直升机空气循环制冷系统方案比较
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在分析直升机对 ECS 提出的特殊要求的基础 上 ,根据我国的工业现状提出了短期内可进行装机 的空气循环制冷系统方案wk.baidu.com,并对每种方案进行了设 计计算 。
2 直升机对 ECS 的特殊要求
机载 ECS 主要由以下功能子系统组成 :空气调 节子系统 、压力调节子系统 、引气子系统和环境防护 子系统[2] 。直升机的工作条件比固定翼飞机恶劣 ,
图 2 简单式高压除水系统方案式意图
与涡轮Π风扇式方案相比 ,引射式方案具有以下 几个结构特点 :
(1) 采用初级引射器的设计 ,改变了初级热交 换器材质 ,降低了热交换器的重量 。
由于发动机引气温度高于 250 ℃,超过了普通 铝制热交换器的承受极限 ,如果不对发动机压气机 供气进行预先降温 ,则初级热交换器必须采用钢制 热交换器 ,系统重量将显著增加 。使用初级引射器 虽然增加了系统重量 ,但由于发动机压气机供气压
《制冷学报》2004 年第 3 期
科技报道
直升机空气循环制冷系统方案比较 Ξ
肖晓劲 袁修干
(北京航空航天大学制冷与空调技术研究所 北京 100083) 摘 要 针对直升机对环境控制系统的特殊需求 ,介绍了两种可实际应用于直升机的简单式空气循环制冷方案 ,论 述了简单式低压除水系统和高压除水系统的工作原理 ,进行了性能计算和分析 。结果表明 ,两种系统方案分别可以 提供 4. 13kW 和 5. 56kW 的制冷量 。比较而言 ,引射式高压除水系统可充分利用有限的发动机压气机引气 ,获得更多 的制冷量 ,并具有较小的系统重量 。 关键词 工程热物理 ;空气循环制冷系统 ;方案比较 ;直升机 ;引射
图 1 简单式低压除水空气循环制冷系统
图 1 所示的简单式低压除水方案又称为涡轮Π 风扇式方案 ,其工作原理是 :来自于发动机高Π低压 引气口的高压和高温空气进入热交换器 HX ,将热 量传给作为热沉的冲压空气 ,从而变成低温高压气 体 ;冷却后空气进入涡轮 T 膨胀降温 ;涡轮输出的轴 功用于驱动风扇 F ,抽吸冲压空气通过热交换器 ;低 压水分离器 WS 可以除去气流中的部分游离水分 ; 水分离器出口的冷空气虽然仍含有部分液态水 ,但 是在空气流经分配管路和座舱时 ,液态水吸热蒸发 , 额外带走部分热量 ,从而回收了一定的制冷量 ;分离 出的冷凝水可以喷射到热交换器的冷边冲压空气中 (如图 1 中虚线实心箭头所示) ,提高其热容量 ,可进 一步降低涡轮出口空气温度 ,补偿部分制冷量 ;一部 分热气通过涡轮旁路与涡轮出口的冷空气混合 ,保 证涡轮出口不结冰 ;如果需要 ,热气还可与水分离器
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《制冷学报》2004 年第 3 期
下游冷空气混合 ,为座舱提供所需温度的空气 。 涡轮Π风扇式系统优点是在地面试机 、盘旋或低
速飞行时冲压空气不足的情况下仍能提供足够的环 境空气供热交换器使用 ,而且简单式系统中技术成 熟的附件在整个系统中所占比例超过 80 % ,可以减 少研制风险 ,满足直升机 ECS 的研制原则 。 3. 2 简单式高压除水方案
直升机是依靠由涡轴发动机以旋转输出轴的形 式提供动力 、并通过机械传动系统直接驱动回旋翼 产生升力和推进力的航空器 ,它能完成垂直起落 、空 中悬停 、原地旋转 、多方向飞行等多种常规固定翼飞 机无法完成的飞行动作 。作为具有特殊用途的飞行 器 ,直升机装备的改进和完善一直是各国重点发展 的目标 。在直升机上安装 ECS ,可以为座舱和电子 舱提供加热或冷却 ,保障作战人员的舒适性 ,提高作 战效率 ,同时也可以保证设备的安全工作 。
Scheme Co mp ariso n of Air Cycle Refrigeratio n System o n Helicopter
