空氣循環(huán)機(jī)熱交換器

熱交換器是把熱量從一種載熱介質(zhì)傳遞給另一種熱介質(zhì)的設(shè)備。在制冷系統(tǒng)中，熱交換器用來冷卻進(jìn)入渦輪前的熱空氣。一般系統(tǒng)中，主要部分的冷卻都是由熱交換器來完成，因此它對(duì)空氣循環(huán)系統(tǒng)性能有較大影響。盡管在飛機(jī)制冷系統(tǒng)中使用的熱交換器類型較多，但總的來說，他們都屬于間壁式熱交換器，即熱流體與冷流體間的熱交換是通過分離它們的隔板熱傳導(dǎo)及隔板與流體之間的對(duì)流換熱來進(jìn)行的。隨著有色金屬、不銹鋼防腐處理技術(shù)和釬焊工藝技術(shù)的提高，近年來在化工、石油化學(xué)、航空、車輛、動(dòng)力機(jī)械、電子和原子能等工業(yè)部門中得到了廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)采用的是板翅式熱交換器，因其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、換熱效率高的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的新型熱交換設(shè)備之一。

飛機(jī)空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)的作用是使用冷卻裝置(渦輪冷卻器和熱交換器)，使高溫引氣冷卻，形成冷路空氣，主要工作原理：利用發(fā)動(dòng)機(jī)引氣作為供給空氣，高壓空氣經(jīng)過初級(jí)熱交換器初步冷卻，進(jìn)入壓氣機(jī)，壓縮成高溫高壓氣體，然后在次級(jí)熱交換器里冷卻、消除壓縮熱，最后在冷卻渦輪中膨脹降溫，帶動(dòng)壓氣機(jī)工作。冷路空氣溫度和壓力在渦輪出口得到大幅度降低，再與熱路空氣按一定比例混合后通向機(jī)艙。

飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)(Aircraft Environmental Control Sys-tem, ACES)是保證在各種飛行狀態(tài)下飛機(jī)座艙和設(shè)備艙內(nèi)具有乘員和設(shè)備正常工作所需要適當(dāng)條件的整套裝置，隨著航空工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和民航客機(jī)的現(xiàn)代化、大型化，AECS的地位日趨重要，設(shè)備更加完善。一個(gè)良好的座艙環(huán)境，不僅關(guān)系到機(jī)上人員的生命安全，舒適的座艙條件還可以提高旅客的上座率。在AECS中的溫度調(diào)節(jié)部分主要是指加溫和制冷兩大部分，在設(shè)計(jì)和安排座艙溫度調(diào)節(jié)時(shí)，卻著重考慮制冷系統(tǒng)，因?yàn)橹评湎到y(tǒng)的主要附件和系統(tǒng)的工作原理，對(duì)整個(gè)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有重要意義。大多數(shù)客機(jī)的ECS依靠空氣循環(huán)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)制冷、加溫、加壓等功能?？諝庋h(huán)制冷系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于民航飛機(jī)，該系統(tǒng)由冷熱兩部分氣體管路組成，兩支管路氣體都來自發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)引氣，根據(jù)不同需要，旋轉(zhuǎn)空調(diào)面板溫度調(diào)節(jié)旋扭到合適位置，溫度控制器接到指令后，將接收到的管道溫度傳感器與機(jī)艙溫度傳感器進(jìn)行比較，控制混合室的冷、熱空氣比例，得到合適的座艙溫度。根據(jù)航空公司故障匯編手冊(cè)的調(diào)查和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，空氣循環(huán)系統(tǒng)的排故和維修非常繁瑣，由于維修人員對(duì)其內(nèi)部工作原理缺乏深入認(rèn)識(shí)，發(fā)生故障時(shí)，若只是盲目的更換部件，而不能對(duì)故障進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，這樣不僅耗費(fèi)人力，增加維修成本，甚至影響飛行安全 。

壓氣機(jī)是一種用機(jī)械方法把能量傳給可壓縮氣體的裝置，它的壓縮比大于1.05。因此，隨著壓縮過程中壓力和溫度的變化，氣體密度的變化不能被忽略，即必須將氣體當(dāng)作可壓縮流體來處理。壓氣機(jī)在升壓式制冷系統(tǒng)中，作為負(fù)荷與渦輪共同工作，壓氣機(jī)流出的高溫高壓氣流，在渦輪中膨脹做功，通過軸傳給壓氣機(jī)，再由壓氣機(jī)把功加給氣流，使其增溫增壓。

