飞机结构与机械系统课件 座舱温度控制（2）2-77

M3飞机结构与系统M3.3.6.2座舱温度控制（2）4.制冷系统工作及部件课时：3学时123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件飞机上可以使用三种冷却装置，包括：1）热交换器；2）蒸发循环机；3）空气循环机。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件飞机上可以使用三种冷却装置，包括：1）热交换器；热交换器是把热量从一种载热介质传递给另一种载热介质的设备，若以加热流体为主要目的，则称为加热器；若以冷却热流体为主要目的，则称为散热器或冷却器。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件飞机上可以使用三种冷却装置，包括：1）热交换器；按照热交换器中流体的流动方向不同，可将其分为顺流式、逆流式、叉流式和复合式四种。所谓顺流式，是指热流体和冷流体的流动方向相同，即两者朝同一方向平行地流动，并通过传热面进行热交换；而逆流式则是冷热流体平行地朝相反的方向流动，并通过传热面进行热交换；叉流式的热交换器中冷热流体按相互垂直的方向交叉流动。从冷却效果来看，逆流式热交换器的冷却效果最好，顺流式热交换器最差，而又流式则介于其中。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件飞机上可以使用三种冷却装置，包括：1）热交换器；123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件飞机上可以使用三种冷却装置，包括：1）热交换器；飞机空调制冷系统中常采用间壁式热交换器，其主要特点是两种载热介质被一金属换热面隔开，其传热面大多为平板鳍片式，如图所示。在传热过程中，冷热介质隔着间壁分别流动互不接触，热量由热流体通过间壁传给冷流体。这类热交换器的密封性良好，冷热流休可以完全隔开而不会混合，并且能在冷热流体具有不同压力的条件下工作。其缺点是容易堵塞，清洗和检修都比较困难。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件飞机上可以使用三种冷却装置，包括：1）热交换器；清洗热交换器可去除冲压空气通道内的积尘和污物，恢复其散热效果。常采用的清洗方法有清洗液清洗法、蒸汽清洗法、超声波清洗法等。在清洗热交换器之前，要先用一定压力的干燥并清洁的压缩空气吹洗热交换器，以清除去其表面松动的灰尘、污物等。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件2）蒸发循环机；蒸发循环制冷系统的冷却效率高，而且在地面停机条件下有良好的冷却能力，高空高速飞行时有良好的经济性，节省燃油。故在某些飞机上获得了应用，而且在高性能飞机的电子设备舱冷却方面有着广泛的应用前途。蒸发循环制冷系统的原理如图所示。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件2）蒸发循环机；经压缩机压缩之后的高温高压氟利昂蒸气进入冷凝器散热降温液化后成为高压液体，经膨胀阀后，低压液态的氟利昂进入蒸发器，在蒸发器内吸收空调空气的热量，变为低压蒸气，再进入压缩机，往复循环，利用制冷剂状态变化使蒸发器热边的空气得到冷却。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件2）蒸发循环机；热膨胀阀通过控制喷入蒸发器内制冷剂的流量来调节蒸发器的制冷效率。为充分发挥蒸发器的效能，使蒸发器获得最佳的工作状态，蒸发器出口处安装有感温包，根据蒸发器出口温度调节膨胀阀的氟利昂流量，使全部液体氟利昂在蒸发器出口处刚好变成气态。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件2）蒸发循环机；图所示为一种常见的内平衡式热膨胀阀原理。内平衡式热膨胀阀是一个由感温包内氟利昂液体压力与预定弹簧（热力弹簧）力来控制的可变节流阀。当感温包感受到蒸发器出口处温度变化时，管内氟利昂压力也随之变化，通过膜片作用在节流阀的阀芯上部，与阀芯下部的热力弹簧力相比较，改变节流阀的开度，控制流入蒸发器的氟利昂流量。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件2）蒸发循环机；（1）自身安全氟利昂是无色无味、比空气重的液体，因此要在开敞通风处维护；由于氟利昂蒸发温度低，溅到皮肤或眼睛上会造成伤害，因此维护时应戴上护目镜、手套，穿上防护服等。（2）及时充灌氟利昂当系统的氟利昂液体指示器（装在冷凝器出口处）中出现气泡时，表明需要灌充氟利昂：向系统灌注蒸气时，储液器垂直放置，出口向上；若向系统加注液态氟利昂，则储液器垂直放置，出口向下；氟利昂加注完成后，应给压缩机补充滑油。