CN103017391A

CN103017391A - 大过载条件下容积式压缩机机载蒸发循环系统

Info

Publication number: CN103017391A
Application number: CN2013100228117A
Authority: CN
Inventors: 夏文庆; 吴惠祥; 朱禹; 黄辉; 侯世峰
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2013-01-22
Filing date: 2013-01-22
Publication date: 2013-04-03

Abstract

大过载条件下容积式压缩机机载蒸发循环系统，其一般性为蒸汽压缩式制冷循环，特殊性在于机载。属飞机环境控制技术领域。主要包括旋叶式压缩机、热交换设备、节流机构、管道、各种控制阀、辅助部件。该系统所使用的旋叶式压缩机具有转速高、泄露少、尺寸小、质量轻及效率高等特点。该系统的工作方法是蒸气压缩式制冷，利用制冷剂液体在气化时（蒸发时）产生的吸热效应，达到制冷目的。

Description

大过载条件下容积式压缩机机载蒸发循环系统

技术领域

本发明涉及大过载条件下容积式压缩机机载蒸发循环系统，属飞机环境控制技术领域。

背景技术

随着机载电子设备的增多，电子设备的发热功率不断增大，单一空气循环制冷已不能满足飞机总体需要。由于飞机的机动性能、隐身性能不断提高，冲压空气作为环境控制系统的热沉使用已受到严重制约，燃油成为主要热沉。这一新的趋势使环境控制系统更加复杂，制冷形式增多，而且，有必要在全机范围内进行热能的统一管理。综合环境控制/热管理系统正是在这一背景下产生的，并已在国外的先进战斗机上得到了应用。

空气循环是具有高压和低压两级除水的两轮升压式制冷系统，采用了空气动压轴承涡轮冷却器。次级热交换器用PAO(聚-α烯烃)作为冷源。蒸发循环由蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀组成。压缩机为系统的动力源，它是一个高转速、大功率、耐振动且磨损很小的设备，即使在冷凝温度很高的情况下，也容易达到所需要的高压。它采用了高压直流电机驱动，两级离心压缩，并带有空气动压轴承的结构。其中蒸发器和冷凝器是蒸发循环系统与其他子系统的耦合点。

制冷剂R134a在蒸发器中吸收冷PAO循环中冷却液的热量，在冷凝器中将热量传给PAO循环中的高温冷却液。冷却液作为载冷剂分两路独立循环，一路作为空气循环次级热交换器和蒸发循环中冷凝器的冷源，并通过PAO冷却液/燃油热交换器将热量传给燃油；另一路从蒸发循环的蒸发器获得的冷量去冷却雷达等电子设备。

燃油循环中，燃油作为冷源吸收PAO冷却液、发动机滑油循环、液压系统的热量及发动机的热负荷后，一部分去发动机燃烧，另一部分经冲压空气散热后，回到油箱进行再循环。

整个系统由空气循环、热PAO循环、蒸发循环、冷PAO循环、燃油循环、滑油循环和液压油循环七个子系统组成，并通过八个热交换器耦合在一起，实现了环境控制系统和热能管理系统地一体化。

由上可知，先进战斗机的换进控制系统的制冷量绝大多数由蒸发循环制冷系统（VCS），根据战斗机代际发展的趋势，四代机的热载荷约为三代机的2倍，下一代战斗五代机有望达到100 kW，如果未来的战斗机为无人机，所需制冷量将完全由蒸发循环制冷系统（VCS）来承担。

在早期由于蒸发循环制冷系统可靠性较差和制冷剂易泄漏未很好解决，直升机制冷系统多采用空气循环制冷系统。但随着蒸发循环制冷系统可靠性差和制冷剂泄漏等弊端得到了解决，加上它与空气循环系统相比的诸多优点，如性能系数高、代偿损失小、无发动机引气等，故现代直升机广泛采用蒸发循环制冷系统，而且具有取代空气循环制冷系统的趋势。

发明内容

本发明目的是设计一种大过载条件下容积式压缩机机载蒸发循环系统。

一种大过载条件下容积式压缩机机载蒸发循环系统，其特征在于：

该系统包括旋叶式制冷压缩机、气体冷却器、内部换热器、节流阀、蒸发器、气液分离器；其中旋叶式制冷压缩机的出口与气体冷却器的入口相连，气体冷却器的出口与内部换热器的冷边入口相连，内部换热器的冷边出口与节流阀入口相连，节流阀出口与蒸发器入口相连，蒸发器出口与气液分离器入口相连，气液分离器出口与内部换热器的热边入口相连，内部换热器的热边出口与旋叶式制冷压缩机的入口相连；

上述旋叶式制冷压缩机包括：气缸、转子轴、安装于转子轴的转子；气缸内壁近似呈椭圆形，转子与气缸为同心配置；转子与气缸内壁有两个接触点，将气缸容积划分为两个月牙形空间，每个月牙形空间都设有吸气孔口和排气阀；上述滑道内还安装有弹簧，弹簧一端与滑道底端相连，另一端与滑片相连。