Xiao Xiaojing ☆ and Yuan Xiugan ☆Beijing University of Aeronautic s & Astronautic s , Beijing , China 100083 Abstract Special require ment s of environmental control syste m on helicopter were stated. Two kinds of simplified air cycle refrigeration syste ms that can be applied were de scribed. The working principle s of the simplified low - pre ssure dewater syste m and the high - pre ssure dewater syste m were discussed. Finally the performance s were calculated and analyzed. The re sult s show that the refrigeration capacitie s of the se two syste ms are 4. 13kW and 5. 56kW re spectively. Injected high - pre ssure dewater syste m can fully use the bleeds to gain more refrigeration capacity and ha s le ss weight relatively. Keywords Engineering thermophysic s ; air cycle refrigeration syste m ; sche me co mparison ; helicopter ; injection
低压除水方法在除水机理上存在缺陷 ,导致空 气中仍含有大量水分 。如果既要将水分除去以保证 空气干燥 ,又要提高 ECS 制冷能力 ,则必须在系统 流程中寻求更适合除水的部位 。通过对空气焓湿图 的研究可以知道 ,在相同含湿量条件下 ,空气压力增 加时对应露点温度也提高 ,气态水更容易凝结 ,而且 由于气流速度较低 ,凝结水珠颗粒大 ,有利于收集 , 除水效率高 ,因此应选择在高压部位除水 。根据系 统的具体情况 ,一般将除水部位定在涡轮前端的高 压段 ,这种方法称为高压除水方法 。
1 前言
现代飞机必须安装环境控制系统 ( ECS - En2 vironmental Control System) 来保证在各种飞行状态时 乘员的安全 、舒适及设备的可靠工作 。目前 ,绝大多 数飞机依靠空气循环系统来实现诸如制冷 、加温 、加 压 、除湿等功能 。机载 ECS 通常采用开式空气循环 制冷方式 ,利用来自飞机发动机压气机的高压空气 在冷却涡轮中膨胀降温 ,最后通往座舱或设备舱提 供制冷功能 。
在空气循环制冷系统中 ,涡轮出口通常具有最 低的空气温度和压力条件 ,因此是冷凝水最容易产 生的位置 。早期的空气循环制冷系统在涡轮末端加 装水分离器 ,利用离心分离和过滤等方法将直径 1 ～2μm 的微小水滴聚集 ,然后收集并除去 。由于除 水部位压力低 ,因此采用这种除水措施的简单式空 气循环制冷方案称为简单式低压除水方案 。
国外于 20 世纪 60 年代开始在直升机上安装
ECS[1] 。直升机 ECS 制冷方案可采用蒸发循环制冷 或空气循环制冷等两种方案 。当时由于蒸发循环制 冷系统可靠性低 ,所以空气循环制冷系统一直被广 泛使用 。近年来 ,蒸发循环制冷系统的可靠性有了 极大改善 ,蒸发循环制冷方案以其制冷量大等优势 逐渐被直升机 ECS 采用 。我国现役直升机大部分 没有独立的 ECS ,只能进行有限的空气调节 ,不能提 供有效的制冷功能 。国内对直升机 ECS 的研究也 刚刚起步 ,同样面临蒸发循环制冷技术不成熟的困 境 。如果将 ECS 制冷系统方案局限在选用蒸发循 环制冷方案上 ,则无法满足日益强烈的使用需求 。
