TTC双涡轮并行制冷吊舱环控系统性能研究*

王 超，包 胜，王璐璐

(中国电子科技集团公司第二十九研究所， 四川 成都 610036)

TTC双涡轮并行制冷吊舱环控系统性能研究*

王 超，包 胜，王璐璐

(中国电子科技集团公司第二十九研究所， 四川 成都 610036)

文中介绍了一种改进型逆升压空气循环(TTC)吊舱环控系统，该系统采用TTC双涡轮并行制冷技术。结合试验与仿真分析结果研究了该系统的制冷性能，主要结论有：相比传统TTC环控系统，TTC双涡轮并行制冷环控系统制冷量增幅超过20%，高空工况制冷量增幅超过60%；当飞行高度为10 km、飞行马赫数在0.4～1.0范围内时，随马赫数的增加，环控系统制冷量先增加后减小，在Ma= 0.9时，制冷量达到最大；当Ma= 0.75时，在飞行高度0～15 km范围内，随高度的增加，环控系统制冷量先增加后减小，在高度达到 6 km时，制冷量达到最大。

吊舱；TTC；制冷系统；双涡轮并行制冷；制冷量

引 言

电子吊舱是战斗机能力提升的主要方式之一，它具有独立性强、机动性好和可扩展的优点。随着吊舱内电子设备的集成度越来越高，设备的热流密度和散热功率越来越大，液冷散热方式已被广泛采用。为保证电子设备可靠地工作，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控系统[1]。目前，液冷电子吊舱环控系统主要有3种方式：1)冲压空气直接冷却供液系统；2)蒸发循环制冷系统；3)逆升压空气循环制冷供液系统。对于冲压空气直接冷却供液系统，工作包线范围较小，在同等装机条件下散热功率受限。蒸发循环制冷系统能效比高，对飞行包线适应性强。例如：美国LANTIRN吊舱的环控系统[2]采用蒸发循环制冷，通过氟利昂R-114在蒸发器内蒸发吸热来冷却载冷剂(Coolanal25)，再通过被冷却的载冷剂去吸收吊舱内电子设备的耗散热，但该系统部件多，结构复杂，而且需要消耗大量的电能，应用受限。逆升压空气循环制冷供液系统的工作包线范围广，系统耗电功率较小，是目前电子吊舱普遍采用的制冷系统。

根据系统组成不同，逆升压空气循环制冷供液系统的空气制冷部分可分为简单逆升压系统、回热式逆升压系统、电机驱动的逆升压系统和动力涡轮驱动的逆升压系统等。在简单逆升压系统中，载机低速飞行时冲压空气压力较低，涡轮效率大幅度下降，影响了制冷性能。随着电子设备热负荷的进一步增加，该方案不能很好地满足制冷量要求。针对这一缺点，有研究人员提出了一些改进型的逆升压空气循环系统，如文献[3]提出了一种回热式逆升压系统，文献[4]研究了利用高速电机驱动的逆升压系统，文献[5]提出了一种动力涡轮驱动的逆升压系统。这些系统可以在一定程度上提高制冷量，但也存在不足：回热式逆升压系统增加了系统复杂度，而且空气管路较多，不利于空间利用，在低马赫数飞行工况下的性能也不如动力涡轮驱动的逆升压系统；高速电机驱动的逆升压系统可以提高涡轮膨胀比和温降，使系统制冷量增加，但该系统需以电源为动力，增加了载机供电的压力，且带来了电机的冷却问题[6]；动力涡轮驱动的逆升压空气循环系统使用动力涡轮提供辅助动力，并不依赖载机电源，提高了吊舱使用的灵活性和通用性，且系统简单，重量轻，在电子吊舱环控系统中应用较广。但在高空飞行工况下，该系统的动力涡轮排气温度较低，其制冷能力并没有得到充分利用，而在实际使用中，电子吊舱往往长时间工作在高空飞行工况下，因此，有必要针对动力涡轮驱动的逆升压空气循环系统进行改进。

本文介绍了一种改进的动力涡轮驱动的逆升压空气循环系统，大大提高了系统制冷能力，特别是中高空制冷能力，可以满足电子吊舱的大功率散热需求。

1 工作原理

TTC双涡轮并行制冷环控系统由TTC涡轮组件、两级空液换热器、供液泵、气/液管路系统等组成。环控系统采用TTC双涡轮并行制冷技术，即同时利用制冷涡轮和动力涡轮的冷却空气，分别与液体进行热交换。系统原理如图1所示。

图1 TTC双涡轮并行制冷环控系统原理图

系统基本原理如下：高温冲压空气经动力涡轮、制冷涡轮膨胀制冷后，动力涡轮出口低温空气进入一级空液换热器与被电子设备加热的高温液体进行热交换，从一级空液换热器出来的高温空气直接排出舱外；制冷涡轮出口低温空气进入二级空液换热器与被电子设备加热的高温液体进行热交换，从二级空液换热器出来的高温空气进入与涡轮同轴的压气机，通过压气机增压后排出舱外；从空液换热器出来的低温液体通过供液泵送入电子设备，把电子设备所产生的热量带走。

2 仿真及试验

2.1 模型及仿真

基于文献[6-8]提出的吊舱环控系统的设计和优化方法，本环控系统建立了TTC涡轮组件、空液换热器、气液管道系统的数学模型。

(1)TTC涡轮组件

制冷涡轮出口温度：

(1)

式中：T1_out为制冷涡轮出口处温度，K；T1_in为制冷涡轮入口处温度，K；η1为制冷涡轮效率；π1为制冷涡轮膨胀比。

制冷涡轮输出功率：

(2)

式中：q1为制冷涡轮空气质量流量，kg/s；cp为空气定压比热容，kJ/(kg·K)。

动力涡轮出口温度：

(3)

