒸發(fā)器系統(tǒng)的蒸發(fā)器。本文蒸發(fā)器采用層疊結(jié)構(gòu)[2]，并設(shè)計(jì)配套機(jī)箱，固定于機(jī)艙內(nèi)壁，蒸發(fā)器的單位體積表面積為850～1 500 m2/m3。

在氟利昂工質(zhì)被替代的過(guò)程中，平行流換熱器作為第三代汽車(chē)空調(diào)換熱器，它的使用也標(biāo)志著汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的進(jìn)步，本文冷凝器采用平行流換熱器，其單位體積表面積高于1 500 m2/m3。根據(jù)直升機(jī)內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，冷凝器需安裝在直升機(jī)兩側(cè)短翼內(nèi)部。

1.2 風(fēng)機(jī)分析

兩器配套風(fēng)機(jī)是蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)輔機(jī)的重要一員，其性能的優(yōu)劣在很大程度上影響系統(tǒng)制冷的品質(zhì)，選擇合適的風(fēng)機(jī)產(chǎn)品對(duì)機(jī)載制冷系統(tǒng)有著重要意義?？照{(diào)風(fēng)機(jī)按其工作原理主要分為貫流式、離心式和軸流式[3-10]。貫流式風(fēng)機(jī)在空調(diào)上的應(yīng)用面較窄，主要用于家用壁掛式空調(diào)。

離心式風(fēng)機(jī)具有壓力系數(shù)大、比轉(zhuǎn)速大、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于箱式蒸發(fā)器。本文選用國(guó)外某公司高壓頭、大流量直流調(diào)速離心風(fēng)機(jī)作為蒸發(fā)器配套風(fēng)機(jī)，其工作電壓24～28 V，最大工作轉(zhuǎn)速3 600 r/min。

軸流風(fēng)機(jī)具有比轉(zhuǎn)速大、結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)小、風(fēng)量大等優(yōu)點(diǎn)，主要用于各種空氣源熱泵機(jī)組和風(fēng)冷單元式空調(diào)的冷凝器強(qiáng)制換熱。本文選用國(guó)外某公司高壓頭、大流量直流調(diào)速軸流風(fēng)機(jī)作為冷凝器配套風(fēng)機(jī)，其工作電壓24～28 V，工作轉(zhuǎn)速4 065～4 100 r/min。

2 試驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

風(fēng)道試驗(yàn)的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)是風(fēng)道風(fēng)量，熱線風(fēng)速儀作為一種將流速信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的測(cè)量?jī)x器，具有探頭體積小、對(duì)流場(chǎng)干擾小等優(yōu)點(diǎn)。為降低測(cè)量對(duì)風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)量的影響，本文采用熱線風(fēng)速儀測(cè)量通流橫截面風(fēng)速，進(jìn)而利用通流面積計(jì)算出通流面空氣流量。

2.1 冷凝器風(fēng)道試驗(yàn)

圖3示出冷凝器風(fēng)道試驗(yàn)裝置。鑒于直升機(jī)結(jié)構(gòu)的限制，冷凝器及其配套軸流風(fēng)機(jī)安裝在飛機(jī)短翼內(nèi)，短翼被中間隔板分隔為2個(gè)空間，冷凝器及軸流風(fēng)機(jī)分別安裝在隔板兩側(cè)，風(fēng)機(jī)采用吸風(fēng)方式工作；另外，進(jìn)出風(fēng)口的開(kāi)設(shè)位置也受到短翼結(jié)構(gòu)的限制，冷凝器風(fēng)道采用底部進(jìn)風(fēng)、端面出風(fēng)形式。

圖3 冷凝器風(fēng)道試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)需要分析風(fēng)機(jī)工作電壓、增設(shè)引風(fēng)管、進(jìn)出風(fēng)口通流面積以及冷凝器厚度和迎風(fēng)面積對(duì)風(fēng)量的影響，以滿(mǎn)足制冷劑在冷凝器中冷凝所需的風(fēng)量。為獲得更為準(zhǔn)確的風(fēng)量，熱線風(fēng)速儀的測(cè)點(diǎn)采用對(duì)稱(chēng)布置，圖4示出了冷凝器風(fēng)道通流面風(fēng)速測(cè)點(diǎn)。

