（西安交通大學，西安 710049）

0 引言

隨著直升機的發(fā)展，機載大功率、高集成度電子設(shè)備大幅增多；另一方面，機載人員對機艙舒適性的期望也越來越高，直升機環(huán)控系統(tǒng)（ECS）的重要性越來越突出[1]。直升機機載電子設(shè)備適宜的工作溫度和機載人員舒適的工作環(huán)境是保證直升機高效、安全飛行的重要條件。為滿足上述ECS條件，最重要的是具有可適用于直升機的機載制冷系統(tǒng)。目前，用于直升機的制冷系統(tǒng)有空氣循環(huán)和蒸發(fā)循環(huán)2種類型。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題，早期的直升機往往采用空氣循環(huán)方法進行機艙降溫?？諝庋h(huán)系統(tǒng)需要從發(fā)動機引氣，這對于直升機的整體機動性能具有顯著影響。高效、可靠的機載蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)是現(xiàn)代先進直升機的重要組成。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，國外先進軍用直升機已配備了蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)，而國內(nèi)直升機在蒸發(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)已取得長足的發(fā)展，在汽車、建筑、軌道列車等領(lǐng)域也已廣泛應(yīng)用，但直升機對機載設(shè)備重量、尺寸、安裝和效能的苛刻要求仍然給機載蒸發(fā)制冷系統(tǒng)的開發(fā)帶來困難。本文針對國內(nèi)某型直升機擬開發(fā)的機載蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)要求，開展機載制冷系統(tǒng)風道試驗，對直升機蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備選型、風道設(shè)計和新產(chǎn)品開發(fā)具有參考意義。

1 機載蒸發(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、壓縮機和膨脹閥，以及蒸發(fā)器和冷凝器（下面合稱兩器）配套風機、風道、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

直升機特殊的結(jié)構(gòu)以及有限的內(nèi)部空間對蒸發(fā)循環(huán)制冷設(shè)備的設(shè)置要求苛刻。本文綜合直升機機艙與短翼的內(nèi)部空間條件，確定直升機用蒸發(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)安裝在機艙內(nèi)壁，利用設(shè)置在機艙頂部的靜壓箱進行冷氣送風；壓縮機、電子膨脹閥及冷凝器組件安裝在直升機短翼內(nèi)部。根據(jù)直升機實際飛行時的各種熱負荷計算，確定制冷系統(tǒng)的總熱載荷為15kW。同時，為了滿足直升機的重量平衡要求，此制冷系統(tǒng)采用2套相同的系統(tǒng)對稱布置在機艙左右兩側(cè)，因此每套系統(tǒng)的熱負荷為7.5kW。

圖2 直升機制冷系統(tǒng)設(shè)備、風道布置

風道試驗是為了研究兩器循環(huán)空氣的高效流動情況，使其滿足熱力學參數(shù)設(shè)計下的對流換熱要求。試驗涉及到的主要設(shè)備有兩器、風機和兩器箱體，下面分別介紹適用于直升機的上述設(shè)備。

1.1 兩器分析

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

目前用于汽車空調(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，常用于乘用車雙蒸發(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)計配套機箱，固定于機艙內(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)被替代的過程中，平行流換熱器作為第三代汽車空調(diào)換熱器，它的使用也標志著汽車空調(diào)系統(tǒng)的進步，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)直升機內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)特點，冷凝器需安裝在直升機兩側(cè)短翼內(nèi)部。

1.2 風機分析

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

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

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

2 試驗原理及實驗臺搭建

風道試驗的主要評價指標是風道風量，熱線風速儀作為一種將流速信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕臏y量儀器，具有探頭體積小、對流場干擾小等優(yōu)點。為降低測量對風場、風量的影響，本文采用熱線風速儀測量通流橫截面風速，進而利用通流面積計算出通流面空氣流量。

2.1 冷凝器風道試驗

圖3示出冷凝器風道試驗裝置。鑒于直升機結(jié)構(gòu)的限制，冷凝器及其配套軸流風機安裝在飛機短翼內(nèi)，短翼被中間隔板分隔為2個空間，冷凝器及軸流風機分別安裝在隔板兩側(cè)，風機采用吸風方式工作；另外，進出風口的開設(shè)位置也受到短翼結(jié)構(gòu)的限制，冷凝器風道采用底部進風、端面出風形式。

圖3 冷凝器風道試驗裝置

試驗需要分析風機工作電壓、增設(shè)引風管、進出風口通流面積以及冷凝器厚度和迎風面積對風量的影響，以滿足制冷劑在冷凝器中冷凝所需的風量。為獲得更為準確的風量，熱線風速儀的測點采用對稱布置，圖4示出了冷凝器風道通流面風速測點。

圖4 冷凝器風道通流面風速測點

2.2 蒸發(fā)器風道試驗

為降低制冷系統(tǒng)的重量，蒸發(fā)器配套機箱采用鋁合金材質(zhì)，機箱開設(shè)有進風格柵。試驗需要分析機箱格柵、方轉(zhuǎn)圓接口、送風管以及冷風出口對離心風機風量的影響。風速測點采用對稱布置，蒸發(fā)器風道試驗裝置如圖5所示，其風速測量方式與冷凝器風速測量方式相同。

圖5 蒸發(fā)器風道試驗裝置

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 冷凝器風機氣流試驗

3.1.1 短翼增設(shè)引風管對風量的影響

冷凝器風機工作時，將空氣從短翼底部的開口吸入短翼空間，然后將空氣從短翼端面的開孔吹出。從減少流動阻力的角度考慮，后部短艙增設(shè)引風管對提高風量有益。風機在實際工作時采用最高工作電壓28 V，以達到最大風量。

