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隨著直升機行業的快速蓬勃發展，機組人員對直升機艙內的安全舒適環境提出了越來越高的要求，特別是艙內制冷系統。20世紀60年代，當時的蒸發循環制冷技術還不太成熟，直升機大都借鑒固定翼飛機普遍采用的空氣循環制冷系統，這種技術最大的弊端在于對飛機發動機的性能有較大影響。尤其對于我國，發動機制造技術本身比先進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80年代，機載蒸發循環制冷技術取得了突破，歐美、蘇聯的軍用直升機紛紛采用了蒸發循環的機載制冷系統。與空氣循環技術相比，蒸發循環制冷技術具有制冷能力強、能效比高、（無發動機引氣）不影響發動機性能等優點。尤其是在直升機懸停狀態，蒸發循環制冷效果顯著優于空氣循環制冷系統。因此蒸發循環制冷技術能夠很好的滿足現代直升機艙內日益增大的熱載荷的冷卻要求。隨著蒸發循環制冷技術在直升機上大規模應用，暴露出的問題也越來越多。某型直升機駕駛艙制冷系統采用蒸發循環制冷，其在試飛過程中出現壓縮機過流保護，同時壓縮機出氣管出現脫管現象，造成蒸發循環制冷系統無法正常使用。由于試飛環境比較惡劣，駕駛艙內經常達到50℃以上，蒸發循環制冷系統故障嚴重影響機組人員的工作效率，乃至影響飛行安全。制冷系統組成及工作原理該直升機駕駛艙制冷系統采用蒸發循環制冷，主要由壓縮機、冷凝器組件、蒸發器組件、制冷電控盒、制冷操縱盒、制冷劑管路、支架和制冷劑等組成。系統工作時，壓縮機抽吸蒸發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機抽吸的外界大氣冷卻，冷凝成溫度和壓力較高的液體，然后經儲液器進入膨脹閥節流膨脹，溫度和壓力急劇下降，變為一種低溫氣液混合物；該混合物流入蒸發器，與蒸發風機抽吸的駕駛艙暖濕空氣進行熱交換，吸熱蒸發變成低壓蒸汽，重新回到壓縮機中，完成一個循環。同時暖濕空氣在蒸發器中放熱冷卻，通過聯動出風口供給駕駛艙制冷，如圖1所示。當系統處于制冷工作狀態，若除霜溫度傳感器感受蒸發器組件出風溫度≤1℃，則壓縮機、冷凝風機停止工作，系統進入除霜模式；當除霜溫度傳感器感受蒸發器組件出風溫度＞3℃且已進入除霜狀態3分鐘以上，系統退出除霜模式，回到制冷模式。

故障定位

及機理分析該直升機試飛過程中，制冷操縱盒報壓縮機過流故障，蒸發循環制冷系統無法正常工作。直升機降落后，經機務人員檢查發現，壓縮機排氣管與壓縮機鋼套脫開。故障定位首先，對蒸發循環制冷系統壓縮機進行分解處理，用量杯測量從壓縮機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大于100ml，可見壓縮機內部潤滑油量不足。而壓縮機內的潤滑油量過少會引起壓縮機電機摩擦增大、溫度升高、壓縮機電流增大，因此可確認壓縮機回油不好是造成壓縮機過流故障過流的一個因素。其次，通過查看直升機飛參數據及聽取飛行員的試飛情況描述，可確認直升機在飛行過程中多次出現制冷系統出風溫度升高，駕駛艙艙內溫度升高現象，制冷操縱盒報壓縮機過流故障，重新開啟制冷系統后，制冷系統能夠工作正常，出風口有涼風。通過分析可知，制冷系統在工作過程中，蒸發器表面可能出現結霜現象。蒸發器表面結霜后，其換熱效率嚴重下降，導致蒸發器無法對駕駛艙內熱空氣進行正常換熱，出風溫度隨著結霜加劇而逐漸升高。重新啟動制冷系統時，壓縮機啟動會有3分鐘延時，此時蒸發器表面霜層會迅速融化，霜層融化后制冷系統會恢復正常工作，后續會出現反復現象。此過程與飛參數據及飛行員描述對應，因而可確認制冷系統在工作過程中出現了結霜情況。從上述制冷系統工作原理可知，制冷系統初始結霜時，蒸發器出風溫度會降至1℃，除霜傳感器通過感受出風溫度將信號傳送給制冷操縱盒，制冷操縱盒控制制冷系統進入除霜模式，此時壓縮機和冷凝風機停止工作。若蒸發器內除霜傳感器位置安裝不當，將會造成傳感器無法真實反饋出風溫度值，制冷操縱盒無法接收除霜信號，制冷系統無法進入除霜模式。最后，通過查看飛參數據可知，制冷系統出現故障時直升機飛行高度在約為1600m，機外大氣溫度19℃，制冷系統在此環境下工作，冷凝器換熱效率高，冷凝溫度會下降，蒸發壓力與溫度伴隨下降，當制冷系統蒸發器表面溫度低于0℃時，蒸發器表面凝結的液態水滴會出現結霜情況，若結霜后未及時進行除霜保護，會造成蒸發器蒸發壓力下降，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返回壓縮機，壓縮機潤滑不良，內部溫度快速升高，壓縮機電流急劇增大直至過流。同時，由于潤滑不良造成電機發熱量增大，壓縮機殼體溫度過高，過高的溫度通過排氣壓板及鋁管傳至壓縮機排氣管路，造成該處制冷劑管路變質，鋼套及制冷劑管路脫開。因此，可斷定蒸發器內的除霜傳感器位置布置不當，制冷系統無法進入除霜模式，導致壓縮機回油不好，潤滑不良，發熱量增大，殼體溫度過高，造成壓縮機過流故障和制冷劑管路脫開。

