機(jī)載制冷系統(tǒng)故障及優(yōu)化措施范文

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隨著直升機(jī)行業(yè)的快速蓬勃發(fā)展，機(jī)組人員對直升機(jī)艙內(nèi)的安全舒適環(huán)境提出了越來越高的要求，特別是艙內(nèi)制冷系統(tǒng)。20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)的蒸發(fā)循環(huán)制冷技術(shù)還不太成熟，直升機(jī)大都借鑒固定翼飛機(jī)普遍采用的空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)，這種技術(shù)最大的弊端在于對飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有較大影響。尤其對于我國，發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)本身比先進(jìn)國家就存在較大差距，所以對此問題就更為敏感。到了20世紀(jì)80年代，機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)制冷技術(shù)取得了突破，歐美、蘇聯(lián)的軍用直升機(jī)紛紛采用了蒸發(fā)循環(huán)的機(jī)載制冷系統(tǒng)。與空氣循環(huán)技術(shù)相比，蒸發(fā)循環(huán)制冷技術(shù)具有制冷能力強(qiáng)、能效比高、（無發(fā)動(dòng)機(jī)引氣）不影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能等優(yōu)點(diǎn)。尤其是在直升機(jī)懸停狀態(tài)，蒸發(fā)循環(huán)制冷效果顯著優(yōu)于空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)。因此蒸發(fā)循環(huán)制冷技術(shù)能夠很好的滿足現(xiàn)代直升機(jī)艙內(nèi)日益增大的熱載荷的冷卻要求。隨著蒸發(fā)循環(huán)制冷技術(shù)在直升機(jī)上大規(guī)模應(yīng)用，暴露出的問題也越來越多。某型直升機(jī)駕駛艙制冷系統(tǒng)采用蒸發(fā)循環(huán)制冷，其在試飛過程中出現(xiàn)壓縮機(jī)過流保護(hù)，同時(shí)壓縮機(jī)出氣管出現(xiàn)脫管現(xiàn)象，造成蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)無法正常使用。由于試飛環(huán)境比較惡劣，駕駛艙內(nèi)經(jīng)常達(dá)到50℃以上，蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)故障嚴(yán)重影響機(jī)組人員的工作效率，乃至影響飛行安全。制冷系統(tǒng)組成及工作原理該直升機(jī)駕駛艙制冷系統(tǒng)采用蒸發(fā)循環(huán)制冷，主要由壓縮機(jī)、冷凝器組件、蒸發(fā)器組件、制冷電控盒、制冷操縱盒、制冷劑管路、支架和制冷劑等組成。系統(tǒng)工作時(shí)，壓縮機(jī)抽吸蒸發(fā)器出口的低溫低壓制冷劑蒸汽，將其壓縮至高溫高壓的氣體，并排至冷凝器；該高溫高壓制冷劑氣體在冷凝器中被風(fēng)機(jī)抽吸的外界大氣冷卻，冷凝成溫度和壓力較高的液體，然后經(jīng)儲(chǔ)液器進(jìn)入膨脹閥節(jié)流膨脹，溫度和壓力急劇下降，變?yōu)橐环N低溫氣液混合物；該混合物流入蒸發(fā)器，與蒸發(fā)風(fēng)機(jī)抽吸的駕駛艙暖濕空氣進(jìn)行熱交換，吸熱蒸發(fā)變成低壓蒸汽，重新回到壓縮機(jī)中，完成一個(gè)循環(huán)。同時(shí)暖濕空氣在蒸發(fā)器中放熱冷卻，通過聯(lián)動(dòng)出風(fēng)口供給駕駛艙制冷，如圖1所示。當(dāng)系統(tǒng)處于制冷工作狀態(tài)，若除霜溫度傳感器感受蒸發(fā)器組件出風(fēng)溫度≤1℃，則壓縮機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)停止工作，系統(tǒng)進(jìn)入除霜模式；當(dāng)除霜溫度傳感器感受蒸發(fā)器組件出風(fēng)溫度＞3℃且已進(jìn)入除霜狀態(tài)3分鐘以上，系統(tǒng)退出除霜模式，回到制冷模式。