Ξ 收稿日期 :2003 年 11 月 22 日
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因此对安装 ECS 提出了特殊的要求 。 (1) ECS 主要应满足制冷的需要 。 直升机飞行高度较低 (一般在 6km 以下) ,而且
其座舱也不是气密座舱 ,所以一般不需要提供压力 调节功能 。而在温度调节中 ,加温调节比较容易实 现 ,因此直升机 ECS 方案的重点是满足制冷调节的 要求 。同样由于座舱是非气密座舱 ,制冷量需求相 应较大 ,对 ECS 的制冷要求也较大 。
《制冷学报》2004 年第 3 期
的备选方案 。 随着近年来直升机对座舱环境要求的提高 ,对
于直升机这种具有特殊飞行状态和发动机引气条件 的飞行器 ,简单式空气循环制冷系统重新找到了用 武之地 ,并显示出一定的优势 : ①直升机常处于低空 飞行 ,发动机供气压力高 ,符合简单式空气循环制冷 系统的供气压力条件 ,无须采用升压式工作方式就 可满足系统正常工作的需要 ; ②直升机的工作条件 较为恶劣 ,可靠性和机动性要求高 ,系统必须便于维 修并具有较低的重量 ; ③系统方案容易满足除水的 要求 。 3. 1 简单式低压除水方案
3 简单式直升机空气循环制冷方案
简单式空气循环制冷系统是相对于升压式空气 循环制冷系统而言的一种系统 ,因其结构简单而得 名 。它将发动机供气通过热交换器散热 ,然后直接 由涡轮膨胀降温 ,产生制冷空气 。虽然该系统结构 简单 ,重量轻 ,系统附件安装便捷 ,参数匹配容易 ,但 由于其对发动机引气的能量利用率低 ,系统工作直 接受引气压力影响 ,而且在一定飞行高度以上 ,稀薄 大气会导致涡轮超转而危及飞机安全 ,因此简单式 空气循环制冷系统越来越不适于作为先进飞机 ECS
简单式系统流程也可根据需要设计成高压除水 系统方案 。图 2 所示为一种直升机 ECS 的简单式高 压除水空气循环制冷系统设计方案 ,又简称为引射 式方案 ,其制冷原理是 :引自发动机压气机的高温高 压气体经过相邻排列的初级和次级热交换器进行降 温并在高压水分离器中除水 ,然后经涡轮膨胀进一 步降温达到制冷要求 。
(2) ECS 应结构简单 、可靠性高 。 直升机不仅需要满足有关垂直爬升率 、平飞速 度等机动性要求以及航程 、续航时间等持久性要求 , 而且其使用环境多为较恶劣的气候条件 (例如环境 气温变化剧烈 ,空气中多沙尘等) ,因此在选择 ECS 部件时 ,应遵循的原则是在满足调温或通风的同时 , 尽量选择结构简单 、重量轻 、可靠性高 、可维护性好 的系统方案 。 (3) ECS 应尽量减少从发动机引气 。 直升机空气循环制冷系统中 ,工质空气的来源 是发动机供气 。由于涡轴发动机中的涡轮为低功率 涡轮 ,所以对从发动机引气非常敏感 ,即使从总中心 流中引出极少量的空气 ,也会严重影响空气的速度 , 进一步导致中心流和压比的损失 。而且 ,由于发动 机涡轮效率还是涡轮进出口压比的函数 ,所以引气 将降低基本循环的效率 ,影响直升机的整体机动性 能 。一般情况下 ,在发动机额定功率状态时 ,每 1 % 的引气量将导致功率损失约为额定功率的 4 %。此 外 ,在所有环境温度下 (特别是在夏季时) ,发动机中 心温度也将因为引气而升高 ,从而缩短了发动机热 部件的寿命[3] 。 (4) ECS 应解决空气除湿问题 。 直升机主要在低空飞行 ,环境大气的高湿度条 件会妨碍驾驶员对飞机的操纵 ,影响 ECS 和其他设 备的正常工作和安全 ,因此在 ECS 设计中应采取相 应的除水措施 。
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力有富裕 ,初级引射器可以将水分离器后的部分冷 空气与发动机压气机供气混合 ,使供气温度降至铝 制热交换器承受极限以下 ,从而将初级热交换器的 材质更换为铝 ,这又降低了热交换器的重量 。经过 初步估算 ,该方案仍比采用钢制热交换器的设计降 低了系统整体结构重量[4] 。