旋叶式压缩机与滑片式压缩机的最大区别是转子与气缸是同心配置，转子完全平衡，所以转速可以很高，最高转速可达9000r/ min 。提高转速后可以使泄漏减少，也使机器的尺寸和质量减小。由于滑片是斜置，使滑片上端部与气缸内壁间的摩擦力及滑片两侧与槽间的摩擦力减小，故旋叶式压缩机的效率也提高了。

相同输气量下普通的滑片式与旋叶式压缩机性能曲线的比较，以三片旋叶式为例，在1800r /min时，三片旋叶式的容积效率提高11%，能耗降低4%，COP值提高15%。另外，旋叶式对工质的适应性很好，采用R134a制冷剂后其优点更为突出。

另外由于飞机在空中飞行的过程中，压缩机会承受相当大的过载，在这种情况下，由于惯性力的作用，很可能造成旋叶式压缩机的滑片脱离转子上的滑道，从而造成失效。因此，在每个滑片和转子之间加装弹簧，使弹簧在最坏的情况下承受9G的过载。通过弹簧将转子与滑片连接起来，能够有效防止在大过载条件下压缩机受到惯性力的作用而导致的失效。

附图说明

附图1为旋叶式制冷压缩机的侧视结构图；

附图2为旋叶式制冷压缩机的正视结构图；

附图3为机载蒸发循环制冷原理图；

图中各编号的名称为：1—气缸 2—转子 3—滑片 4—排气阀 5—弹簧 6—前轴承 7—前端盖 8—轴封 9—挡圈 10—圆柱销 11—偏销 12—后轴承 13—油分离器 14—滤网 15—单向阀缸体 16—O型圈 17—转子轴18—旋叶式制冷压缩机 19—气体冷却器 20—内部换热器 21—节流阀 22—蒸发器 23—气液分离器。

具体实施方式

首先结合图1、图2说明本发明涉及的旋叶式制冷压缩机的结构：它主要部件有气缸、转子、滑片和前后端盖(或称前后轴承座)。从附图中看出，气缸内壁近似呈椭圆形，转子与气缸为同心配置(不是偏心转子)，转子上装有五片倾斜配置的铝制滑片，滑片在转子槽中可以做往复运动。转子与气缸内壁有两个接触点，将气缸容积划分为两个月牙形空间，每个月牙形空间都设有吸气孔口和排气阀，因此气缸是双作用形式。

旋叶式压缩机中转子旋转后滑片在离心力作用下甩出，使其滑片上端部紧贴气缸内壁，使月牙形空间又被分隔成若干扇形空间，这就是旋叶式压缩机的基元容积。随着转子的旋转，每个基元容积完成吸气、压缩和排气过程，转子旋转一周，基元容积完成两次吸气、压缩和排气过程，图中转子旋转一周可以实现十次吸、排气及压缩过程。

蒸发循环制冷是利用制冷剂液体在气化时（蒸发时）产生的吸热效应，达到制冷目的。冷凝液体首先进入蒸发器，在低压（低温）下蒸发，成为低压蒸气；之后进入气液分离器进行气体和液体的分离；然后低压蒸气经过内部换热器，使其冷却；再经过旋叶式压缩机的压缩，使该低压蒸气提高压在普通高压蒸气；然后经过气体冷却器的冷却，使其成为高压液体；之后高压液体通过内部换热器，对从气液分离器出来的低压蒸气进行冷却；最后通过节流阀，使高压液体降低压力重新变为低压液体，然后进入蒸发器开始下一次循环。

Claims

1.一种大过载条件下容积式压缩机机载蒸发循环系统，其特征在于：

该系统包括旋叶式制冷压缩机（18）、气体冷却器（19）、内部换热器（20）、节流阀（21）、蒸发器（22）、气液分离器（23）；其中旋叶式制冷压缩机（18）的出口与气体冷却器（19）的入口相连，气体冷却器（19）的出口与内部换热器（20）的冷边入口相连，内部换热器（20）的冷边出口与节流阀（21）入口相连，节流阀（21）出口与蒸发器（22）入口相连，蒸发器（22）出口与气液分离器（23）入口相连，气液分离器（23）出口与内部换热器（20）的热边入口相连，内部换热器（20）的热边出口与旋叶式制冷压缩机（18）的入口相连；

上述旋叶式制冷压缩机包括：气缸（1）、转子轴（17）、安装于转子轴（17）的转子（2）；气缸(1)内壁近似呈椭圆形，转子(2)与气缸为同心配置；转子与气缸内壁有两个接触点，将气缸容积划分为两个月牙形空间，每个月牙形空间都设有吸气孔口和排气阀（4）；上述滑道内还安装有弹簧（5），弹簧一端与滑道底端相连，另一端与滑片(3)相连。