圖4 冷凝器風(fēng)道通流面風(fēng)速測(cè)點(diǎn)

2.2 蒸發(fā)器風(fēng)道試驗(yàn)

為降低制冷系統(tǒng)的重量，蒸發(fā)器配套機(jī)箱采用鋁合金材質(zhì)，機(jī)箱開(kāi)設(shè)有進(jìn)風(fēng)格柵。試驗(yàn)需要分析機(jī)箱格柵、方轉(zhuǎn)圓接口、送風(fēng)管以及冷風(fēng)出口對(duì)離心風(fēng)機(jī)風(fēng)量的影響。風(fēng)速測(cè)點(diǎn)采用對(duì)稱(chēng)布置，蒸發(fā)器風(fēng)道試驗(yàn)裝置如圖5所示，其風(fēng)速測(cè)量方式與冷凝器風(fēng)速測(cè)量方式相同。

圖5 蒸發(fā)器風(fēng)道試驗(yàn)裝置

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 冷凝器風(fēng)機(jī)氣流試驗(yàn)

3.1.1 短翼增設(shè)引風(fēng)管對(duì)風(fēng)量的影響

冷凝器風(fēng)機(jī)工作時(shí)，將空氣從短翼底部的開(kāi)口吸入短翼空間，然后將空氣從短翼端面的開(kāi)孔吹出。從減少流動(dòng)阻力的角度考慮，后部短艙增設(shè)引風(fēng)管對(duì)提高風(fēng)量有益。風(fēng)機(jī)在實(shí)際工作時(shí)采用最高工作電壓28 V，以達(dá)到最大風(fēng)量。

表1為增設(shè)引風(fēng)管前后的風(fēng)量對(duì)比，對(duì)比試驗(yàn)的進(jìn)風(fēng)口直徑205 mm，出風(fēng)口直徑305 mm。較不設(shè)引風(fēng)管的情況，有引風(fēng)管的進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口風(fēng)量分別增加5%和18%，表明短翼增設(shè)引風(fēng)管可增加風(fēng)量。另外，從試驗(yàn)中不同測(cè)點(diǎn)處風(fēng)速可看出，進(jìn)風(fēng)口不同位置風(fēng)速變化小，氣流平行流入；出風(fēng)口測(cè)點(diǎn)風(fēng)速沿半徑方向增大，且變化幅度較大。造成此現(xiàn)象的原因是軸流風(fēng)機(jī)出口氣流跡線呈螺旋狀，測(cè)點(diǎn)風(fēng)速實(shí)際與通流面并不正交，在實(shí)際計(jì)算時(shí)并未考慮測(cè)點(diǎn)風(fēng)速與通流面的夾角，因此計(jì)算得到的風(fēng)量偏大。而進(jìn)風(fēng)口處測(cè)點(diǎn)風(fēng)速垂直于通流面，因此以出風(fēng)口風(fēng)速推算風(fēng)量誤差較大，冷凝器氣流試驗(yàn)風(fēng)速值下面均采用入口風(fēng)速進(jìn)行分析。

表1 增設(shè)引風(fēng)管前后風(fēng)量

3.1.2 進(jìn)、出風(fēng)口直徑對(duì)風(fēng)量的影響

從減少局部阻力損失的角度分析，通風(fēng)口直徑越大，風(fēng)量越大。而冷凝器組件安裝在直升機(jī)短翼內(nèi)部，短翼蒙皮的開(kāi)孔直徑受到短翼結(jié)構(gòu)、尺寸、強(qiáng)度和剛度要求的限制，因此需要分析進(jìn)、出風(fēng)口通流面積對(duì)風(fēng)量的影響程度。不同出口直徑下風(fēng)量隨入口直徑的變化和不同入口直徑下風(fēng)量隨出口直徑的變化如圖6，7所示。