機理分析

制冷系統工作時，若室外溫度過低，冷凝器換熱效率提高，冷凝溫度降低，蒸發溫度降低，如果蒸發器溫度低于0℃，在冷卻濕熱空氣時，空氣中的水蒸氣會在蒸發器芯體低于0℃的區域凝結成冰，形成霜層。結霜后蒸發器芯體的翅片間隙被冰霜覆蓋，使得駕駛艙內循環風在吹過蒸發器芯體時受阻，且換熱效率嚴重下降，艙內溫度無法降低。因此，會出現出風溫度升高，駕駛艙溫度升高現象，重新開啟制冷系統后，由于再次啟動壓縮機有三分鐘延時，霜層會融化，制冷系統重新正常工作。除霜傳感器采集的溫度為蒸發器出風溫度，若位置布置不當會造成結霜時采集出風溫度偏高，制冷系統無法進入除霜模式。蒸發器長時間結霜不僅會造成制冷效果的下降，同時結霜時制冷系統蒸發壓力過低，膨脹閥開度變小，回氣流速降低，造成系統潤滑油不能及時返回壓縮機，壓縮機潤滑不良，殼體溫度升高，殼體將溫度傳至排氣鋁管，當鋁管溫度升高至制冷劑管路耐溫極限時，造成與鋁管相連的制冷劑管路變質，制冷劑管路與鋼套扣壓部位松脫。同時，壓縮機潤滑不良也會導致電機負荷加重，壓縮機電流過大，當電流超過23A時，制冷操縱盒報壓縮機過流故障并切斷制冷系統電源。優化改進及試驗驗證

優化改進

根據上述故障機理分析，壓縮機過流故障及出氣管出現脫管現象是由于除霜傳感器布置不當造成。除霜傳感器布置在蒸發器內部，以便采集蒸發器出風溫度，而蒸發器中蒸發風機采用的是吸風方式，因而除霜傳感器位置不同受氣流影響后采集的溫度也會不同。通過仿真蒸發器內部空氣流場及制冷系統地面試驗，最終確認蒸發器內部除霜傳感器位置，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后，在地面不同工況下進行測試，當蒸發器出現輕微結霜時，制冷系統均能進入除霜模式，壓縮機和冷凝風機停機，滿足制冷系統的工作要求。

制冷劑管路耐高溫試驗驗證

首先驗證制冷劑管路的耐高溫性能，對其進行高溫試驗。選用與機上相同規格的制冷劑管路（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，觀察并使用尖嘴鉗檢查制冷劑管路變質情況，然后每次升高10℃，保持2小時，并觀察制冷劑管路狀況，當溫度升高至150℃時，開始出現異味，繼續升高至160℃時，制冷劑管路出現變質、變脆現象。因此可確認制冷劑管路工作溫度不超過150℃，否則會脆化變質脫開。其次檢測制冷系統在不同工況下工作時，壓縮機排氣側殼體溫度與排氣管溫度能否達到150℃。選取制冷系統最惡劣工況：室內側60℃，室外側60℃，同時監測壓縮機的殼體溫度、排氣管溫度和壓縮機運行電流情況。經試驗，檢測到壓縮機殼體溫度最高值為133℃，壓縮機排氣管溫度最高值為131℃，壓縮機工作電流最高值為22A。因此可知，制冷劑管路的耐高溫性能滿足制冷系統惡劣工況時的使用要求，且壓縮機工作電流滿足機上要求。

機上試驗驗證

改進后的制冷系統重新裝機，經過地面與空中使用驗證表明，制冷系統正常工作，當外界環境溫度較低時，能夠進入除霜模式，且3分鐘后重新進入制冷模式，滿足試飛人員的使用要求。

結語

首先，根據該型直升機駕駛艙制冷系統在試飛過程中出現壓縮機過流故障的情況，對該制冷系統進行深入理論分析與研究，確定故障的根本原因為制冷系統除霜傳感器布置不當；其次，根據故障機理分析的結果，對制冷系統進行相應地模擬仿真與地面試驗，確認了制冷系統優化改進的具體措施；最后，改進后的制冷系統進行機上試飛驗證，并對制冷劑管路進行耐高溫試驗，證明改進后的制冷系統在試飛過程中能夠正常工作，滿足機組人員的使用要求，制冷劑管路滿足制冷系統的耐高溫要求。上述制冷系統故障解決過程累積了一定工程經驗，為后續其他機載制冷系統除霜溫度傳感器的布局提供良好的借鑒，具有重要的工程應用價值。

作者：張洋 單位：航空工業直升機設計研究所