在空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)中，從壓氣機(jī)引出的高溫高壓空氣首先在熱交換器中被預(yù)冷卻，然后進(jìn)入渦輪被進(jìn)一步降溫，經(jīng)過渦輪冷卻后的空氣可直接輸入座艙供冷卻使用。渦輪冷卻器降溫基本原理是高溫高壓空氣在其中進(jìn)行膨脹，同時(shí)對(duì)外作功，由于氣體內(nèi)能轉(zhuǎn)換成外功，故其溫度和壓力都必然降低，從而獲得低溫低壓空氣 。

由于AECS統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大多數(shù)部件為敏感氣路控制，所以該系統(tǒng)故障發(fā)生率一直很高。這給飛機(jī)日常的維護(hù)和排故工作帶來了很大困難。飛機(jī)故障匯編手冊(cè)中數(shù)據(jù)顯示，空氣循環(huán)機(jī)是經(jīng)常發(fā)生故障的主要部件之一，尤其是組件出口溫度過高的故障，比如流量控制活門(FCV)發(fā)生故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致引氣流量失去控制;熱交換器發(fā)生堵塞時(shí)，會(huì)影響引氣的流通面積和傳熱效率等;沖壓空氣活門(Ram AirDoor)發(fā)生故障時(shí)，沖壓空氣流量增大，渦輪溫降就會(huì)增加，影響座艙溫度調(diào)節(jié)。

由于空氣循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備故障原因繁多，同時(shí)維修人員對(duì)設(shè)備故障機(jī)理的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)欠缺，使得維修成本增加，維修效率也降低。傳統(tǒng)的定期維護(hù)和例行檢查雖然降低了故障發(fā)生概率，但這種方法在一定程度上滿足不了企業(yè)的需求，同時(shí)缺乏實(shí)時(shí)性。通過對(duì)空氣循環(huán)機(jī)的各部件的工作原理進(jìn)行了深入分析，建立了較準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛機(jī)空氣循環(huán)機(jī)日常維護(hù)中經(jīng)常出現(xiàn)的故障進(jìn)行了仿真研究 。

渦輪增壓器空氣循環(huán)閥，它由端蓋、空氣循環(huán)閥定位支架、空氣循環(huán)閥膜片、彈簧座、彈簧和安裝在端蓋上的氣嘴組成，彈簧、彈簧座、空氣循環(huán)閥膜片和空氣循環(huán)閥定位支架依次安裝在端蓋內(nèi)，彈簧的一端與端蓋的內(nèi)端面接觸，另一端頂在彈簧座的內(nèi)端面，空氣循環(huán)閥膜片安裝在彈簧座的外端面上，空氣循環(huán)閥定位支架壓在空氣循環(huán)閥膜片上。

在空氣循環(huán)閥膜片與空氣循環(huán)閥定位支架接觸的密封端面上設(shè)有一圈圓弧形的凸臺(tái)。在空氣循環(huán)閥定位支架的圓周上設(shè)有一圈復(fù)數(shù)個(gè)氣流孔，氣流孔均勻地布置在空氣循環(huán)閥定位支架的圓周上?？諝庋h(huán)閥通過螺栓安裝在壓氣機(jī)氣體出口處，空氣循環(huán)閥定位支架在彈簧的作用下頂在壓氣機(jī)氣體出口處。

利用空氣循環(huán)閥（ACV）是一種出現(xiàn)很長(zhǎng)時(shí)間的方法。這種方法目前仍在發(fā)展階段，并且可能對(duì)換氣過程實(shí)現(xiàn)自由、靈活的控制。在進(jìn)氣歧管的集氣室與進(jìn)氣門之間的每個(gè)歧管內(nèi)均采用一個(gè)快速開關(guān)閥。由于此空氣循環(huán)閥采用靈活的電磁控制，所以比使用傳統(tǒng)的機(jī)械式配氣機(jī)構(gòu)控制的換氣過程更加靈活。因而，在定時(shí)控制和因此而導(dǎo)致的熱力學(xué)潛力方面，無需對(duì)氣缸蓋機(jī)構(gòu)和燃燒室的幾何形狀進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，便能夠在很大程度上獲得機(jī)電式配氣機(jī)構(gòu)的特性。 2100433B