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件2）蒸发循环机；维护整个系统后，在加注氟利昂前应先将系统抽真空，使水分和杂质等排出，以防止堵塞系统；进行灌充结束时，若低压压力表（测量蒸发器出口的压力表）仍指示真空，则表明系统内部堵塞。（3）保证蒸发器空气流量蒸发循环制冷系统工作时，必须保证蒸发器的空气流量充足，否则会在蒸发器上结霜而影响制冷效果。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件3）空气循环机；涡轮冷却器是飞机空调制冷系统的核心部件，其原理如图所示。气流经过与机壳固定在一起的喷嘴环时，一部分压力能转换为气体的动能，即喷嘴环内的气体压力降低，速度增加。自喷嘴环出来的高速气流沿径向流向涡轮，冲击涡轮叶片，使涡轮高速旋转，将气体压力能转换为机械能，同时气体剧烈膨胀，温度可降到接近0℃，甚至低于0℃。在轴的另一端固定着风扇（或压气机）作为负载，当涡轮转动时，风扇消耗涡轮功率，防止涡轮空载超速。负载的大小在一定程度上决定了涡轮的制冷功率和效率。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件3）空气循环机；在空气循环制冷系统中，可靠性最薄弱的环节是涡轮冷却器。由于涡轮冷却器通常是在极高转速下工作，因此轴承寿命往往成为整个涡轮冷却器使用寿命的关键。传统的涡轮冷却器都是采用油润滑的滚动轴承，这除了要求轴承本身具有极高的制造精度及良好的材料外，在涡轮冷却器的日常使用维护中还要注意进行定期维护，适当地进行润滑与冷却，要注意检查油面并按需加油，若润滑或冷却不当会出现前面所述的各种损坏情况，甚至轴承出现过热而烧坏。另外，轴承易受污染物影响，如供气中的水和沙尘的影响。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件3）空气循环机；为解决这些难题，许多现代高性能飞机的空调系统中的涡轮冷却器都采用了空气轴承，这不但减少了日常维护中的工作量，而且也大大提高了涡轮冷却器的寿命和转速。图所示为一种箔片式空气动压轴承。轴承用薄的箔片材料制成，在工作时无需外部供压，依靠气体的粘性，旋转的轴将气体带入由轴和箔片之间形成的一个收敛楔。它将气体的动压头变成压力，形成有托起压力的气膜，支持轴的旋转。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件3）空气循环机；这种轴承的特点是寿命长，工作可靠，即使发生故障，对转子也不会产生破坏性的影响，而且它不需要润滑，其负载能力随转速增大而提高。相对于普通滚珠轴承，空气轴承还有以下优点：①高转速性能好，高低温工作范围大空气轴承中用空气取代了普通轴承中的液体润滑油，由于空气粘度只有普通润滑油的千分之一，所以它的摩擦力很小，极宜做高速转动；普通润滑油在高温下要分解、变质甚至被烧掉，在低温下又会凝固，而空气轴承的工作温度范围则远远大于普通轴承。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件3）空气循环机；②结构简单，维护方便空气轴承去掉了原结构中的润滑、冷却、贮油等部分，使零件数量大大减少；不再需要定期加油，彻底解决了漏油的污染问题。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件3）空气循环机；按负载的不同，涡轮冷却器分为三类：涡轮风扇式、涡轮压气机式和涡轮压气机风扇式（三轮式）。涡轮风扇式涡轮冷却器以风扇作为吸收涡轮功率的负载；涡轮压气机式涡轮冷却器以压气机作为吸收涡轮功率的负载，应用于升压式空气循环冷却系统，这种涡轮冷却器也称为升压式涡轮；在三轮式空气循环冷却系统中，采用风扇和压气机作为涡轮的负载。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件3）空气循环机；图所示为三轮式涡轮冷却器。它包括一个单轴的转动组合件，上面安装有压气机、涡轮和风扇，由空气轴承支撑这个旋转组件。涡轮在转动轴的一端，风扇在轴的另一端，压气机位于涡轮和风扇之间。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件3）空气循环机；气流流过主热交换器进入离心式压气机，压气机压缩气体提高了气体的压力和温度，随后气体经次级热交换器进入涡轮，在涡轮内气体膨胀，产生动力驱动压气机和风扇转动，由于气体消耗内能对涡轮做功，使气体温度进一步降低。在空中，风扇协助冲压空气流动；在地面没有冲压空气情况下，由风扇提供所有的冷却气流。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件3）空气循环机（简单式制冷系统）涡轮风扇式空气循环制冷系统又称为简单式制冷系统，其原理如图所示。由发动机压气机或座舱增压器引出的高温高压空气，先经过初级热交换器和第二级热交换器冷却，然后在涡轮中膨胀降温，供向混合室。