多电飞机电动环境控制系统关键技术研究
多电飞机电动环境控制系统关键技术研究
Rescarch of Key Technology for the More Electrical Aircraft Electric Environmental Control System
作者: 孟繁鑫 王瑞琪 高赞军 郑文远 胡文超
摘要：摘要：本文介绍了民用飞机经济性、环保性等技术发展需求，指出了机载机电系统的多电化发展方向，分析了电动环境控制系统的技术优势及国内外发展现状，阐述了座舱增压、空调制冷、蒸发循环制冷、辅助液体冷却等电动环境控制关键技术，为国内宽体客机环境控制系统方案论证、研制提供技术支撑。
关键词：关键词：多电飞机；宽体客机；电动环境控制系统；环控系统；空气管理；热管理
Meng Fanxin*，Wang Ruiqi，Gao Zanjun，Zheng Wenyuan，Hu Wenchao
Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Aero Electromechanical System Integration, Nanjing Engineering Institute of Aircraft Systems, Nanjing 211106, China
Abstract: The features of economic and environmental protection about civil aircraft were introduced. The development direction of airborne eletromechanical system was pointed out on more electrical aircraft. The technological advantages and development status of electrical environmental control system were analyzed. The key technologies of electrical environmental control were described，such as cabin pressurization，air conditioning refrigeration，evaporation cycle refrigeration and supplemental liquid cooling. It is very helpful to provide technical support for the environmental control system development for wide-body civil aircraft in China.
Key Words: more electrical aircraft；wide-body civil ai rcraft；electrical environmental control system；environmental control system；air management；thermal management
Received: 2017-12-06；Revised: 2017-12-18；Accepted: 2018-01-04
*Corresponding author.Tel.: 13770739661 E-mail: sunsky170@163.com
民用飞机产业是战略性高科技产业，是国家科技创新能力、工业水平和综合国力的重要标志之一。开展大型客机及机载系统研制，对于转变经济增长方式、带动科技发展、增强国家综合实力等具有重大意义。随着民用飞机技术革新，现代大型客机向着更安全、更经济、更舒适、更环保的方向发展，未来民用飞机对于直接运营成本、技术性能、舒适性、废气排放等方面要求日益提高。
1 技术背景
民用飞机运营成本与飞机燃油价格息息相关。近年来，随着国际原油价格震荡上涨走势影响，民用飞机燃油成本逐年攀升，如图 1所示。由图1可知，自2000年起的 13年期间，航空燃油价格从约0.7美元/USgal上升至约 3美元/USgal(1USgal≈ 3.785L)，增长近4.5倍[1]。商用客机运营成本中，燃油成本占了较大比重，因此，开展低燃油消耗民用飞机及机载系统研制，成为国内外飞机制造商和系统供应商研究热点。
随着民用航空业快速发展，飞机污染物排放对全球气候变化和空气污染影响日益加重[3]，如图 2所示。为此，欧盟委员会为配合新环保要求针对欧洲航空业提出了“洁净天空”计划[4]。该计划旨在开发新一代“绿色飞行器”，通过改善飞机燃油系统等措施，降低民用飞机污染物和噪声排放，减少航空运输对环境的影响，从而建立具有竞争力的创新欧洲航空运输体系。
2 多电飞机技术
传统飞机利用液压、气压、机械等多种二次能源系统保障飞行，多能源共存导致了飞机和发动机结构复杂、能源效率低、可靠性差等问题。多电飞机引入无引气、电驱动的先进技术，采用无引气发动机、无引气APU、起动/发电机、电动环境控制等电力系统取代传统飞机液压、引气、热气防冰等系统，实现了飞机二次能源的统一，如图 3所示。多电飞机技术取消了液压和引气管路、飞附机匣等部件，简化了飞机和发动机结构，提高了能源利用率，优化了机载系统维护性，可大大降低民用飞机制造和运营成本。
3 电动环境控制系统
电动环境控制系统是多电飞机重要的机电系统，其利用电力能源驱动环境控制系统工作，能够显著降低发动机燃油消耗量，节约飞机运营成本。
图4给出了民用飞机典型任务剖面发动机引气和电功率提取的燃油消耗率对比[4]。由图4可知，在整个飞行任务阶段，采用发动机引气燃油消耗率最大。当飞机采用电动环境控制系统后，能量提取方式由“发动机引气”变为“电功率提取”，燃油消耗量明显降低。
电动环境控制系统取消了发动机引气系统，降低了发动机推力损失，减少了产品数量和重量，降低了污染物排放。因此，电动环境控制系统是未来飞机环境控制系统的重要发展方向。
4 电动环境控制发展现状
4.1 国外发展现状
美国波音787客机采用了电动环境控制系统[4]，该系统主要包括电动座舱增压、电动空调制冷、蒸发循环制冷和辅助液体冷却等系统。
电动座舱增压系统功能是利用高速电机驱动高增压比离心压气机，将飞机外部冲压空气进行压缩，满足飞机座舱内部增压需求[4]。电动空调制冷系统采用大流量电动冲压空气风扇取代了空气循环机共轴风扇，简化了四轮空气循环制冷系统中的空气循环机结构，减小了产品体积，提高了系统可靠性。波音787客机电动座舱增压系统和电动空调制冷系统如图5所示。
蒸发循环制冷系统利用电动制冷压缩机驱动制冷剂相变换热，为飞机厨房食物保鲜、功率电子设备冷却、座舱快速降温提供冷源，波音787蒸发循环制冷系统如图 6所示。
辅助液体冷却系统利用电动液冷泵驱动冷却液进行热量传输，冷却液在高压直流电子设备中吸热后进入热交换器，经冷却降温后再次进入电子设备以实现循环冷却，如图7所示。
4.2 国内发展现状
国内民用飞机尚未应用电动环境控制系统，中国商用飞机有限责任公司最新研制的C919大型客机，仍采用了传统发动机引气和三轮空气循环制冷系统[4]，如图 8所示。
目前，C919飞机未实现电动座舱增压、空调制冷系统电动冲压空气风扇、蒸发循环制冷及辅助液体冷却等系统装机应用。国内机电系统供应商基于宽体客机电动环境控制系统需求，已开展了部分电动环境控制系统研究工作，具有了相关系统及部件的技术积累，但尚不具备电动环控系统独立研制能力。
5 电动环境控制关键技术
民用飞机电动环境控制系统关键技术主要体现在电动座舱增压、电动空调制冷、蒸发循环制冷和辅助液体冷却等方面。
5.1 电动座舱增压技术
电动座舱增压技术主要作用是将飞机外部环境空气抽吸至机体内部，通过电驱动压气机对吸入气流进行压缩，以满足飞机环境控制系统制冷、加温、座舱增压等需求，其关键技术主要包括高增压比单级离心空气压缩、可变截面扩压器喘振防护、大功率高速直流电机设计及控制等。
5.1.1 高增压比单级离心空气压缩
电动座舱增压系统采用高增压比单级离心空气压缩技术，以满足飞机在巡航高度12km时的气密座舱增压需求。图9为电动环境控制系统单级离心压气机，产品采用高速直流电机驱动，工作转速约为45000r/min，最大增压比 达4.8。
5.1.2 电动座舱压气机可变截面扩压技术
电动座舱压气机在飞行包线范围内进出口流量、压力等热力参数动态变化。当流量减少到一定值时，压气机叶片会发生气流分离，导致正常工作会突然改变而出现喘振，如图 10所示。喘振现象会引起叶片强烈振动，并产生很大噪声，出口压力发生波动。喘振会降低压气机性能，甚至导致产品发生损坏，因此，应避免喘振现象发生。
采用可变截面扩压技术能够实现电动座舱压气机喘振防护，满足飞机在全飞行包线内高效稳定运行需求。图11给出了压气机可变截面扩压结构，可调叶片由可旋转齿轮环机械驱动，当齿轮环转动时，叶片绕各自转轴发生偏转，从而改变气流攻角，避免压气机喘振发生。
5.1.3 大功率高速直流电机设计及控制
大功率高速直流电机是多物理量、强耦合、非线性的物理系统。电动座舱压气机采用永磁无刷直流电机，最大功率达75kW，工作转速45000r/min，且电机需根据座舱增压需求动态调节转速与功率。该技术具体工作包括高速电机转子动力学分析、损耗精确计算、高速电机热设 计等。
高速直流电机工作需要控制器实时控制，以实现电机起动、转速调节等功能。该技术具体工作包括大功率开关器件驱动电路设计、大功率电机控制器集成设计、供电特性及电磁兼容等研究。
5.2 电动空调制冷技术
传统空调制冷系统采用压气机-涡轮-风扇共轴的空气循环机产生低温气流[4]，如图12(a)所示。该系统中冲压空气风扇由气动驱动旋转，抽吸环境空气对初级和次级散热器进行冷却。电动空调制冷系统利用电动冲压空气风扇取代了传统气动式风扇，简化了空气循环机结构，提高了系统可靠性，如图 12(b)所示。电动空调制冷主要包含了大流量高速轴流风扇叶轮优化设计、电动风扇降噪及空气轴承支撑等关键技术。
5.2.1 大流量风扇叶轮优化设计
电动冲压空气风扇为了冷却初级和次级散热器中高温空气，应具有大流量环境空气抽吸能力，因此，需要对风扇叶轮进行优化设计。对于典型宽体客机，电动风扇工作流量不小于15000kg/h，进出口最大压升在2.1kPa以上。图 13为大流量轴流电动冲压空气风扇及大流量、高压升的轴流风扇叶轮。
5.2.2 电动冲压空气风扇降噪技术
空调制冷系统为保证对飞机座舱环境控制和结构优化布局，通常安装在靠近座舱中部的机腹位置。电动冲压空气风扇在抽吸环境空气过程中会产生大量噪声，影响机上乘客舒适性。
为降低风扇运行噪声，电动冲压空气风扇应针对气动、机械等噪声进行优化设计，减小飞机座舱噪声水平，满足民用飞机舱室不超过86dB的适航要求[4]。
5.2.3 空气动压轴承支承技术
传统飞机环境控制系统中压气机、涡轮、风扇等旋转机械通常采用滚珠轴承支承，滚珠轴承运行过程中需要润滑油对转轴润滑和冷却，产品必须定期加注润滑油以保证旋转机械可靠运行，维护性较差。
空气动压轴承技术利用转轴旋转产生的气动力起浮和支承转子，该技术无需油润滑，可减小地勤维护工作量。同时，空气动压轴承工作时，转轴与轴承不接触，具有阻力小、可靠性高、寿命长等特点。目前，电动冲压空气风扇大多采用空气动压轴承技术，工作转速在6000~11000r/min。
空气动压轴承主要技术难点包括高精度弹性钣金成形、箔片喷涂、激光焊接等，如图 14所示。
5.3 蒸发循环制冷技术
蒸发循环制冷技术由电力驱动，利用制冷剂相变原理实现低温介质与高温工质之间热量传递，可用于飞机厨房食物保鲜、座舱快速冷却和功率设备冷却等。
5.3.1 高性能双级膨胀制冷技术
传统蒸发循环制冷系统由压缩机、膨胀阀、蒸发器和冷凝器构成，利用单级膨胀进行制冷。为提升系统制冷量，目前多电飞机采用了双级膨胀技术，该技术利用闪发器和膨胀阀双级膨胀并结合制冷压缩机中间补气，可显著降低电功率消耗，提高系统制冷能力，双级膨胀系统原理及压焓图如 图15所示。
5.3.2 高效组合型线涡旋压缩技术
蒸发循环制冷系统核心部件为制冷压缩机，涡旋压缩机由于没有往复运动机构，具有结构简单、重量轻、可靠性高等优点。组合型线涡旋压缩技术旨在提出基于圆弧、渐开线、高次曲线等曲线的组合型线，以解决单一圆渐开线及其修正型线在高内容积比等情况下型线圈数过多、泄漏线过长、受力情况恶劣等弊端。涡旋制冷压缩机采用组合型线技术后，将具有更短泄漏线和更高容积效率。
5.3.3 微通道高效热交换技术
飞机环境控制系统要求换热设备具有紧凑、高效等特点。传统机载换热器采用板翅式结构，换热通道当量水力直径约3mm。新型微通道换热技术利用微尺度换热结构，通道当量直径可减小至1mm以下，大大提高了单位体积的有效换热面积，从而降低产品体积和重量。图16给出了典型微通道换热器及换热结构，其采用化学蚀刻、扩散焊接等工艺，具有体积小、换热效率高、设计强度大、可靠性高等优点。
5.4 辅助液体冷却技术
辅助液体冷却主要为飞机厨房食物保鲜、大功率电子设备散热和座舱热天快速制冷等功能提供输送冷量。该技术具有结构紧凑、制冷量大、功重比高等优点，其主要关键技术包括冷却液选择、流体密封及腐蚀防护等。
5.4.1 高性能环保冷却液选择技术
液体冷却液选择应考虑冷却液物性参数，主要包括了热传递、热膨胀、表面张力、闪点、可燃性、冰点、黏性、蒸发压力、热分解等属性。其中，热传递特性是影响液体冷却系统传热效率的主要因素，理想液体冷却液应具有较高的比热容、密度、热导率及低黏度。常用冷却液包括乙二醇/水溶液、硅酸盐酯、硅酮、合成烃、水、氨等，液体冷却系统设计需综合评估系统传热特性、功率需求等因素对冷却液优化 选择。
美国波音787宽体客机采用DowFrostTM冷却液 ，其为60%丙烯-乙二醇和40%去离子水的混合物。冷却液为橙色液体，冰点和沸点分别为-46℃和107℃，能够满足宽体客机29~82℃的操作温度需求。冷却液使用去离子水以防止在高温条件下杂质产生，同时利用了不同化学物优化配比，实现了液体稳定性、效率和经济性平衡组合。
5.4.2 高可靠长寿命流体密封技术
飞机机载环境具有振动大、温度变化剧烈等特点，故液体冷却系统流体密封技术成为制约产品可靠性和寿命的关键因素之一。密封技术主要包括液体泵、阀门等部件的动密封及换热器、管路等部件的静密封。
为减小产品体积、提高功重比，航空液体泵广泛采用高速电机驱动的离心式液体泵。该类型泵在机载环境下高速、长时间工作时容易发生泄漏，其密封结构可采用内装平衡式机械密封并设置皮碗密封，以确保液体可靠密封。
5.4.3 系统腐蚀防护与控制技术
腐蚀是外界环境与金属材料之间产生的化学反应，会导致材料损坏或物性发生改变，腐蚀现象在液体冷却系统中表现尤为突出。液体冷却系统常见腐蚀类型包括大气腐蚀、电化腐蚀、电解腐蚀和化学腐蚀等。
为提高液体冷却系统使用寿命，系统应防止或最小化腐蚀危害。不同类型冷却液需选择适当的腐蚀防护方法，常用防护方法包括材料表面处理、安装净化过滤装置、定期维护和更换等方法。飞机液体冷却系统腐蚀防护应综合考虑设计和维护要求，以降低产品故障率，满足运行使用要求。
6 结论
通过开展国内外多电飞机电动环境控制系统技术研究，提出了电动环境控制系统关键技术。其中，电动座舱增压技术主要包括了高增压比单级离心空气压缩、电动座舱压气机可变截面扩压、大功率高速直流电机设计及控制等；电动空调制冷技术主要包含了大流量风扇叶轮优化设计、电动冲压空气风扇降噪技术、空气动压轴承支承技术等；蒸发循环制冷技术主要包括了高性能双级膨胀制冷、高效组合型线涡旋压缩、微通道高效热交换等；辅助液体冷却技术主要包括了高性能环保冷却液选择、高可靠长寿命流体密封、系统腐蚀防护与控制等。电动环境控制系统是未来民用飞机发展的重要方向，本文所提关键技术将为国内环境控制系统研制和宽体客机论证提供参考。
作者简介
孟繁鑫(1983- )男，博士，高级工程师。主要研究方向：飞行器环境控制系统。
Tel：13770739661
E-mail：sunsky170@163.com
孟瑞琪(1992- )女，硕士。主要研究方向：飞行辅助冷却系统。
高赞军(1986- )男，博士，高级工程师。主要研究方向：飞行辅助冷却系统。
郑文远(1973- )男，研究员。主要研究方向：飞行综合环境控制系统。
胡文超(1972- )，研究员。主要研究方向：飞行综合环境控制系统。
参考文献