机载蒸发循环系统结构的轻量化设计

何予东，张 毅

（1.新乡航空工业（集团）有限公司，河南新乡 453000；2.中铁工程装备集团隧道设备制造有限公司，河南新乡 453000）

0 引言

由于直升机采用的涡轴发动机对引气很敏感，据资料介绍，在发动机额定功率状态时，每1%的引气量将导致发动机功率损失约为额定功率的4%[1]。因此，国内外直升机广泛采用蒸发循环系统制冷与引气加温配合使用的直升机环控系统，如国外的“黑鹰”VH-60N、“阿帕奇”AH-64、S-92、NH-90 等，国内的直-8、直-9、AC313、AC311 等。

由于直升机的电能很宝贵，因此，研究降低直升机环控系统的功耗具有很重要的意义。现有技术平台已通过将动力组件型式改为电动半封闭压缩机型式，将交流电机改为直流无刷电机，提高了电机的自身效率和传动效率，将压缩机的电功耗降低了约20%。如今，压缩机等蒸发循环系统零部件的技术提升空间已经不大，如果要进一步降低系统的电功耗，需要引入双级膨胀技术[2]。

1 双级膨胀系统介绍

如图1 所示，单级膨胀蒸发循环制冷剂从冷凝器流出后直接进入膨胀阀节流降压，然后进入蒸发器中蒸发吸热。而双级膨胀中，从冷凝器流出的制冷剂首先进行一级膨胀，分离成制冷剂气体和液体，气态制冷剂返回压缩机，液态制冷剂进入第二级膨胀[3]。

由于中间压力的气态制冷剂不需要经过第一次压缩，因此节省了压缩机的功耗，提高了循环制冷系数。经过计算，采用双级膨胀，可以节省能耗15%以上。

图1 单级膨胀蒸发循环与双级膨胀

2 双级膨胀技术应用现状

2.1 国内应用现状

由于这项技术的应用需要中间注入式压缩机技术，而只有螺杆式和涡旋式压缩机符合要求，开发难度较大，国内应用较少。国内双级膨胀技术在民用领域已有应用，主要应用于大功率螺杆式压缩机制冷机组，目的是为了解决蒸发循环热泵系统在低温环境下的大压缩比带来的压缩机排气温度过高的问题。国内已开发出电动汽车空调热泵系统用中间注入式涡旋压缩机，并已经过装车试验。

国内现有正在研制和已定型的机载蒸发循环系统，全部采用的是单级蒸发循环系统。

2.2 国外应用现状

国外先进机型，无论以空气为热沉，还是以燃油为热沉，均采用双级膨胀系统，如S-92 直升机、波音787 旅客机等。其中S-92 直升机蒸发循环系统以空气为热沉，波音787 旅客机蒸发循环系统以燃油为热沉。

3 双级膨胀技术在直升机环控系统的应用分析

3.1 国内直升机环控系统现状分析

直升机环控系统中的蒸发循环制冷系统，其中的压缩机有电动半封闭式和开启式两种。其中电动半封闭式由于具有安装灵活、不影响发动机工作等优点，被广泛应用于各种中、大型军民用直升机上。

电动半封闭压缩机在工作中，由于制冷剂气体在进入涡旋压缩动静盘前，首先进入了电机壳中的沟槽，通过电机定子吸收电机工作中散发的热量，制冷剂本身焓值增加，压缩机入口温度增加，因此电动半封闭压缩机的排气温度明显高于开启式压缩机，同时，由于压缩过程向压焓图的右方移动，压缩过程所需要的功也增加了。

选取一款电动半封闭涡旋式压缩机作为研究对象，在相同的条件下进行热力计算。

由计算结果可知，由于制冷剂需要带走电机工作产生的热量，使压缩入口温度提高了20 ℃，结果使压缩机排气温度由92 ℃提高到114.66 ℃，排气温度升高，将降低压缩机的工作效率，加快压缩机上密封垫等非金属件的老化，增加冷凝器的热负荷。同时，由于压缩过程向压焓图的右方移动，压缩过程所需要的功增加，制冷系数降低了9.6%。

3.2 直升机用双级膨胀关键技术分析

（1）双级膨胀系统匹配技术。民用双级膨胀系统，由于外界环境很稳定，系统参数经过启动初期的振荡后会很快稳定并持续保持下去，系统的匹配设计工作量较小。

（2）航空高效气液分离闪发器设计技术。由于航空产品对体积、重量的高要求，机载蒸发循环用闪发器不能采用自然分离技术，需要研制高效率的气液分离装置，同时，闪发器在设计时，还要考虑飞机各个飞行姿态下液态制冷剂不能进入回气管中，因为液态制冷剂从回气管中进入压缩机，会在压缩腔中产生液击，影响压缩机正常工作。

（3）中间注入式机载涡旋式压缩机设计制造技术。从现在收集到的材料看，国外飞机上使用的中间注入式压缩机，采用的均为立式设计，说明其技术来源于家用制冷设备，由于国内的技术来源于车用涡旋压缩机，车用涡旋压缩机对体积、重量及耐振性的要求超过家用制冷设备，在机载应用上具有一定优势。国内前期已进行了小型中间注入式涡旋式压缩机的研究，并在车用热泵型蒸发循环系统上已完成实车试验。

4 结束语

在直升机上采用双级膨胀技术，可以显著降低压缩机排气温度和功率消耗，提高系统可靠性，降低直升机燃油消耗，系统所需关键技术国内已具有一定基础，研制风险不大，经过对双级膨胀系统应用到直升机环控系统中面临的关键技术进行分析，提出了通过引入双级膨胀技术以提升国内直升机环控系统的技术水平这一发展方向。因此，双级膨胀技术将是国内直升机环控系统一个很好的技术发展方向。