直升机余热回收热管理新构型及应用

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32007

第二十七届中国科协年会专栏

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直升机余热回收热管理新构型及应用

罗平根¹, 李彬¹, 王化吉¹(), 李星萍¹, 夏文庆²

^1.中国直升机设计研究所，景德镇 333001
^2.南京航空航天大学航空学院，南京 210016

收稿日期:2025-03-20 修回日期:2025-04-07 接受日期:2025-05-22 出版日期:2025-06-05 发布日期:2025-05-30
通讯作者: 王化吉 E-mail:wanghj002@avic.com
基金资助:
国家级项目

New waste heat recovery thermal management configurations and applications for helicopters

Pinggen LUO¹, Bin LI¹, Huaji WANG¹(), Xingping LI¹, Wenqing XIA²

^1.China Helicopter Research and Development Institute，Jingdezhen 333001，China
^2.College of Aerospace Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

Received:2025-03-20 Revised:2025-04-07 Accepted:2025-05-22 Online:2025-06-05 Published:2025-05-30
Contact: Huaji WANG E-mail:wanghj002@avic.com
Supported by:
National Level Project

摘要/Abstract

摘要：

针对先进直升机能量利用效率提升需求和机载蒸发循环系统温度适应性不足的问题，提出基于环控-滑油系统耦合的能量管理方法。机载蒸发循环系统在冷天环境下（舱外大气温度≤-5 ℃）因制冷剂蒸发不完全导致加温失效，在热天高海拔时（舱外大气温度<+20 ℃）又频繁除霜影响座舱热舒适性。依据直升机环控系统的构型特点，开发了单冷无霜和宽温域无霜2种热管理系统构型。通过实验室验证和AMESIM仿真分析，结果显示单冷无霜热管理系统能够在直升机的整个飞行高度包线内实现无霜制冷，而宽温域无霜热管理系统则可在整个飞行高度和温度包线（舱外大气温度≥-40 ℃）内无霜制冷和加温。该研究成果使环控系统摆脱了对发动机引气的依赖，有效节省了发动机功率，验证了滑油余热回收利用技术的可行性，具有重要的工程应用价值。

关键词: 直升机, 能量管理, 热管理, 环控系统, 滑油系统, 无霜, 余热回收

Abstract:

To address the need for improved energy utilization efficiency in advanced helicopters and the inadequate temperature adaptability of onboard evaporative cycle systems， an Energy Management System （EMS） method based on the coupling of Environmental Control System （ECS） and Lubrication Oil Systems （LOS） is proposed. In cold weather conditions （outside air temperature ≤-5 ℃）， the onboard evaporative cycle system often fails to heat effectively due to incomplete refrigerant evaporation. In hot weather at high altitudes （outside air temperature<20 ℃）， frequent defrosting negatively impacts cabin thermal comfort. Based on the configuration characteristics of helicopter ECS， two new Thermal Management System （TMS） architectures were developed： a single-cooling frost-free system and a wide-temperature-range frost-free system. Laboratory tests and AMESIM simulation analyses showed that the single-cooling frost-free TMS can achieve frost-free cooling throughout the entire flight altitude envelope of the helicopter， while the wide-temperature-range frost-free TMS can provide frost-free cooling and heating across the entire flight altitude and temperature envelope （outside air temperature ≥-40 ℃）. This research allows the ECS to operate independently of engine bleed air， effectively saving engine power， and verifies the feasibility of stepwise utilization technology for waste heat recovery from the LOS， demonstrating significant engineering application value.

Key words: helicopter, energy management, thermal management, environmental control system, lubrication oil system, frost-free, waste heat recovery

中图分类号:

V245.3

罗平根, 李彬, 王化吉, 李星萍, 夏文庆. 直升机余热回收热管理新构型及应用[J]. 航空学报, 2026, 47(1): 632007.

Pinggen LUO, Bin LI, Huaji WANG, Xingping LI, Wenqing XIA. New waste heat recovery thermal management configurations and applications for helicopters[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(1): 632007.

图/表 20

图 1

图 2

图 3

图 4

表1

表2

图 5

图 6

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图11

表3

图 12

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表4

图 14

表5

图 15

参考文献 34

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	工况1	工况2
舱外大气温度/℃	10~40	10~40
舱内回风温度/℃	22	22
舱内回风相对湿度/%	85	46
舱内换热风量/（m³·h^-1）	60~600	60~600
压缩机转速/（r·min^-1）	3 500	3 500
舱外换热风量/（m³·h^-1）	3 000	3 000

参数	工况1	工况2
舱外大气温度/℃	22	22
舱内回风温度/℃	22	22
舱内空气相对湿度/%	85	46
舱内换热风量/（m³·h^-1）	600	600
压缩机转速/（r·min^-1）	3 000~3 500	3 000~3 500
舱外换热风量/（m³·h^-1）	3 000	3 000

舱内空气相对湿度	舱外大气温度/℃	舱内换热器芯体壁面温度/℃			制冷量/kW
舱内空气相对湿度	舱外大气温度/℃	实验值	仿真值	误差/%	实验值	仿真值	误差/%
85%	40	7.89	8.52	7.98	5.78	5.51	4.67
	36	7.47	8.09	8.30	5.91	5.63	4.74
	32	7.22	7.66	6.09	6.04	5.75	4.80
	30	7.06	7.44	5.38	6.11	5.81	4.91
	28	6.92	7.22	4.34	6.19	5.86	5.33
	24	6.33	6.75	6.64	6.28	5.96	5.10
	22	6.09	6.51	6.90	6.33	6.01	5.06
	20	6.12	6.26	2.29	6.38	6.04	5.33
	18	5.77	5.98	3.64	6.46	6.24	3.41
	16	5.25	5.47	4.19	6.57	6.36	3.2
46%	40	3.57	3.89	8.96	4.45	4.39	1.35
	36	3.21	3.46	7.79	4.5	4.5	0
	32	3.07	3.02	-1.63	4.52	4.62	-2.21
	30	2.66	2.8	5.26	4.57	4.67	-2.19
	28	2.54	2.57	1.18	4.67	4.72	-1.07
	24	1.94	2.1	8.25	4.96	4.81	3.02
	22	1.76	1.86	5.68	5.08	4.86	4.33
	20	1.47	1.55	5.44	5.21	4.96	4.80
	18	0.97	1.02	5.15	5.38	5.19	3.53
	16	0.35	0.38	8.57	5.52	5.46	2.90

参数	数值
飞行高度/m	0~6 000
舱内回风温度/℃	22
舱内回风相对湿度/%	46
舱内换热风量/（m³·h^-1）	600
压缩机转速/（r·min^-1）	3 500
舱外换热风量/（m³·h^-1）	3 000

舱外大气温度/℃	舱内回风温度/℃	滑油温度/℃	滑油流量/（L·min^-1）	舱内换热风量/（m³·h^-1）	压缩机转速/（r·min^-1）
-40	-40	40	10~20	300~500	3 000~8 000
-40	-40	70	10~20	300~500	3 000~8 000

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