(2) 由次级引射器将涡轮出口的冷空气冷却涡 轮前端的高压空气 ,可以提高次级热交换器的换热 效果 ,使其成为湿热交换器 ,可以达到高压除水的目 的 。由于除水充分 ,涡轮出口空气温度可降至 0 ℃ 以下 ,提高了系统制冷能力 ,有利于减少发动机供气 量。
2 直升机对 ECS 的特殊要求
机载 ECS 主要由以下功能子系统组成 :空气调 节子系统 、压力调节子系统 、引气子系统和环境防护 子系统[2] 。直升机的工作条件比固定翼飞机恶劣 ,
图 2 简单式高压除水系统方案式意图
与涡轮Π风扇式方案相比 ,引射式方案具有以下 几个结构特点 :
(1) 采用初级引射器的设计 ,改变了初级热交 换器材质 ,降低了热交换器的重量 。
由于发动机引气温度高于 250 ℃,超过了普通 铝制热交换器的承受极限 ,如果不对发动机压气机 供气进行预先降温 ,则初级热交换器必须采用钢制 热交换器 ,系统重量将显著增加 。使用初级引射器 虽然增加了系统重量 ,但由于发动机压气机供气压
《制冷学报》2004 年第 3 期
科技报道
直升机空气循环制冷系统方案比较 Ξ
肖晓劲 袁修干
(北京航空航天大学制冷与空调技术研究所 北京 100083) 摘 要 针对直升机对环境控制系统的特殊需求 ,介绍了两种可实际应用于直升机的简单式空气循环制冷方案 ,论 述了简单式低压除水系统和高压除水系统的工作原理 ,进行了性能计算和分析 。结果表明 ,两种系统方案分别可以 提供 4. 13kW 和 5. 56kW 的制冷量 。比较而言 ,引射式高压除水系统可充分利用有限的发动机压气机引气 ,获得更多 的制冷量 ,并具有较小的系统重量 。 关键词 工程热物理 ;空气循环制冷系统 ;方案比较 ;直升机 ;引射
图 1 简单式低压除水空气循环制冷系统
图 1 所示的简单式低压除水方案又称为涡轮Π 风扇式方案 ,其工作原理是 :来自于发动机高Π低压 引气口的高压和高温空气进入热交换器 HX ,将热 量传给作为热沉的冲压空气 ,从而变成低温高压气 体 ;冷却后空气进入涡轮 T 膨胀降温 ;涡轮输出的轴 功用于驱动风扇 F ,抽吸冲压空气通过热交换器 ;低 压水分离器 WS 可以除去气流中的部分游离水分 ; 水分离器出口的冷空气虽然仍含有部分液态水 ,但 是在空气流经分配管路和座舱时 ,液态水吸热蒸发 , 额外带走部分热量 ,从而回收了一定的制冷量 ;分离 出的冷凝水可以喷射到热交换器的冷边冲压空气中 (如图 1 中虚线实心箭头所示) ,提高其热容量 ,可进 一步降低涡轮出口空气温度 ,补偿部分制冷量 ;一部 分热气通过涡轮旁路与涡轮出口的冷空气混合 ,保 证涡轮出口不结冰 ;如果需要 ,热气还可与水分离器
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《制冷学报》2004 年第 3 期
下游冷空气混合 ,为座舱提供所需温度的空气 。 涡轮Π风扇式系统优点是在地面试机 、盘旋或低
速飞行时冲压空气不足的情况下仍能提供足够的环 境空气供热交换器使用 ,而且简单式系统中技术成 熟的附件在整个系统中所占比例超过 80 % ,可以减 少研制风险 ,满足直升机 ECS 的研制原则 。 3. 2 简单式高压除水方案
直升机是依靠由涡轴发动机以旋转输出轴的形 式提供动力 、并通过机械传动系统直接驱动回旋翼 产生升力和推进力的航空器 ,它能完成垂直起落 、空 中悬停 、原地旋转 、多方向飞行等多种常规固定翼飞 机无法完成的飞行动作 。作为具有特殊用途的飞行 器 ,直升机装备的改进和完善一直是各国重点发展 的目标 。在直升机上安装 ECS ,可以为座舱和电子 舱提供加热或冷却 ,保障作战人员的舒适性 ,提高作 战效率 ,同时也可以保证设备的安全工作 。
Scheme Co mp ariso n of Air Cycle Refrigeratio n System o n Helicopter
