蒸汽压缩式制冷系统在航空中的应用

第28卷 第2期 飞 机 设 计 2008年 4月 A I RCRA FT D ESI G N V o l 128N o 12

A pr 2008

文章编号:1673-4599(2008) 02-0073-04

蒸汽压缩式制冷系统在航空中的应用

李武奇, 唐伯清, 张均勇

1, 3

3

2, 3

, 张小松

1

(1. 东南大学能源与环境学院, 江苏南京 210096) (2. 东北大学机械工程及自动化学院, 辽宁沈阳 110004) (3. 中国人民解放军93115部队, 辽宁沈阳 110031)

摘 要:通过对空气压缩式、蒸汽压缩式、热电制冷3种制冷系统的比较, 提出蒸汽压缩式制冷系统是最适合应用于制冷量需求较大的航空电子设备, 并着重介绍了蒸汽压缩式制冷系统的工作原理、关键技术及其优越性。

关键词:蒸汽压缩; 热电制冷; 制冷量中图分类号:T B61 文献标识码:A

Applicati on of the Stea m Co mpressi on R efri gerati on Syste m in Aviation

L iW u -qi , TANG Bo -qi n g , ZHANG Jun -yong , Z HANG X iao -song

(1. Co llege of Energy and Env ironm en, t SoutheastUn i v ersity , N an jing 210096, China)

(2. Schoo l o fM echan ica lEng ineeri n g and Auto m ati o n , N ortheastern University ,

Shenyang 110004, China)

(3. No . 93115of the PLA o fCh i n a , Shenyang 110031, Ch i n a)

Abst ract :Th is paper co mpares w ith three k i n ds of re frigerati o n syste m,

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1, 3

3

2, 3

1

type , the stea m co m pression type and the ther m oelectr i c refri g eration type , then puts for w ard that the

stea m co m pression re frigerati o n syste m is the m ost suitab l e to the av iation e lectron ics equip m ents wh ich can m ake m ore generous cooling quantity , and fi n ally e m phases on the w ork pri n ciple , n ique and t h e superiority of this stea m co m pression refri g eration syste m . K ey w ords :stea m co m pression ;

ther m oe lectric refrigeration ; coo li n g quan tity

同时又不影响吊舱使用的通用性和灵活性, 必须

在吊舱中装备独立的环境控制系统。吊舱环控系统的核心是制冷系统。由于不能直接采用飞机发动机高压引气作为动力源, 又受到载机电源紧张和吊舱本身要求体积小、质量轻等条件的限制, 因此如何解决吊舱设备的环境控制问题, 已成为航空低温制冷领域急待加强研究的一个新课题, 它对保证我国各种电子设备吊舱的发展和研制成

the key tech -

美国M artinM arietta 公司研制的前视红外/激

光瞄准及低空导航吊舱(LANTI RN ) 在海湾战争中极大地加强了F-15、F-16等飞机的战斗力, 因而引起全世界的关注。目前装备有各种电子、激光、红外、雷达等设备的吊舱(统称电子吊舱) 已在国外战术飞机上普遍使用。电子吊舱需能机动灵活地外挂在不同军用飞机上。为保证吊舱中的设备在干燥、清洁、温度适宜的环境中可靠工作,

收稿日期:

2008-07-23; 修订日期:

2008-12-09

74 飞 机 设 计第28卷

功具有重要意义。

在70年代末期已有空气/蒸发循环混合式闭式循环环境控制系统的研究报告。随着蒸发循环部件制造技术的进步, 蒸发循环在飞机上的应用将日趋成熟。它可充分发挥蒸发循环连同载冷剂的闭式循环的优越性, 不但可提高系统性能系数, 也容易满足电子设备大功率、大热流密度的冷却要求。

与蒸发循环制冷系统的对比分析。表2给出了国

外现役战斗机采用的制冷系统。

1 空气循环与蒸汽循环的比较

空气循环制冷系统主要方案包括简单式、升压式及三轮式3种形式。图1~图3分别给出了3种空气循环制冷系统的原理图, 蒸气循环制冷系统原理图如图4所示

[4]

。

图1 简单式空气循环制冷系统原理图

早期由于蒸气循环制冷系统可靠性较差和制冷剂易泄漏未很好解决, 直升机制冷系统多采用空气循环制冷系统。但随着蒸气循环制冷系统可靠性差和制冷剂泄漏等弊端得到了解决, 加上它与空气循环系统相比的诸多优点, 如性能系数高、代偿损失小、无发动机引气等, 故现代直升机广泛采用蒸气循环制冷系统, 而且具有取代空气循环制冷系统的趋势。表1给出空气循环制冷系统

表1 战斗机采用空气循环和蒸气循环时两者的系统性能对比

空气循环

指标

简单式

系统自身质量(以100%为基准数)