式中：η2为动力涡轮效率；T2_in为动力涡轮入口处温度，K；π2为动力涡轮膨胀比。

动力涡轮输出功率：

(4)

式中：q2为动力涡轮空气质量流量，kg/s。

压气机出口温度：

(5)

式中：η3为压气机效率；T3_in为压气机入口处温度，K；π3为压气机压缩比。

压气机消耗功率：

(6)

式中：q3为压气机空气质量流量，kg/s。

能量平衡关系式：

Pw3=ηm(Pw1+Pw2)

(7)

式中：ηm为涡轮轴效率。

(2)空液换热器

液体侧热量：

Ql=mlcpl(Tl_in-Tl_out)

(8)

式中：ml为液体流量，kg/s；cpl为液体定压比热容，kJ/(kg·K)；Tl_in、Tl_out分别为液体进出口温度，K。

空气侧热量：

Qg=qcp(Tg_out-Tg_in)

(9)

式中：q为空气质量流量，kg/s；Tg_in、Tg_out分别为空气进出口温度，K。

传热方程：

Q=kAΔt

(10)

式中：Q为换热量，W；k为传热系数，W/(m2·K)；A为有效传热面积，m2；Δt为空气侧与液体侧的平均温差，K。

能量平衡关系式：

Q=Ql=Qg

(11)

结合上述数学模型，本文优化了相关参数，编制的系统仿真软件如图2所示。当不考虑一级换热器时，该系统变成传统的TTC环控系统。

图2 TTC双涡轮并行制冷环控系统仿真

2.2 系统试验

环控系统性能试验原理如图3所示，通过控制系统进气温度、进气压力、排气压力及加热功率，模拟飞行工况及电子设备加热环境，测试该系统在不同飞行状态下的制冷性能。各试验工况点测试结果见表1。

图3 TTC双涡轮并行制冷环控系统性能试验原理图

表1 各工况点试验数据

2.3 数据分析

从对TTC双涡轮并行制冷环控系统进行的系统仿真和试验可知，当飞行速度Ma= 0.75时，飞行高度在0～15 km范围内，系统制冷功率随高度增大的变化趋势如图4所示；当飞行高度为10 km、飞行马赫数在0.4 ～ 1.0范围内时，系统制冷功率随马赫数增大的变化趋势如图5所示。

图4 不同飞行高度下系统制冷量(Ma=0.75)

图5 不同飞行速度下系统制冷量(H=10 km)

优化后数学模型的仿真结果与试验结果的相对误差不大于10%，误差主要来源于高空试验舱内环控系统存在的部分辐射散热以及测量误差。

TTC双涡轮并行制冷环控系统与传统TTC环控系统的制冷量对比见表2。

表2 两种环控系统的制冷量对比

3 结束语

本文介绍了一种改进型的动力涡轮驱动的逆升压空气循环吊舱环控系统，该系统采用TTC双涡轮并行制冷技术体制。结合试验与仿真分析，形成以下主要结论：

1)相比传统TTC环控系统，TTC双涡轮并行制冷环控系统制冷量增幅超过20%，高空工况制冷量增幅超过60%；

2)当飞行高度H= 10km、飞行马赫数在0.4～1.0范围内时，随马赫数的增加，环控系统制冷量先增加后减小，在马赫数达0.9时，制冷量达到最大；

3)飞行马赫数达0.75时，飞行高度在0 km ～ 15 km范围内，随高度的增加，环控系统制冷量先增加后减小，在H= 6 km时，制冷量达到最大。

[1] 余建祖, 苏楠. 电子吊舱的环境控制技术[J]. 低温工程, 1998(1): 45-50, 35.

[2] 余建祖. 电子设备热设计及分析技术[M]. 北京: 高等教育出版社, 2002.

[3] 余建祖, 钱翼稷. 电子设备吊舱冲压空气驱动的环境控制系统研制[J]. 航空学报, 1997, 18(1): 96-99.

[4] 孙英. 高速电机驱动的逆升压空气循环制冷系统研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2006.

[5] 刘鑫鑫. 某型吊舱环控系统组件的研制及性能研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2012.

[6] 邓瑾智. 动力涡轮驱动的逆升压式空气循环制冷系统研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2009.

[7] 郭侨. 动力涡轮驱动的逆升压式空气循环制冷系统的设计与优化[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2009.

[8] 朱春玲. 飞行器环境控制与安全救生[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2006.

王 超(1971-)，男，高级工程师，主要从事电子设备热管理与结构设计工作。

Capability Analysis of Double-turbo Parallel Refrigeration ofTurbo-turbo-compressor Environment Control System of Pods

WANG Chao，BAO Sheng，WANG Lu-lu

(The29thResearchInstituteofCETC,Chengdu610036,China)

A reformative turbo-turbo-compressor (TTC) environment control system (ECS), which adopts a new technology named double-turbo parallel refrigeration, has been explored in this paper. The systems solutions have been introduced firstly, then the capability analysis of the new system is studied by testing and simulation investigation. The conclusions are as follows: compared to the traditional ECS of TTC, refrigerating capacity increase of the double-turbo parallel refrigeration ECS of TTC is more than 20% and more than 60% at high altitude; when the flight altitudeH= 10km, along with the increase of the flight Mach number in range of0.4～1.0, the refrigerating capacity of the system increases first and then decreases. And the maximum refrigerating capacity appears atMa= 0.9; when the flight Mach number is 0.75, along with the increase of the flight altitude in range of 0～15 km, the refrigerating capacity of the system increases first and then decreases. And the maximum refrigerating capacity appears at the flight height of 6 km.

pods; TTC; refrigeration system; double-turbo parallel refrigeration; refrigerating capacity

2016-08-09

TB66

A

1008-5300(2017)01-0048-04