故障定位

及機(jī)理分析該直升機(jī)試飛過程中，制冷操縱盒報(bào)壓縮機(jī)過流故障，蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)無法正常工作。直升機(jī)降落后，經(jīng)機(jī)務(wù)人員檢查發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)排氣管與壓縮機(jī)鋼套脫開。故障定位首先，對蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)進(jìn)行分解處理，用量杯測量從壓縮機(jī)回氣端排出的潤滑油量約為7ml，正常情況排出的潤滑油量應(yīng)大于100ml，可見壓縮機(jī)內(nèi)部潤滑油量不足。而壓縮機(jī)內(nèi)的潤滑油量過少會(huì)引起壓縮機(jī)電機(jī)摩擦增大、溫度升高、壓縮機(jī)電流增大，因此可確認(rèn)壓縮機(jī)回油不好是造成壓縮機(jī)過流故障過流的一個(gè)因素。其次，通過查看直升機(jī)飛參數(shù)據(jù)及聽取飛行員的試飛情況描述，可確認(rèn)直升機(jī)在飛行過程中多次出現(xiàn)制冷系統(tǒng)出風(fēng)溫度升高，駕駛艙艙內(nèi)溫度升高現(xiàn)象，制冷操縱盒報(bào)壓縮機(jī)過流故障，重新開啟制冷系統(tǒng)后，制冷系統(tǒng)能夠工作正常，出風(fēng)口有涼風(fēng)。通過分析可知，制冷系統(tǒng)在工作過程中，蒸發(fā)器表面可能出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。蒸發(fā)器表面結(jié)霜后，其換熱效率嚴(yán)重下降，導(dǎo)致蒸發(fā)器無法對駕駛艙內(nèi)熱空氣進(jìn)行正常換熱，出風(fēng)溫度隨著結(jié)霜加劇而逐漸升高。重新啟動(dòng)制冷系統(tǒng)時(shí)，壓縮機(jī)啟動(dòng)會(huì)有3分鐘延時(shí)，此時(shí)蒸發(fā)器表面霜層會(huì)迅速融化，霜層融化后制冷系統(tǒng)會(huì)恢復(fù)正常工作，后續(xù)會(huì)出現(xiàn)反復(fù)現(xiàn)象。此過程與飛參數(shù)據(jù)及飛行員描述對應(yīng)，因而可確認(rèn)制冷系統(tǒng)在工作過程中出現(xiàn)了結(jié)霜情況。從上述制冷系統(tǒng)工作原理可知，制冷系統(tǒng)初始結(jié)霜時(shí)，蒸發(fā)器出風(fēng)溫度會(huì)降至1℃，除霜傳感器通過感受出風(fēng)溫度將信號(hào)傳送給制冷操縱盒，制冷操縱盒控制制冷系統(tǒng)進(jìn)入除霜模式，此時(shí)壓縮機(jī)和冷凝風(fēng)機(jī)停止工作。若蒸發(fā)器內(nèi)除霜傳感器位置安裝不當(dāng)，將會(huì)造成傳感器無法真實(shí)反饋出風(fēng)溫度值，制冷操縱盒無法接收除霜信號(hào)，制冷系統(tǒng)無法進(jìn)入除霜模式。最后，通過查看飛參數(shù)據(jù)可知，制冷系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)直升機(jī)飛行高度在約為1600m，機(jī)外大氣溫度19℃，制冷系統(tǒng)在此環(huán)境下工作，冷凝器換熱效率高，冷凝溫度會(huì)下降，蒸發(fā)壓力與溫度伴隨下降，當(dāng)制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器表面溫度低于0℃時(shí)，蒸發(fā)器表面凝結(jié)的液態(tài)水滴會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜情況，若結(jié)霜后未及時(shí)進(jìn)行除霜保護(hù)，會(huì)造成蒸發(fā)器蒸發(fā)壓力下降，膨脹閥開度變小，制冷劑回氣流速降低，造成潤滑油不能及時(shí)返回壓縮機(jī)，壓縮機(jī)潤滑不良，內(nèi)部溫度快速升高，壓縮機(jī)電流急劇增大直至過流。同時(shí)，由于潤滑不良造成電機(jī)發(fā)熱量增大，壓縮機(jī)殼體溫度過高，過高的溫度通過排氣壓板及鋁管傳至壓縮機(jī)排氣管路，造成該處制冷劑管路變質(zhì)，鋼套及制冷劑管路脫開。因此，可斷定蒸發(fā)器內(nèi)的除霜傳感器位置布置不當(dāng)，制冷系統(tǒng)無法進(jìn)入除霜模式，導(dǎo)致壓縮機(jī)回油不好，潤滑不良，發(fā)熱量增大，殼體溫度過高，造成壓縮機(jī)過流故障和制冷劑管路脫開。