性能代偿损失»(kg) 悬停状态下的系统性能维护成本

运行成本(以100%为基准数) 发动机引气对发动机性能影响º性能系数»

升压式

三轮式略大于100%

未计算, 介于简单式和升压式之间

较好高30%100%较敏感0115

制冷压缩机为电驱动时, 与升压式相当; 制冷压缩机为轴驱动时与三轮式相当

79最好适中低30%无影响115蒸气循环

100%>100%

157较好适中100%最敏感0104

94最差高30%100%较敏感0114

注:¹性能代偿损失为安装环控系统之后, 为了运输、传动附件及克服气动阻力都需要消耗燃油, 即所引起的燃油代偿损失。

º系统热载荷愈大, 制冷量愈大时, 空气循环方案的发动机引气对发动机性能影响将增大。»性能系数=系统制冷量(k W ) 系统消耗的功(k W ) 。

第2期 李武奇 等:蒸汽压缩式制冷系统在航空中的应用表2 国外现役战斗机环控系统采用系统形式的统计

机 型NH-90/阿帕奇0AH-64

S-92/黑鹰0VH-60N /海王0系列

海豚

VH-3A VH-3D

环控系统形式蒸发循环蒸发循环蒸发循环蒸发循环蒸发循环蒸发循环空气循环

75

只是早先在飞机上应用短暂时间后, 由于质量、体积、维护性等问题, 40年代以来一直在飞机上是应用空气循环制冷。由于电子设备吊舱的冷却需求, 美国在70年代中开始, 着手发展电子设备吊舱的蒸发循环制冷技术计划, 制冷量大约为3~5k W 等级, 现在已是一项成熟技术。由于蒸发循环制冷技术, 特别是制冷压缩机技术的进步, 现已具备在飞机上使用大制冷量蒸发循环制冷设备的条件。例如, F -22飞机的电子设备冷却已采用蒸发循环制冷技术。今后发展机载蒸发循环制冷技术及关键部件的研制, 无论是从发展综合环境控制系统上考虑, 或者从发展T /EMM 技术上考虑, 均应列入今后的研究计划。311 蒸汽压缩式制冷系统的原理

美国LANT I RN 吊舱的环控系统采用了独立的、能效比高的蒸汽循环冷却系统, 以保证吊舱内各种设备可靠工作。该吊舱环控系统通过氟里昂R114在蒸发器内蒸发吸热来冷却液体载冷剂(Coo lana l 25), 再通过被冷却的液体载冷剂去吸取吊舱内电子设备的热载荷。冷凝器采用冲压空气作为冷源。当外界环境空气温度较低时, 可控制压缩机停机, 旁路冷却回路打开, 载冷剂直接通过冷凝器/旁路热交换器把热载荷散到冲压空气中去。在吊舱飞行包线范围内及地面工作时, 吊舱热载荷为012~313k W, 要求将供给电子设备的载冷剂温度控制在4~29e 的范围内。

312 LANTI RN 环控系统的主要设计思想及技术

关键

(1) /蓄冷0节能的设计思想如上所述, 吊舱热载荷最大可能达到313k W, 如要按这种最严重状态设计, 那么约需5k W 功耗才能去掉这样大的热载荷。为了降低功耗, 根据吊舱的任务剖面图(参见图2), 可以充分利用吊舱本身的热惯性, 在地面及高空巡航状态, 让吊舱及其电子设备充分冷透, 使载冷剂出口温度达到最低限(4e ) 。这样在载机执行任务低空俯冲时, 气动加热虽导致吊舱温度急剧上升, 但由于吊舱在地面及高空巡航状态的蓄冷量, 等到载冷剂出口温度上升到最高限的29e 时, 其超负荷飞行任务已完成, 载机开始升空并返回基地。这样在整个执行任务过程中, 载冷剂出口温度始终维持在4~29e 范围内。由于采用这种独特的设计概念, 吊舱的热载荷在各种工作状态下均按118k W 设计, 72 热电制冷技术的应用范围

热电制冷仅由一个元件(即热电制冷器) 组成, 适合点冷。热电制冷具有诸多突出的优点:结构简单、体积小、质量轻、作用速度快、可靠性高、寿命长、无噪声等。此外, 热电冷却不需要机械制冷那样不断填充化学消耗品, 没有活动部件, 也就没有磨损, 因此不需要维护, 无污染, 成本低, 同时又具有小功耗的特点。

研究表明, 如果建立一个良好的热量管理系统, 利用热电模块可以实现精确的温度控制(? 011e ); 采用同一个模块进行加热或冷却; 实现低于环境温度的冷却; 实现点冷; 实现较宽的温度控制范围(-100~80e ); 在任何方向均可工作, 不需地心引力, 可以在空间使用。

