[科普中国]-空气循环机

简介

飞机环境控制系统(Aircraft Environmental Control Sys-tem, ACES)是保证在各种飞行状态下飞机座舱和设备舱内具有乘员和设备正常工作所需要适当条件的整套装置，随着航空工业技术的发展和民航客机的现代化、大型化，AECS的地位日趋重要，设备更加完善。一个良好的座舱环境，不仅关系到机上人员的生命安全，舒适的座舱条件还可以提高旅客的上座率。在AECS中的温度调节部分主要是指加温和制冷两大部分，在设计和安排座舱温度调节时，却着重考虑制冷系统，因为制冷系统的主要附件和系统的工作原理，对整个温度调节系统具有重要意义。大多数客机的ECS依靠空气循环系统来实现制冷、加温、加压等功能。空气循环制冷系统已经广泛应用于民航飞机，该系统由冷热两部分气体管路组成，两支管路气体都来自发动机压气机引气，根据不同需要，旋转空调面板温度调节旋扭到合适位置，温度控制器接到指令后，将接收到的管道温度传感器与机舱温度传感器进行比较，控制混合室的冷、热空气比例，得到合适的座舱温度。根据航空公司故障汇编手册的调查和数据统计，空气循环系统的排故和维修非常繁琐，由于维修人员对其内部工作原理缺乏深入认识，发生故障时，若只是盲目的更换部件，而不能对故障进行准确的定位，这样不仅耗费人力，增加维修成本，甚至影响飞行安全1。

系统描述飞机空气循环制冷系统的作用是使用冷却装置(涡轮冷却器和热交换器)，使高温引气冷却，形成冷路空气，主要工作原理：利用发动机引气作为供给空气，高压空气经过初级热交换器初步冷却，进入压气机，压缩成高温高压气体，然后在次级热交换器里冷却、消除压缩热，最后在冷却涡轮中膨胀降温，带动压气机工作。冷路空气温度和压力在涡轮出口得到大幅度降低，再与热路空气按一定比例混合后通向机舱。

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热介质的设备。在制冷系统中，热交换器用来冷却进入涡轮前的热空气。一般系统中，主要部分的冷却都是由热交换器来完成，因此它对空气循环系统性能有较大影响。尽管在飞机制冷系统中使用的热交换器类型较多，但总的来说，他们都属于间壁式热交换器，即热流体与冷流体间的热交换是通过分离它们的隔板热传导及隔板与流体之间的对流换热来进行的。随着有色金属、不锈钢防腐处理技术和钎焊工艺技术的提高，近年来在化工、石油化学、航空、车辆、动力机械、电子和原子能等工业部门中得到了广泛的应用。该系统采用的是板翅式热交换器，因其结构紧凑、体积小、换热效率高的优点，被认为是最有发展前途的新型热交换设备之一。

压气机和涡轮压气机是一种用机械方法把能量传给可压缩气体的装置，它的压缩比大于1.05。因此，随着压缩过程中压力和温度的变化，气体密度的变化不能被忽略，即必须将气体当作可压缩流体来处理。压气机在升压式制冷系统中，作为负荷与涡轮共同工作，压气机流出的高温高压气流，在涡轮中膨胀做功，通过轴传给压气机，再由压气机把功加给气流，使其增温增压。

在空气循环制冷系统中，从压气机引出的高温高压空气首先在热交换器中被预冷却，然后进入涡轮被进一步降温，经过涡轮冷却后的空气可直接输入座舱供冷却使用。涡轮冷却器降温基本原理是高温高压空气在其中进行膨胀，同时对外作功，由于气体内能转换成外功，故其温度和压力都必然降低，从而获得低温低压空气2。

故障仿真由于AECS统系统结构复杂，大多数部件为敏感气路控制，所以该系统故障发生率一直很高。这给飞机日常的维护和排故工作带来了很大困难。飞机故障汇编手册中数据显示，空气循环机是经常发生故障的主要部件之一，尤其是组件出口温度过高的故障，比如流量控制活门(FCV)发生故障时，会导致引气流量失去控制;热交换器发生堵塞时，会影响引气的流通面积和传热效率等;冲压空气活门(Ram AirDoor)发生故障时，冲压空气流量增大，涡轮温降就会增加，影响座舱温度调节。

总结由于空气循环系统结构复杂，设备故障原因繁多，同时维修人员对设备故障机理的经验和知识欠缺，使得维修成本增加，维修效率也降低。传统的定期维护和例行检查虽然降低了故障发生概率，但这种方法在一定程度上满足不了企业的需求，同时缺乏实时性。通过对空气循环机的各部件的工作原理进行了深入分析，建立了较准确的数学模型，同时实现了对飞机空气循环机日常维护中经常出现的故障进行了仿真研究3。