Xiao Xiaojing ☆ and Yuan Xiugan ☆Beijing University of Aeronautic s & Astronautic s , Beijing , China 100083 Abstract Special require ment s of environmental control syste m on helicopter were stated. Two kinds of simplified air cycle refrigeration syste ms that can be applied were de scribed. The working principle s of the simplified low - pre ssure dewater syste m and the high - pre ssure dewater syste m were discussed. Finally the performance s were calculated and analyzed. The re sult s show that the refrigeration capacitie s of the se two syste ms are 4. 13kW and 5. 56kW re spectively. Injected high - pre ssure dewater syste m can fully use the bleeds to gain more refrigeration capacity and ha s le ss weight relatively. Keywords Engineering thermophysic s ; air cycle refrigeration syste m ; sche me co mparison ; helicopter ; injection
低压除水方法在除水机理上存在缺陷 ,导致空 气中仍含有大量水分 。如果既要将水分除去以保证 空气干燥 ,又要提高 ECS 制冷能力 ,则必须在系统 流程中寻求更适合除水的部位 。通过对空气焓湿图 的研究可以知道 ,在相同含湿量条件下 ,空气压力增 加时对应露点温度也提高 ,气态水更容易凝结 ,而且 由于气流速度较低 ,凝结水珠颗粒大 ,有利于收集 , 除水效率高 ,因此应选择在高压部位除水 。根据系 统的具体情况 ,一般将除水部位定在涡轮前端的高 压段 ,这种方法称为高压除水方法 。
1 前言
现代飞机必须安装环境控制系统 ( ECS - En2 vironmental Control System) 来保证在各种飞行状态时 乘员的安全 、舒适及设备的可靠工作 。目前 ,绝大多 数飞机依靠空气循环系统来实现诸如制冷 、加温 、加 压 、除湿等功能 。机载 ECS 通常采用开式空气循环 制冷方式 ,利用来自飞机发动机压气机的高压空气 在冷却涡轮中膨胀降温 ,最后通往座舱或设备舱提 供制冷功能 。
在空气循环制冷系统中 ,涡轮出口通常具有最 低的空气温度和压力条件 ,因此是冷凝水最容易产 生的位置 。早期的空气循环制冷系统在涡轮末端加 装水分离器 ,利用离心分离和过滤等方法将直径 1 ～2μm 的微小水滴聚集 ,然后收集并除去 。由于除 水部位压力低 ,因此采用这种除水措施的简单式空 气循环制冷方案称为简单式低压除水方案 。
国外于 20 世纪 60 年代开始在直升机上安装
ECS[1] 。直升机 ECS 制冷方案可采用蒸发循环制冷 或空气循环制冷等两种方案 。当时由于蒸发循环制 冷系统可靠性低 ,所以空气循环制冷系统一直被广 泛使用 。近年来 ,蒸发循环制冷系统的可靠性有了 极大改善 ,蒸发循环制冷方案以其制冷量大等优势 逐渐被直升机 ECS 采用 。我国现役直升机大部分 没有独立的 ECS ,只能进行有限的空气调节 ,不能提 供有效的制冷功能 。国内对直升机 ECS 的研究也 刚刚起步 ,同样面临蒸发循环制冷技术不成熟的困 境 。如果将 ECS 制冷系统方案局限在选用蒸发循 环制冷方案上 ,则无法满足日益强烈的使用需求 。
Ξ 收稿日期 :2003 年 11 月 22 日
— 56 —