機(jī)理分析

制冷系統(tǒng)工作時(shí)，若室外溫度過低，冷凝器換熱效率提高，冷凝溫度降低，蒸發(fā)溫度降低，如果蒸發(fā)器溫度低于0℃，在冷卻濕熱空氣時(shí)，空氣中的水蒸氣會(huì)在蒸發(fā)器芯體低于0℃的區(qū)域凝結(jié)成冰，形成霜層。結(jié)霜后蒸發(fā)器芯體的翅片間隙被冰霜覆蓋，使得駕駛艙內(nèi)循環(huán)風(fēng)在吹過蒸發(fā)器芯體時(shí)受阻，且換熱效率嚴(yán)重下降，艙內(nèi)溫度無法降低。因此，會(huì)出現(xiàn)出風(fēng)溫度升高，駕駛艙溫度升高現(xiàn)象，重新開啟制冷系統(tǒng)后，由于再次啟動(dòng)壓縮機(jī)有三分鐘延時(shí)，霜層會(huì)融化，制冷系統(tǒng)重新正常工作。除霜傳感器采集的溫度為蒸發(fā)器出風(fēng)溫度，若位置布置不當(dāng)會(huì)造成結(jié)霜時(shí)采集出風(fēng)溫度偏高，制冷系統(tǒng)無法進(jìn)入除霜模式。蒸發(fā)器長時(shí)間結(jié)霜不僅會(huì)造成制冷效果的下降，同時(shí)結(jié)霜時(shí)制冷系統(tǒng)蒸發(fā)壓力過低，膨脹閥開度變小，回氣流速降低，造成系統(tǒng)潤滑油不能及時(shí)返回壓縮機(jī)，壓縮機(jī)潤滑不良，殼體溫度升高，殼體將溫度傳至排氣鋁管，當(dāng)鋁管溫度升高至制冷劑管路耐溫極限時(shí)，造成與鋁管相連的制冷劑管路變質(zhì)，制冷劑管路與鋼套扣壓部位松脫。同時(shí)，壓縮機(jī)潤滑不良也會(huì)導(dǎo)致電機(jī)負(fù)荷加重，壓縮機(jī)電流過大，當(dāng)電流超過23A時(shí)，制冷操縱盒報(bào)壓縮機(jī)過流故障并切斷制冷系統(tǒng)電源。優(yōu)化改進(jìn)及試驗(yàn)驗(yàn)證

優(yōu)化改進(jìn)