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

表1 增設(shè)引風管前后風量

3.1.2 進、出風口直徑對風量的影響

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

圖6 風量隨入口通流面積變化

圖7 風量隨出口通流面積變化

由圖6可知，不同出口直徑下風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，風量可達到2 332.43 m3/h。

因此，風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，以獲得更大的風量。

3.1.3 冷凝器迎風面積及層數(shù)對風量的影響

蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)在系統(tǒng)制冷量確定時需要一定的冷凝器換熱面積和風量。平行流冷凝器在用于汽車空調(diào)時往往具有充分的外輪廓安裝尺寸，而在直升機短翼有限的內(nèi)部空間下外輪廓尺寸受到限制，加之直升機所需的冷凝器換熱面積要遠遠大于汽車空調(diào)，因此普通厚度的單層冷凝器無法滿足換熱需求，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)的增多會增加風阻、降低風量。不同冷凝器層數(shù)下風量隨冷凝器迎風面積的變化如圖圖8所示。

圖8 不同冷凝器層數(shù)下風量隨冷凝器迎風面積變化

在給定迎風面積下，4層冷凝器較2層冷凝器風量僅減少13%～15%，而前者換熱面積是后者的2倍。數(shù)據(jù)表明，冷凝器迎風面積從0.15 m2減小到0.1 m2，2層，4層的風量分別降低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可大幅提高換熱面積，而且風量減少量僅為12%。

3.2 蒸發(fā)器風機氣流試驗

3.2.1 離心風機工作特性測試

機載制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器風機采用矩形波電流供電，而矩形波的周期與占空比決定風機能否運轉(zhuǎn)以及運轉(zhuǎn)時的轉(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、不同占空比對應(yīng)的蒸發(fā)風機轉(zhuǎn)速。

表2 不同周期、占空比對應(yīng)風機轉(zhuǎn)速

由表2可知，供電周期越長，風機運轉(zhuǎn)所需的占空比越大，當周期到達1 000 ms時，占空比需要100%，即連續(xù)供電。為滿足風機的正常運轉(zhuǎn)，占空比不應(yīng)低于40%，，當占空比為100%時，風機轉(zhuǎn)速達到最大值3 630 r/min。

3.2.2 蒸發(fā)器前后各部件對風量的影響

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)、進風格柵、送風管長度以及安裝位置均應(yīng)根據(jù)各個組件的風阻大小進行調(diào)整。鑒于離心風機進口無確定進風截面，且出口風速更均勻，故采用出風口風速進行分析。為獲得各個組件對風量的影響程度，試驗分別測量蒸發(fā)器風機在接入各個組件時的風量大小。不同供電電壓下風量隨蒸發(fā)器組件完整度的變化如圖9所示。

圖9 風量隨蒸發(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的風量更大，相對增加量為4%～10%；僅有風機的流量最大，且流量達到了樣本介紹的最大風量，說明風機能力滿足條件；數(shù)據(jù)顯示，24.6 V和28 V分別供電時，不接送風管的風量分別為935 m3/h和1 030 m3/h，均高于系統(tǒng)需求風量（800 m3/h）。圖7中28 V供電的風量變化顯示，送風管帶來的風量減少量最大，較不帶送風管的風量減少54%，因此實際產(chǎn)品應(yīng)盡可能縮短其長度，并增大橫截面積。

3.2.3 靜壓箱出風口面積對風量的影響

機載蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)在實際工作時，從送風管出來的冷風要經(jīng)過靜壓箱，然后從靜壓箱開設(shè)的冷風出口排出。冷風出口有2種類型，一種是位于機艙座位上方的小出風口，另一種用于大幅度降溫的補充出風口。本文采用9個小出風口與4個補充出風口組合，28 V供電電壓下風量隨冷風出口面積與送風管通流面積比的變化如圖10所示。

圖10 風量隨冷風出口面積與送風管通流面積比的變化

圖10表明，隨著面積比增大，風量逐漸增加且越逼近不接靜壓箱時送風管直吹入機艙的風量。數(shù)據(jù)顯示，出風口全開時風量為442 m3/h，較不接靜壓箱的風量低7%，故出風口面積滿足對應(yīng)送風管的風量要求且過分增大出風口面積對提高風量并無幫助。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)直升機內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的實際要求，分析了可用于直升機的機載蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)，并結(jié)合汽車空調(diào)技術(shù)對用于直升機蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器、冷凝器及其配套風機進行了分析選型：蒸發(fā)器采用層疊式，配套風機為離心式；冷凝器采用平行流式，配套風機為軸流式。

（2）冷凝器風道試驗表明：軸流風機出口應(yīng)增設(shè)引風管；進風口通流面積對風量影響較大，出風口直徑為305 mm時，進風口通流面積從0.1 m2增加到0.3 m2，風量增加了79%；單層尺寸相同的冷凝器，4層僅比2層的風量減少13%～15%；相同厚度的冷凝器，迎風面積減少33%，風量減少11%～12%。

（3）蒸發(fā)器風道試驗表明：離心風機的供電占空比不應(yīng)低于40%；送氣管對風量的阻力最大，造成的風量減少量為54%，實際產(chǎn)品應(yīng)盡可能縮短送氣管長度；靜壓箱及冷風出口面積對風量影響較小，在設(shè)計的出風口全開時，風量僅比送氣管直吹時降低7%。