环控系统减少引气量和降低燃油代偿损失研究

宁换利，华 浪，刘永安

（中航工业洪都，江西 南昌330024）

0 引言

飞机环控系统的任务就是在各种飞行条件下，满足飞机座舱的加热、制冷、通风、增压的要求，保证飞机在各种飞行状态和飞行条件下， 座舱有良好的空气参数，为飞行员提供正常的工作环境。

目前大多数飞机使用发动机压气机作为环境控制系统的气源， 引气所损失的发动机推力或功率通常为5%左右， 对于高推重比的发动机推力损失更大，燃油代偿损伤也大，而另一方面从发动机引出的气体压力和温度又大于系统要求， 在使用时又要想法来降低它，造成了能量的重复浪费。 因此，都在探索如何减少引气量及降低燃油代偿损失。

1 从发动机引气引起的燃油代偿损失估算

当从发动机压气机引气时， 减少了通过涡轮的流量，从而降低了转速和推力，为了使其不变，可在涡轮入口处补充加热，使其温度从T3提高到T′3，为此需增加附加的燃油消耗量qf·b1，当从压气机末级引气时，该值对涡轮喷气发动机可表示为

对从中间级引气以及从涡轮风扇、 涡轮螺桨发动机引气和发动机采用其他调节规律的qf·b1表达式，可参考有关文献。

从发动机压气机引气所引起的燃油代偿损失可表示为

以某高级教练机为例， 根据发动机高度-速度数学模型计算可知， 引气量从400kg/h上升到800kg/h时， 发动机每小时燃油的消耗量将增加10kg， 以飞机的全寿命10000飞行小时计算， 仅发动机引气量下降一项就将节约燃油100吨， 能源节约量非常可观。

2 主要方法探讨

从飞机环境控制系统发展历程可知， 各国都十分重视环境控制系统减少引气量及降低燃油代偿损失的研究。

2.1 成熟技术

目前飞机上广泛采用比较成熟的技术有：

1) 高压除水环境控制系统， 西方国家多采用升压式高压除水系统， 在系统中采用高压除水技术，降低了涡轮冷却器的出口气流温度，这样可以大大减少从发动机的引气量，以BAE-146旅客机为例，由于采用了高压除水系统，使引气量几乎减少了一半。

2)采用两级引气方案

在飞机上过去多采用一级引气， 现在逐渐发展成为两级引气，如波音747、K8E教练机等均采用两级引气。 在大多数飞行情况下从中压级引气，当引气压力不足时，才使用高压级引气。 用两级引气，可以减小由于引气而引起的发动机功率损失， 降低燃油消耗量，提高经济性。

3) 合理利用座舱排气， 从座舱排出的空气温度一般低于35度，对这部分流量大、温度不高的空气加以充分利用。 将一部分排气作为座舱再循环空气，以改善座舱的温度场，减少温度梯度；将座舱排气通往设备舱，作为电子－电气设备冷却之用；在超声速飞机上，可以作为再生热交换器的冷源，

另外，还有采用蒸发循环系统、优选增压源、系统自身减重、减少冲压空气引入量等，这些措施都可以直接或间接的降低环控系统引气量和降低燃油代偿损失。

2.2 发展趋势

2.2.1 采用闭式循环制冷系统

目前大多数飞机环境控制系统采用开放式空气循环系统， 开放式空气循环系统重量轻， 结构也简单，但飞机性能的代偿损失大。

闭式空气循环系统是空气在系统的封闭体内进行循环，除了泄漏外它不排出机外。 闭式空气循环制冷系统的原理如图1所示，该系统由与压缩器及膨胀器串联在一起的两个传热部件组成， 工作介质为空气，工作过程为：由外部轴功驱动同轴的压缩器和膨胀器， 空气进入压缩器压缩， 然后通过热交换器冷却，再由膨胀器进一步膨胀降温，冷却后的空气经水分离器后进入座舱或设备舱， 吸收热量后再次进入压缩器，完成一个循环。