根據(jù)上述故障機(jī)理分析，壓縮機(jī)過流故障及出氣管出現(xiàn)脫管現(xiàn)象是由于除霜傳感器布置不當(dāng)造成。除霜傳感器布置在蒸發(fā)器內(nèi)部，以便采集蒸發(fā)器出風(fēng)溫度，而蒸發(fā)器中蒸發(fā)風(fēng)機(jī)采用的是吸風(fēng)方式，因而除霜傳感器位置不同受氣流影響后采集的溫度也會(huì)不同。通過仿真蒸發(fā)器內(nèi)部空氣流場及制冷系統(tǒng)地面試驗(yàn)，最終確認(rèn)蒸發(fā)器內(nèi)部除霜傳感器位置，如圖3所示（原除霜傳感器位置如圖2所示）。除霜傳感器位置改進(jìn)后，在地面不同工況下進(jìn)行測試，當(dāng)蒸發(fā)器出現(xiàn)輕微結(jié)霜時(shí)，制冷系統(tǒng)均能進(jìn)入除霜模式，壓縮機(jī)和冷凝風(fēng)機(jī)停機(jī)，滿足制冷系統(tǒng)的工作要求。

制冷劑管路耐高溫試驗(yàn)驗(yàn)證

首先驗(yàn)證制冷劑管路的耐高溫性能，對其進(jìn)行高溫試驗(yàn)。選用與機(jī)上相同規(guī)格的制冷劑管路（固特異48901/2），將其放入烘箱中，烘箱初始溫度為120℃，保持2小時(shí)，觀察并使用尖嘴鉗檢查制冷劑管路變質(zhì)情況，然后每次升高10℃，保持2小時(shí)，并觀察制冷劑管路狀況，當(dāng)溫度升高至150℃時(shí)，開始出現(xiàn)異味，繼續(xù)升高至160℃時(shí)，制冷劑管路出現(xiàn)變質(zhì)、變脆現(xiàn)象。因此可確認(rèn)制冷劑管路工作溫度不超過150℃，否則會(huì)脆化變質(zhì)脫開。其次檢測制冷系統(tǒng)在不同工況下工作時(shí)，壓縮機(jī)排氣側(cè)殼體溫度與排氣管溫度能否達(dá)到150℃。選取制冷系統(tǒng)最惡劣工況：室內(nèi)側(cè)60℃，室外側(cè)60℃，同時(shí)監(jiān)測壓縮機(jī)的殼體溫度、排氣管溫度和壓縮機(jī)運(yùn)行電流情況。經(jīng)試驗(yàn)，檢測到壓縮機(jī)殼體溫度最高值為133℃，壓縮機(jī)排氣管溫度最高值為131℃，壓縮機(jī)工作電流最高值為22A。因此可知，制冷劑管路的耐高溫性能滿足制冷系統(tǒng)惡劣工況時(shí)的使用要求，且壓縮機(jī)工作電流滿足機(jī)上要求。

機(jī)上試驗(yàn)驗(yàn)證

改進(jìn)后的制冷系統(tǒng)重新裝機(jī)，經(jīng)過地面與空中使用驗(yàn)證表明，制冷系統(tǒng)正常工作，當(dāng)外界環(huán)境溫度較低時(shí)，能夠進(jìn)入除霜模式，且3分鐘后重新進(jìn)入制冷模式，滿足試飛人員的使用要求。

結(jié)語

首先，根據(jù)該型直升機(jī)駕駛艙制冷系統(tǒng)在試飛過程中出現(xiàn)壓縮機(jī)過流故障的情況，對該制冷系統(tǒng)進(jìn)行深入理論分析與研究，確定故障的根本原因?yàn)橹评湎到y(tǒng)除霜傳感器布置不當(dāng)；其次，根據(jù)故障機(jī)理分析的結(jié)果，對制冷系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)地模擬仿真與地面試驗(yàn)，確認(rèn)了制冷系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)的具體措施；最后，改進(jìn)后的制冷系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)上試飛驗(yàn)證，并對制冷劑管路進(jìn)行耐高溫試驗(yàn)，證明改進(jìn)后的制冷系統(tǒng)在試飛過程中能夠正常工作，滿足機(jī)組人員的使用要求，制冷劑管路滿足制冷系統(tǒng)的耐高溫要求。上述制冷系統(tǒng)故障解決過程累積了一定工程經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)其他機(jī)載制冷系統(tǒng)除霜溫度傳感器的布局提供良好的借鑒，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

作者：張洋 單位：航空工業(yè)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所