機載蒸發循環系統結構的輕量化設計

何予東，張 毅

（1.新鄉航空工業（集團）有限公司，河南新鄉 453000；2.中鐵工程裝備集團隧道設備制造有限公司，河南新鄉 453000）

0 引言

由于直升機采用的渦軸發動機對引氣很敏感，據資料介紹，在發動機額定功率狀態時，每1%的引氣量將導致發動機功率損失約為額定功率的4%[1]。因此，國內外直升機廣泛采用蒸發循環系統制冷與引氣加溫配合使用的直升機環控系統，如國外的“黑鷹”VH-60N、“阿帕奇”AH-64、S-92、NH-90 等，國內的直-8、直-9、AC313、AC311 等。

由于直升機的電能很寶貴，因此，研究降低直升機環控系統的功耗具有很重要的意義。現有技術平臺已通過將動力組件型式改為電動半封閉壓縮機型式，將交流電機改為直流無刷電機，提高了電機的自身效率和傳動效率，將壓縮機的電功耗降低了約20%。如今，壓縮機等蒸發循環系統零部件的技術提升空間已經不大，如果要進一步降低系統的電功耗，需要引入雙級膨脹技術[2]。

1 雙級膨脹系統介紹

如圖1 所示，單級膨脹蒸發循環制冷劑從冷凝器流出后直接進入膨脹閥節流降壓，然后進入蒸發器中蒸發吸熱。而雙級膨脹中，從冷凝器流出的制冷劑首先進行一級膨脹，分離成制冷劑氣體和液體，氣態制冷劑返回壓縮機，液態制冷劑進入第二級膨脹[3]。

由于中間壓力的氣態制冷劑不需要經過第一次壓縮，因此節省了壓縮機的功耗，提高了循環制冷系數。經過計算，采用雙級膨脹，可以節省能耗15%以上。

圖1 單級膨脹蒸發循環與雙級膨脹

2 雙級膨脹技術應用現狀

2.1 國內應用現狀

由于這項技術的應用需要中間注入式壓縮機技術，而只有螺桿式和渦旋式壓縮機符合要求，開發難度較大，國內應用較少。國內雙級膨脹技術在民用領域已有應用，主要應用于大功率螺桿式壓縮機制冷機組，目的是為了解決蒸發循環熱泵系統在低溫環境下的大壓縮比帶來的壓縮機排氣溫度過高的問題。國內已開發出電動汽車空調熱泵系統用中間注入式渦旋壓縮機，并已經過裝車試驗。

國內現有正在研制和已定型的機載蒸發循環系統，全部采用的是單級蒸發循環系統。

2.2 國外應用現狀

國外先進機型，無論以空氣為熱沉，還是以燃油為熱沉，均采用雙級膨脹系統，如S-92 直升機、波音787 旅客機等。其中S-92 直升機蒸發循環系統以空氣為熱沉，波音787 旅客機蒸發循環系統以燃油為熱沉。

3 雙級膨脹技術在直升機環控系統的應用分析

3.1 國內直升機環控系統現狀分析

直升機環控系統中的蒸發循環制冷系統，其中的壓縮機有電動半封閉式和開啟式兩種。其中電動半封閉式由于具有安裝靈活、不影響發動機工作等優點，被廣泛應用于各種中、大型軍民用直升機上。

電動半封閉壓縮機在工作中，由于制冷劑氣體在進入渦旋壓縮動靜盤前，首先進入了電機殼中的溝槽，通過電機定子吸收電機工作中散發的熱量，制冷劑本身焓值增加，壓縮機入口溫度增加，因此電動半封閉壓縮機的排氣溫度明顯高于開啟式壓縮機，同時，由于壓縮過程向壓焓圖的右方移動，壓縮過程所需要的功也增加了。

選取一款電動半封閉渦旋式壓縮機作為研究對象，在相同的條件下進行熱力計算。

由計算結果可知，由于制冷劑需要帶走電機工作產生的熱量，使壓縮入口溫度提高了20 ℃，結果使壓縮機排氣溫度由92 ℃提高到114.66 ℃，排氣溫度升高，將降低壓縮機的工作效率，加快壓縮機上密封墊等非金屬件的老化，增加冷凝器的熱負荷。同時，由于壓縮過程向壓焓圖的右方移動，壓縮過程所需要的功增加，制冷系數降低了9.6%。

3.2 直升機用雙級膨脹關鍵技術分析

（1）雙級膨脹系統匹配技術。民用雙級膨脹系統，由于外界環境很穩定，系統參數經過啟動初期的振蕩后會很快穩定并持續保持下去，系統的匹配設計工作量較小。

（2）航空高效氣液分離閃發器設計技術。由于航空產品對體積、重量的高要求，機載蒸發循環用閃發器不能采用自然分離技術，需要研制高效率的氣液分離裝置，同時，閃發器在設計時，還要考慮飛機各個飛行姿態下液態制冷劑不能進入回氣管中，因為液態制冷劑從回氣管中進入壓縮機，會在壓縮腔中產生液擊，影響壓縮機正常工作。

（3）中間注入式機載渦旋式壓縮機設計制造技術。從現在收集到的材料看，國外飛機上使用的中間注入式壓縮機，采用的均為立式設計，說明其技術來源于家用制冷設備，由于國內的技術來源于車用渦旋壓縮機，車用渦旋壓縮機對體積、重量及耐振性的要求超過家用制冷設備，在機載應用上具有一定優勢。國內前期已進行了小型中間注入式渦旋式壓縮機的研究，并在車用熱泵型蒸發循環系統上已完成實車試驗。

4 結束語

在直升機上采用雙級膨脹技術，可以顯著降低壓縮機排氣溫度和功率消耗，提高系統可靠性，降低直升機燃油消耗，系統所需關鍵技術國內已具有一定基礎，研制風險不大，經過對雙級膨脹系統應用到直升機環控系統中面臨的關鍵技術進行分析，提出了通過引入雙級膨脹技術以提升國內直升機環控系統的技術水平這一發展方向。因此，雙級膨脹技術將是國內直升機環控系統一個很好的技術發展方向。