圖6 風(fēng)量隨入口通流面積變化

圖7 風(fēng)量隨出口通流面積變化

由圖6可知，不同出口直徑下風(fēng)量隨入口通流面積增大而增加，且增加速率較快；由圖7可知，不同入口直徑下風(fēng)量也隨出口通流面積的增大而增加，但相比圖6而言，增大速率緩慢。結(jié)果顯示，在入口、出口直徑均為305 mm時(shí)，風(fēng)量可達(dá)到2 332.43 m3/h。

因此，風(fēng)量受入口通流面積的影響更大，在條件允許的情況下應(yīng)盡可能增加入口直徑，以獲得更大的風(fēng)量。

3.1.3 冷凝器迎風(fēng)面積及層數(shù)對(duì)風(fēng)量的影響

蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)在系統(tǒng)制冷量確定時(shí)需要一定的冷凝器換熱面積和風(fēng)量。平行流冷凝器在用于汽車(chē)空調(diào)時(shí)往往具有充分的外輪廓安裝尺寸，而在直升機(jī)短翼有限的內(nèi)部空間下外輪廓尺寸受到限制，加之直升機(jī)所需的冷凝器換熱面積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于汽車(chē)空調(diào)，因此普通厚度的單層冷凝器無(wú)法滿(mǎn)足換熱需求，本文采用多層冷凝器疊加使用。在給定冷凝器換熱面積的情況下，冷凝器層數(shù)越多，則外輪廓尺寸越小，冷凝器更緊湊，但冷凝器層數(shù)的增多會(huì)增加風(fēng)阻、降低風(fēng)量。不同冷凝器層數(shù)下風(fēng)量隨冷凝器迎風(fēng)面積的變化如圖圖8所示。

圖8 不同冷凝器層數(shù)下風(fēng)量隨冷凝器迎風(fēng)面積變化

在給定迎風(fēng)面積下，4層冷凝器較2層冷凝器風(fēng)量?jī)H減少13%～15%，而前者換熱面積是后者的2倍。數(shù)據(jù)表明，冷凝器迎風(fēng)面積從0.15 m2減小到0.1 m2，2層，4層的風(fēng)量分別降低11%和12%。因此，冷凝器采用4層結(jié)構(gòu)，在減小外形尺寸的同時(shí)可大幅提高換熱面積，而且風(fēng)量減少量?jī)H為12%。

3.2 蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)氣流試驗(yàn)

3.2.1 離心風(fēng)機(jī)工作特性測(cè)試

機(jī)載制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)采用矩形波電流供電，而矩形波的周期與占空比決定風(fēng)機(jī)能否運(yùn)轉(zhuǎn)以及運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速，表2是室內(nèi)空氣環(huán)境、24.6 V供電電壓下不同周期、不同占空比對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

表2 不同周期、占空比對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速

由表2可知，供電周期越長(zhǎng)，風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需的占空比越大，當(dāng)周期到達(dá)1 000 ms時(shí)，占空比需要100%，即連續(xù)供電。為滿(mǎn)足風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，占空比不應(yīng)低于40%，，當(dāng)占空比為100%時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值3 630 r/min。

3.2.2 蒸發(fā)器前后各部件對(duì)風(fēng)量的影響

蒸發(fā)器組件的安裝條件與冷凝器完全不同，蒸發(fā)器采用箱式壁掛結(jié)構(gòu)，因此箱體的結(jié)構(gòu)、進(jìn)風(fēng)格柵、送風(fēng)管長(zhǎng)度以及安裝位置均應(yīng)根據(jù)各個(gè)組件的風(fēng)阻大小進(jìn)行調(diào)整。鑒于離心風(fēng)機(jī)進(jìn)口無(wú)確定進(jìn)風(fēng)截面，且出口風(fēng)速更均勻，故采用出風(fēng)口風(fēng)速進(jìn)行分析。為獲得各個(gè)組件對(duì)風(fēng)量的影響程度，試驗(yàn)分別測(cè)量蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)在接入各個(gè)組件時(shí)的風(fēng)量大小。不同供電電壓下風(fēng)量隨蒸發(fā)器組件完整度的變化如圖9所示。