系统中，涡轮、初级和第二级热交换器串联在一条主供气管道上，而初级热交换器和第二级热交换器叉与风扇串联在一条冲压空气管道上，涡轮所驱动的风扇抽吸冷却空气经过热交换器。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件3）空气循环机（简单式制冷系统）这种利用发动机压气机引出的空气作为气源的涡轮风扇式制冷系统是目前最简单又是最轻便的一种冷却系统。该系统具有以下优点：涡轮输出功主要用来驱动风扇，使其抽吸热交换器冷边的冲压空气，因此显著地改善了热交换器的性能；在地面停机及低速飞行时，系统同样可以获得相应的制冷量。当飞行高度增加时，风扇端负荷减小，使冷却涡轮转数增加，到达一定高度时会发生超转，影响制冷效果并缩短涡轮的寿命，所以这种系统使用高度受到一定限制。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件3）空气循环机（升压式制冷系统）涡轮压气机式空气循环制冷系统又称为升压式制冷系统，其原理如图所示。系统由两级热交换器、涡轮压气机式涡轮冷却器构成。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件3）空气循环机（升压式制冷系统）高温高压引气经过调节后，通向一级热交换器冷却，流出一级热交换器的空气又进入到压气机，经过压气机，空气的压力和温度都提高，然后空气又流向二级热交换器进一步冷却。流出二级热交换器的空气又通向冷却涡轮，在涡轮内膨胀，空气的温度和压力都进一步降低。升压式制冷系统早期在英美飞机上，尤其在客机上获得较广采用。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件3）空气循环机（升压式制冷系统）在高速飞行条件下，由于其涡轮膨胀比要比涡轮风扇式冷却系统的大，故其制冷能力亦大；在相同制冷能力下，升压式冷却系统的供气压力或引气量可以较小，发动机耗油少，经济性好；升压式制冷系统的涡轮运转平稳，不像涡轮风扇式制冷系统的涡轮转速变化大，因此，其涡轮寿命长。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件3）空气循环机（升压式制冷系统）升压式制冷系统的缺点是：飞机在地面停机状态下或起飞滑跑时，由于两个热交换器缺乏冲压空气而使系统制冷能力很小。解决方法：采用专用的通风风扇，电机驱动或空气涡轮驱动，当飞机在地面停机状态或起飞滑跑时，抽吸冷却空气通过热交换器。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件3）空气循环机（三轮式制冷系统）三轮式制冷系统是升压式系统和涡轮风扇式系统的自然发展，它既吸收了升压式系统供气小、节省功率的优点，又吸收了涡轮风扇式系统地面有冷却能力的优点。另外，由于升压式压气机吸收了涡轮功率的主要部分（85%左右），故也可防止冷却装置的超转。三轮式制冷系统在现代民航客机上获得了广泛的应用。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件3）空气循环机（三轮式制冷系统）从发动机压气机供来的空气经过供气调节装置供向制冷系统。热空气先经过组合式热交换器的初级热交换器，获得初步冷却，而后经过三轮冷却装置的升压式压气机，温度、压力均提高了，再经过组合式热交换器的次级热交换器冷却，最后通过涡轮膨胀降温而供向座舱；其中三轮冷却装置的风扇抽吸冷却空气经过热交换器，从而使整个系统获得优良的性能。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件4）除水系统飞机在高空飞行时，外界大气湿度较低，但在地面或低空飞行时，外界大气湿度过高，空调引气中会含有一定的水分。随着空气温度的不断降低，空气中多余的水蒸气就会凝结下来。由于组件内的温度可能降得很低，这样管道内的水分就会结冰，影响系统的工作；另一方面，座舱的供气中如果含有水分，则可能导致座舱内形成雾气或露水，这不但会引起乘客的不适，而且也会引起座舱和分配管道内的腐蚀。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件4）除水系统为保证机上人员的舒适和避免座舱内出现过大的水汽，在空调组件内应设置水分离器。当增压空气通过水分离器时，一般可将大部分水分除去；从水分离器出来的水分，通过导管引出，然后喷射到冲压空气系统的冷流中去，这样可以提高热交换器的效率。水可以在涡轮前的高压区被除去，也可在涡轮后的低压区除去，将水分离器安装在涡轮上游的高压段称为高压除水，装在涡轮下游低压段称为低压除水。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件4）除水系统（低压除水）水分离器位于冷却涡轮下游的水分离系统称为低压除水系统。