在武器装备方面, 国外将半导体制冷技术用于红外制导的空对空导弹红外探测器探头的冷却, 以降低工作噪音, 提高灵敏度和探测率。由于热电制冷的抗震性能极好, 它还经常应用于不能采用常规制冷的地方, 如热电制冷片用于冷却安装在喷气式战斗机翼尖的无线电设备。热电制冷技术在空间探测方面也有许多应用

[5]

。

目前在大容量多情况下, 热电制冷的效率比压缩式制冷机低, 但压缩式制冷机的效率随着容量的减小而降低, 而热电制冷设备的效率与容量无关。当温差v T ﹤50e 、制冷量在20W 以下时, 压缩式制冷设备的效率比热电制冷设备低。

从以上情况来看, 热电制冷固有其很多的优点和使用的范围, 但对于航空战斗机这种对制冷量要求较大的情况, 热电制冷只能应用于局部特殊部位, 大部分情况下需要蒸汽压缩式制冷。

3 蒸汽压缩式制冷循环

76 飞 机 设 计第28卷

的功耗。

(2) 高可靠性全封闭旋转活塞式压缩机吊舱环控系统采用了先进的全封闭旋转活塞式制冷压缩机, 具有体积小、质量轻、能效比高、运转平稳、安全可靠等特点。由电机驱动, 两档转速分别是3700和4600rad /min , 可通过外部接线来改变转速, 提高制冷量。

(3) 采用高效板翅式传热型面的紧凑三股流冷凝器/旁路热交换器板翅式传热型面具有体积小、质量轻、传热性能好的优点。冷凝器和旁路热交换器合二为一, 其芯体翅片层是由空气层、制冷剂层、载冷剂层、空气层等交织而成。为缩小体积, 制冷剂和载冷剂共用空气边。这种设计方案与单独另设一个旁路回路相比较, 在结构上要简单, 质量和体积则节省很多。

(4) 采用适应变工作状态、宽蒸发温度范围的热力膨胀阀与民用地面制冷系统单一的工作状态不同, 吊舱的制冷系统的工作状态是随着飞行高度和速度的变化而急剧变化的。热力膨胀阀要求覆盖的蒸发温度范围宽达-25~32e , 并能实现变工况下膨胀阀的膨胀比以压缩机排汽量的迅速自动调节。

总之, LANT I R N 吊舱所装的蒸汽循环冷却的环控系统, 设计思想新颖, 系统和部件设计都体现了轻巧、效率高、适应变工作状态的特点并具有地面制冷能力, 加上系统结构的高度紧凑和小型化, 使该系统在飞行器环控系统中独树一帜

[2]

(1) 现代战斗机环控系统广泛采用蒸气循环制冷方案, 特别是随着战斗机性能提高(如电子设备发热量增大), 其热载荷也随之增大, 在直升机上采用蒸气循环制冷系统将更具有优势。

(2) 我国开展战斗机环控系统研制时, 蒸气循环制冷系统应是主推首选方案。

(3) 要在我国战斗机上实现蒸气循环制冷系统, 应开展以下关键技术研究:

a . 小型机载制冷压缩机的关键技术研究;

b . 高效紧凑式换热器的关键技术研究; c . 高压比离心风机的关键技术研究; d . 建立战斗机蒸气循环制冷系统的仿真平台。

参 考 文 献

[1]袁修干. 高性能军用机环境控制系统研究发展趋势的探讨

[J].航空学报, 1988,

1999,

(6):

20) 21.

[2]余建祖, 苏楠. 电子吊舱的环境控制技术[J].低温工程,

(1):45) 46.

1998,

(6):18) 19.

(6):57) 59.

[3]高原, 杨福榜. 电子膨胀阀在电子吊舱制冷系统中的应用研

究[J].低温工程,

[4]吴晓丽, 张兴娟, 袁修干. 直升机蒸气循环制冷系统技术现

状与展望[J ].中国安全科学学报, 2004, 中国航天, 2006,

(10):

24) 26.

[5]王小群, 杜善义. 热电制冷技术在航空航天领域的应用[J].

作 者 简 介

李武奇(1975) ), 男, 陕西人, 硕士, 工程师, 研究方向:航空工程。

唐伯清(1960) ), 男, 湖南人, 高级工程师, 研究方向:航空维修与管理工程。

张均勇(1975) ), 女, 重庆人, 硕士, 工程师, 研究方向:航空工程。

张小松(1962) ), 男, 江苏人, 教授, 研究方向:制冷与低温工程。

。

4 我国发展战斗机环控系统的主推方案及

关键技术

根据对舱内环境控制的研究和分析, 笔者提出以下观点和结论性意见: