机载制冷系统故障及优化措施范文

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随着直升机行业的快速蓬勃发展，机组人员对直升机舱内的安全舒适环境提出了越来越高的要求，特别是舱内制冷系统。20世纪60年代，当时的蒸发循环制冷技术还不太成熟，直升机大都借鉴固定翼飞机普遍采用的空气循环制冷系统，这种技术最大的弊端在于对飞机发动机的性能有较大影响。尤其对于我国，发动机制造技术本身比先进国家就存在较大差距，所以对此问题就更为敏感。到了20世纪80年代，机载蒸发循环制冷技术取得了突破，欧美、苏联的军用直升机纷纷采用了蒸发循环的机载制冷系统。与空气循环技术相比，蒸发循环制冷技术具有制冷能力强、能效比高、（无发动机引气）不影响发动机性能等优点。尤其是在直升机悬停状态，蒸发循环制冷效果显著优于空气循环制冷系统。因此蒸发循环制冷技术能够很好的满足现代直升机舱内日益增大的热载荷的冷却要求。随着蒸发循环制冷技术在直升机上大规模应用，暴露出的问题也越来越多。某型直升机驾驶舱制冷系统采用蒸发循环制冷，其在试飞过程中出现压缩机过流保护，同时压缩机出气管出现脱管现象，造成蒸发循环制冷系统无法正常使用。由于试飞环境比较恶劣，驾驶舱内经常达到50℃以上，蒸发循环制冷系统故障严重影响机组人员的工作效率，乃至影响飞行安全。制冷系统组成及工作原理该直升机驾驶舱制冷系统采用蒸发循环制冷，主要由压缩机、冷凝器组件、蒸发器组件、制冷电控盒、制冷操纵盒、制冷剂管路、支架和制冷剂等组成。系统工作时，压缩机抽吸蒸发器出口的低温低压制冷剂蒸汽，将其压缩至高温高压的气体，并排至冷凝器；该高温高压制冷剂气体在冷凝器中被风机抽吸的外界大气冷却，冷凝成温度和压力较高的液体，然后经储液器进入膨胀阀节流膨胀，温度和压力急剧下降，变为一种低温气液混合物；该混合物流入蒸发器，与蒸发风机抽吸的驾驶舱暖湿空气进行热交换，吸热蒸发变成低压蒸汽，重新回到压缩机中，完成一个循环。同时暖湿空气在蒸发器中放热冷却，通过联动出风口供给驾驶舱制冷，如图1所示。当系统处于制冷工作状态，若除霜温度传感器感受蒸发器组件出风温度≤1℃，则压缩机、冷凝风机停止工作，系统进入除霜模式；当除霜温度传感器感受蒸发器组件出风温度＞3℃且已进入除霜状态3分钟以上，系统退出除霜模式，回到制冷模式。

故障定位

及机理分析该直升机试飞过程中，制冷操纵盒报压缩机过流故障，蒸发循环制冷系统无法正常工作。直升机降落后，经机务人员检查发现，压缩机排气管与压缩机钢套脱开。故障定位首先，对蒸发循环制冷系统压缩机进行分解处理，用量杯测量从压缩机回气端排出的润滑油量约为7ml，正常情况排出的润滑油量应大于100ml，可见压缩机内部润滑油量不足。而压缩机内的润滑油量过少会引起压缩机电机摩擦增大、温度升高、压缩机电流增大，因此可确认压缩机回油不好是造成压缩机过流故障过流的一个因素。其次，通过查看直升机飞参数据及听取飞行员的试飞情况描述，可确认直升机在飞行过程中多次出现制冷系统出风温度升高，驾驶舱舱内温度升高现象，制冷操纵盒报压缩机过流故障，重新开启制冷系统后，制冷系统能够工作正常，出风口有凉风。通过分析可知，制冷系统在工作过程中，蒸发器表面可能出现结霜现象。蒸发器表面结霜后，其换热效率严重下降，导致蒸发器无法对驾驶舱内热空气进行正常换热，出风温度随着结霜加剧而逐渐升高。重新启动制冷系统时，压缩机启动会有3分钟延时，此时蒸发器表面霜层会迅速融化，霜层融化后制冷系统会恢复正常工作，后续会出现反复现象。此过程与飞参数据及飞行员描述对应，因而可确认制冷系统在工作过程中出现了结霜情况。从上述制冷系统工作原理可知，制冷系统初始结霜时，蒸发器出风温度会降至1℃，除霜传感器通过感受出风温度将信号传送给制冷操纵盒，制冷操纵盒控制制冷系统进入除霜模式，此时压缩机和冷凝风机停止工作。若蒸发器内除霜传感器位置安装不当，将会造成传感器无法真实反馈出风温度值，制冷操纵盒无法接收除霜信号，制冷系统无法进入除霜模式。最后，通过查看飞参数据可知，制冷系统出现故障时直升机飞行高度在约为1600m，机外大气温度19℃，制冷系统在此环境下工作，冷凝器换热效率高，冷凝温度会下降，蒸发压力与温度伴随下降，当制冷系统蒸发器表面温度低于0℃时，蒸发器表面凝结的液态水滴会出现结霜情况，若结霜后未及时进行除霜保护，会造成蒸发器蒸发压力下降，膨胀阀开度变小，制冷剂回气流速降低，造成润滑油不能及时返回压缩机，压缩机润滑不良，内部温度快速升高，压缩机电流急剧增大直至过流。同时，由于润滑不良造成电机发热量增大，压缩机壳体温度过高，过高的温度通过排气压板及铝管传至压缩机排气管路，造成该处制冷剂管路变质，钢套及制冷剂管路脱开。因此，可断定蒸发器内的除霜传感器位置布置不当，制冷系统无法进入除霜模式，导致压缩机回油不好，润滑不良，发热量增大，壳体温度过高，造成压缩机过流故障和制冷剂管路脱开。

机理分析

制冷系统工作时，若室外温度过低，冷凝器换热效率提高，冷凝温度降低，蒸发温度降低，如果蒸发器温度低于0℃，在冷却湿热空气时，空气中的水蒸气会在蒸发器芯体低于0℃的区域凝结成冰，形成霜层。结霜后蒸发器芯体的翅片间隙被冰霜覆盖，使得驾驶舱内循环风在吹过蒸发器芯体时受阻，且换热效率严重下降，舱内温度无法降低。因此，会出现出风温度升高，驾驶舱温度升高现象，重新开启制冷系统后，由于再次启动压缩机有三分钟延时，霜层会融化，制冷系统重新正常工作。除霜传感器采集的温度为蒸发器出风温度，若位置布置不当会造成结霜时采集出风温度偏高，制冷系统无法进入除霜模式。蒸发器长时间结霜不仅会造成制冷效果的下降，同时结霜时制冷系统蒸发压力过低，膨胀阀开度变小，回气流速降低，造成系统润滑油不能及时返回压缩机，压缩机润滑不良，壳体温度升高，壳体将温度传至排气铝管，当铝管温度升高至制冷剂管路耐温极限时，造成与铝管相连的制冷剂管路变质，制冷剂管路与钢套扣压部位松脱。同时，压缩机润滑不良也会导致电机负荷加重，压缩机电流过大，当电流超过23A时，制冷操纵盒报压缩机过流故障并切断制冷系统电源。优化改进及试验验证

优化改进

根据上述故障机理分析，压缩机过流故障及出气管出现脱管现象是由于除霜传感器布置不当造成。除霜传感器布置在蒸发器内部，以便采集蒸发器出风温度，而蒸发器中蒸发风机采用的是吸风方式，因而除霜传感器位置不同受气流影响后采集的温度也会不同。通过仿真蒸发器内部空气流场及制冷系统地面试验，最终确认蒸发器内部除霜传感器位置，如图3所示（原除霜传感器位置如图2所示）。除霜传感器位置改进后，在地面不同工况下进行测试，当蒸发器出现轻微结霜时，制冷系统均能进入除霜模式，压缩机和冷凝风机停机，满足制冷系统的工作要求。

制冷剂管路耐高温试验验证

首先验证制冷剂管路的耐高温性能，对其进行高温试验。选用与机上相同规格的制冷剂管路（固特异48901/2），将其放入烘箱中，烘箱初始温度为120℃，保持2小时，观察并使用尖嘴钳检查制冷剂管路变质情况，然后每次升高10℃，保持2小时，并观察制冷剂管路状况，当温度升高至150℃时，开始出现异味，继续升高至160℃时，制冷剂管路出现变质、变脆现象。因此可确认制冷剂管路工作温度不超过150℃，否则会脆化变质脱开。其次检测制冷系统在不同工况下工作时，压缩机排气侧壳体温度与排气管温度能否达到150℃。选取制冷系统最恶劣工况：室内侧60℃，室外侧60℃，同时监测压缩机的壳体温度、排气管温度和压缩机运行电流情况。经试验，检测到压缩机壳体温度最高值为133℃，压缩机排气管温度最高值为131℃，压缩机工作电流最高值为22A。因此可知，制冷剂管路的耐高温性能满足制冷系统恶劣工况时的使用要求，且压缩机工作电流满足机上要求。

机上试验验证

改进后的制冷系统重新装机，经过地面与空中使用验证表明，制冷系统正常工作，当外界环境温度较低时，能够进入除霜模式，且3分钟后重新进入制冷模式，满足试飞人员的使用要求。

结语

首先，根据该型直升机驾驶舱制冷系统在试飞过程中出现压缩机过流故障的情况，对该制冷系统进行深入理论分析与研究，确定故障的根本原因为制冷系统除霜传感器布置不当；其次，根据故障机理分析的结果，对制冷系统进行相应地模拟仿真与地面试验，确认了制冷系统优化改进的具体措施；最后，改进后的制冷系统进行机上试飞验证，并对制冷剂管路进行耐高温试验，证明改进后的制冷系统在试飞过程中能够正常工作，满足机组人员的使用要求，制冷剂管路满足制冷系统的耐高温要求。上述制冷系统故障解决过程累积了一定工程经验，为后续其他机载制冷系统除霜温度传感器的布局提供良好的借鉴，具有重要的工程应用价值。

作者：张洋 单位：航空工业直升机设计研究所