因此对安装 ECS 提出了特殊的要求 。 (1) ECS 主要应满足制冷的需要 。 直升机飞行高度较低 (一般在 6km 以下) ,而且
其座舱也不是气密座舱 ,所以一般不需要提供压力 调节功能 。而在温度调节中 ,加温调节比较容易实 现 ,因此直升机 ECS 方案的重点是满足制冷调节的 要求 。同样由于座舱是非气密座舱 ,制冷量需求相 应较大 ,对 ECS 的制冷要求也较大 。
《制冷学报》2004 年第 3 期
的备选方案 。 随着近年来直升机对座舱环境要求的提高 ,对
于直升机这种具有特殊飞行状态和发动机引气条件 的飞行器 ,简单式空气循环制冷系统重新找到了用 武之地 ,并显示出一定的优势 : ①直升机常处于低空 飞行 ,发动机供气压力高 ,符合简单式空气循环制冷 系统的供气压力条件 ,无须采用升压式工作方式就 可满足系统正常工作的需要 ; ②直升机的工作条件 较为恶劣 ,可靠性和机动性要求高 ,系统必须便于维 修并具有较低的重量 ; ③系统方案容易满足除水的 要求 。 3. 1 简单式低压除水方案
3 简单式直升机空气循环制冷方案
简单式空气循环制冷系统是相对于升压式空气 循环制冷系统而言的一种系统 ,因其结构简单而得 名 。它将发动机供气通过热交换器散热 ,然后直接 由涡轮膨胀降温 ,产生制冷空气 。虽然该系统结构 简单 ,重量轻 ,系统附件安装便捷 ,参数匹配容易 ,但 由于其对发动机引气的能量利用率低 ,系统工作直 接受引气压力影响 ,而且在一定飞行高度以上 ,稀薄 大气会导致涡轮超转而危及飞机安全 ,因此简单式 空气循环制冷系统越来越不适于作为先进飞机 ECS
简单式系统流程也可根据需要设计成高压除水 系统方案 。图 2 所示为一种直升机 ECS 的简单式高 压除水空气循环制冷系统设计方案 ,又简称为引射 式方案 ,其制冷原理是 :引自发动机压气机的高温高 压气体经过相邻排列的初级和次级热交换器进行降 温并在高压水分离器中除水 ,然后经涡轮膨胀进一 步降温达到制冷要求 。
(2) ECS 应结构简单 、可靠性高 。 直升机不仅需要满足有关垂直爬升率 、平飞速 度等机动性要求以及航程 、续航时间等持久性要求 , 而且其使用环境多为较恶劣的气候条件 (例如环境 气温变化剧烈 ,空气中多沙尘等) ,因此在选择 ECS 部件时 ,应遵循的原则是在满足调温或通风的同时 , 尽量选择结构简单 、重量轻 、可靠性高 、可维护性好 的系统方案 。 (3) ECS 应尽量减少从发动机引气 。 直升机空气循环制冷系统中 ,工质空气的来源 是发动机供气 。由于涡轴发动机中的涡轮为低功率 涡轮 ,所以对从发动机引气非常敏感 ,即使从总中心 流中引出极少量的空气 ,也会严重影响空气的速度 , 进一步导致中心流和压比的损失 。而且 ,由于发动 机涡轮效率还是涡轮进出口压比的函数 ,所以引气 将降低基本循环的效率 ,影响直升机的整体机动性 能 。一般情况下 ,在发动机额定功率状态时 ,每 1 % 的引气量将导致功率损失约为额定功率的 4 %。此 外 ,在所有环境温度下 (特别是在夏季时) ,发动机中 心温度也将因为引气而升高 ,从而缩短了发动机热 部件的寿命[3] 。 (4) ECS 应解决空气除湿问题 。 直升机主要在低空飞行 ,环境大气的高湿度条 件会妨碍驾驶员对飞机的操纵 ,影响 ECS 和其他设 备的正常工作和安全 ,因此在 ECS 设计中应采取相 应的除水措施 。
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力有富裕 ,初级引射器可以将水分离器后的部分冷 空气与发动机压气机供气混合 ,使供气温度降至铝 制热交换器承受极限以下 ,从而将初级热交换器的 材质更换为铝 ,这又降低了热交换器的重量 。经过 初步估算 ,该方案仍比采用钢制热交换器的设计降 低了系统整体结构重量[4] 。
(2) 由次级引射器将涡轮出口的冷空气冷却涡 轮前端的高压空气 ,可以提高次级热交换器的换热 效果 ,使其成为湿热交换器 ,可以达到高压除水的目 的 。由于除水充分 ,涡轮出口空气温度可降至 0 ℃ 以下 ,提高了系统制冷能力 ,有利于减少发动机供气 量。