在涡轮前空气虽然经历了较大的压力和温度的变化，但只要空气温度不低于露点，空气始终在干工况下工作，经过涡轮降温后，若空气的温度低于其露点，则空气进入了过饱和的雾化区，这时空气中多余的水蒸气会立即凝结，从空气中分离出来，形成细小的水滴。低压水分离器利用凝聚套将涡轮出口空气中悬浮的细小水滴凝结成大水滴，并通过凝聚套支架开口对气流的旋转作用将水与空气分离。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件4）除水系统（低压除水）图所示为某型飞机所采用的低压水分离器构造。它包括进口和出口壳体组件，进口壳体组件又包括一个安装在圆锥体金属凝聚套支架上的纤维织物凝聚套、旁通活门组件和一个凝聚套状态指示器。出口壳体组件由集水腔、导流板和排水口组成。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件4）除水系统（低压除水）凝聚套状态指示器由一个指示器活塞、一个置于密闭壳体内的指示器盘和一个观察窗组成。当凝聚套脏了或堵塞时，通过凝聚套的气流受阻并引起凝聚套上游压力上升和凝聚套状态指示器活塞的压力上升，从而迫使活塞轴上的圆盘向指示器盖的红色窗口运动。当圆盘处于红色区域内时，表明需要更换凝聚套。当压力超过旁通活门弹簧的预紧力时，活门打开，空气流过旁通活门而不流过凝聚套，旁通了水分离器。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件4）除水系统（低压除水）在维护中，当混合活门处于全冷位置时，观察凝聚套状态指示器，如果凝聚套状态指示器圆盘进入红色范围，凝聚套则需更换。水分离器工作时，若涡轮出口温度低于零度时，凝聚套会因结冰而堵塞。凝聚套堵塞后，旁通活门打开，未经除水的空气会直接进入下游管道，因此低压水分离器必须设置防冰措施。目前，常用的防冰措施有两种：压差型除冰法和温度控制型防冰法。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件4）除水系统（低压除水）图所示的低压除水系统采用了压差型除冰法防止水分离器结冰。水分离器除冰活门安装在跨接压气机进口和涡轮出口的管路上，活门内的控制弹簧感受水分离器的进口和出口的压力差。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件4）除水系统（低压除水）当水分离器的凝聚套结冰时，其上下游压差达到预定值，克服弹簧预紧力打开除冰活门，旁通涡轮冷却器，将压气机进口的高温空气引到水分离器，将冰融化。冰融化后，水分离器压差减小，弹簧使除冰活门自动关闭。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件4）除水系统（低压除水）温度控制型防冰法原理如图所示，包括温度传感器、防冰控制器和防冰活门。温度传感器安装在水分离器内，防冰控制器接受传感器的温度信号，控制器的非工作温度一般为34~36F。防沐活门安装在连接压气机进口和涡轮出口的防冰管路上，接受防冰控制器的控制信号。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件4）除水系统（低压除水）当水分离器的温度处于控制器的非工作温度范围内时，控制器不向防冰活门发送控制信号；当水分离器温度低于此温度范围时，控制器向防冰活门发出打开信号，将压气机进口的热空气引到涡轮出口，使水分离器温度上升；当水分离器的温度高于此温度范围时，防冰控制器向防冰活门发送关闭信号，将热空气切断。温度控制型防冰法可始终保持水分离器的温度高于冰点，防止其结冰。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件4）除水系统（高压除水）图所示的除水系统的水分离器安装在涡轮的进口管路上，由于此处空气压力高，因此被称为高压除水系统。系统中除了高压除水器以外，还有回热器和冷凝器。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件4）除水系统（高压除水）从发动机压气机供出的热空气，首先经过供气调节装置，而后经过一级热交换器、升压式压气机和二级热交换器，进入高压除水部分的回热器（在回热器内往往有少量的水分凝结出来），而后进入冷凝器。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷系统工作及部件4）除水系统（高压除水）冷凝器的冷却空气来自膨胀涡轮出口，其壁面温度低于空气的露点温度，空气流过冷凝器在壁面上凝结成水膜或大水滴，接着通过高压水分离器把绝大部分的水分分离掉，部分没有分离的水分通过回热器时再蒸发，较干燥的空气进入涡轮膨胀冷却而获得很低的温度，再通过冷凝器，它一方面作为冷源，另一方面同时也可把涡轮出口凝结出的少量水分或冰加温融化并蒸发，使冷凝器出口可提供干燥而且温度较低的空气。123M3.3.6.2座舱温度控制系统M3.3.6.2.4制冷