这种方案的优点是把发动机的引气量限制到仅仅是为了补偿管道和座舱的泄漏， 以及为飞行员提供新鲜空气的数量， 可以直接减少发动机引气降低燃油代偿损失降低。

表1是采用系统起飞总重法对开放式空气循环和闭式循环制冷系统进行的性能比较。

从表1得出，由发动机引气引起的燃油代偿损失在整个起飞总重量中所占比例最大， 即在该系统中发动机引气量对飞机的性能损失最大； 而闭式空气循环系统使用由发动机输出功所引起的燃油代偿损失在起飞总重量中所占比例很小， 其燃油代偿损失也大大降低。

闭式环控系统对飞机燃油代偿损失有较大改善， 如何解决动力源问题是闭式环控系统所面临的关键问题之一， 空气闭式循环可采用动力涡轮驱动的空气循环机或高速电动机驱动的空气循环机构成闭式循环系统。

表1 制冷量均为5.5kw的2种制冷系统燃油代偿损失比较

2.2.2 考虑载荷因子的环控系统

对于大部分环控系统来说，引气量由热载荷确定。

一般在环控系统设计时先计算出各个典型状态的热载荷，从中确定出热载荷最大状态作为设计点，再按设计点进行系统计算确定需要的发动机引气量，确定好引气量后，各状态都按这个引气量进行引气， 这样系统在各个不同的状态点都是相同的引气量，在系统热载荷低的时候，系统的引气量就会大于实际需求的供气量， 造成发动机引气中有一部分被浪费。

考虑载荷因子系统的优点是根据热载荷的不同对应不同的发动机引气量， 而不是一个不变的引气量，就可以最大限度的避免这种浪费，从而降低发动机的引气。

从表2可以看出，飞机在不同的高度、速度、气候条件下，座舱热载荷相差非常大，由此对应所需的供气制冷量也就有极大的区别。 通过对这个系统计算可以得出，要满足基本的制冷量要求，所需要的气流量最大和最小值分别为800kg/h和40kg/h。 可以看出按不同的热载荷确定引气量， 低热载荷的情况下系统所需的引气量远远低于高热载荷时所需的引气量。 当然在低热载荷时，除了考虑制冷量外还需要考虑新鲜空气的通入量， 因此在低热载荷时所需的引气量需要有一个满足最低新鲜空气通入量的最低引气标准。

表2 某机型热载荷计算列表

图2是一个考虑了载荷因子的环控系统，将飞机在不同的条件下所对应的热载荷输入到载荷因子选择器中，根据飞机所处的飞行高度、速度、外界气候条件选择对应的载荷因子， 再根据座舱温度匹配对应所需的引气流量，对系统引气流量进行控制，引气气流经制冷组件制冷后通向座舱， 途中与再循环空气混合，循环空气的量则根据引气量确定。

考虑载荷因子的环控系统有两个难点：

图2 载荷因子的环控系统

1）引气量的控制。在一般环控系统中，控制引气流量的方法是使用文氏管的限流作用， 在其前面设置一个绝对压力控制装置， 使引气流量为一个固定值。 而考虑载荷因子的环控系统需要的是引气流量可控变化，即可以随需要定量控制引气流量大小。 现在常用的调节流量的方法，如节流法、放气法等只能大概的控制气体流量而无法达到定量控制的要求。

2）载荷因子的具体确定。 引起载荷因子变化的变量有飞机飞行速度、飞行高度、舱外气温、太阳辐射等， 在系统中需要对这些数据进行实时的采集和分析。 飞机飞行速度、高度数据可以从飞机上已有设备中直接获得，舱外气温的数据也比较容易获得。 而太阳辐射强度的数据采集则需要增加专门的太阳辐射测量设备。

考虑载荷因子的环控系统在解决了上述具体问题后，就可以在实际应用中得到实施，这种技术的实施将可以使飞机的整体性能得到提升。

3 结语

随着能源问题越来越突出， 以及对飞机全寿命周期费用的重视， 降低环控系统燃油代偿损失显得越来越重要，对环控系统在经济性、可靠性等方面都提出了高要求， 减少引气或完全不从飞机发动机引气就成为飞机环控系统今后的发展方向。

[1]寿荣中，何慧姗.飞行器环境控制.北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[2]雷世豪.飞机设计手册第15册. 生命保障和环控系统设计[M].北京：航空工业出版社，1999.