圖9 風(fēng)量隨蒸發(fā)器組件完整度變化

從圖可以看出，供電電壓28 V較24.6 V的風(fēng)量更大，相對(duì)增加量為4%～10%；僅有風(fēng)機(jī)的流量最大，且流量達(dá)到了樣本介紹的最大風(fēng)量，說(shuō)明風(fēng)機(jī)能力滿(mǎn)足條件；數(shù)據(jù)顯示，24.6 V和28 V分別供電時(shí)，不接送風(fēng)管的風(fēng)量分別為935 m3/h和1 030 m3/h，均高于系統(tǒng)需求風(fēng)量（800 m3/h）。圖7中28 V供電的風(fēng)量變化顯示，送風(fēng)管帶來(lái)的風(fēng)量減少量最大，較不帶送風(fēng)管的風(fēng)量減少54%，因此實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)盡可能縮短其長(zhǎng)度，并增大橫截面積。

3.2.3 靜壓箱出風(fēng)口面積對(duì)風(fēng)量的影響

機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)在實(shí)際工作時(shí)，從送風(fēng)管出來(lái)的冷風(fēng)要經(jīng)過(guò)靜壓箱，然后從靜壓箱開(kāi)設(shè)的冷風(fēng)出口排出。冷風(fēng)出口有2種類(lèi)型，一種是位于機(jī)艙座位上方的小出風(fēng)口，另一種用于大幅度降溫的補(bǔ)充出風(fēng)口。本文采用9個(gè)小出風(fēng)口與4個(gè)補(bǔ)充出風(fēng)口組合，28 V供電電壓下風(fēng)量隨冷風(fēng)出口面積與送風(fēng)管通流面積比的變化如圖10所示。

圖10 風(fēng)量隨冷風(fēng)出口面積與送風(fēng)管通流面積比的變化

圖10表明，隨著面積比增大，風(fēng)量逐漸增加且越逼近不接靜壓箱時(shí)送風(fēng)管直吹入機(jī)艙的風(fēng)量。數(shù)據(jù)顯示，出風(fēng)口全開(kāi)時(shí)風(fēng)量為442 m3/h，較不接靜壓箱的風(fēng)量低7%，故出風(fēng)口面積滿(mǎn)足對(duì)應(yīng)送風(fēng)管的風(fēng)量要求且過(guò)分增大出風(fēng)口面積對(duì)提高風(fēng)量并無(wú)幫助。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)直升機(jī)內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的實(shí)際要求，分析了可用于直升機(jī)的機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)，并結(jié)合汽車(chē)空調(diào)技術(shù)對(duì)用于直升機(jī)蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器、冷凝器及其配套風(fēng)機(jī)進(jìn)行了分析選型：蒸發(fā)器采用層疊式，配套風(fēng)機(jī)為離心式；冷凝器采用平行流式，配套風(fēng)機(jī)為軸流式。

（2）冷凝器風(fēng)道試驗(yàn)表明：軸流風(fēng)機(jī)出口應(yīng)增設(shè)引風(fēng)管；進(jìn)風(fēng)口通流面積對(duì)風(fēng)量影響較大，出風(fēng)口直徑為305 mm時(shí)，進(jìn)風(fēng)口通流面積從0.1 m2增加到0.3 m2，風(fēng)量增加了79%；單層尺寸相同的冷凝器，4層僅比2層的風(fēng)量減少13%～15%；相同厚度的冷凝器，迎風(fēng)面積減少33%，風(fēng)量減少11%～12%。

（3）蒸發(fā)器風(fēng)道試驗(yàn)表明：離心風(fēng)機(jī)的供電占空比不應(yīng)低于40%；送氣管對(duì)風(fēng)量的阻力最大，造成的風(fēng)量減少量為54%，實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)盡可能縮短送氣管長(zhǎng)度；靜壓箱及冷風(fēng)出口面積對(duì)風(fēng)量影響較小，在設(shè)計(jì)的出風(fēng)口全開(kāi)時(shí)，風(fēng)量?jī)H比送氣管直吹時(shí)降低7%。