BR102017011083A2 - Air cycle machine, and, air conditioning system for an aircraft - Google Patents

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Abstract

máquina de ciclo de ar, e, sistema de condicionamento de ar para uma aeronave. uma máquina de ciclo de ar para um sistema de controle ambiental para uma aeronave é fornecida. a máquina de ciclo de ar inclui um compressor configurado para comprimir um primeiro meio, uma turbina configurada para receber o segundo meio, um ponto de mistura a jusante do compressor e a jusante da turbina; e um eixo acoplando mecanicamente o compressor e a turbina.

Description

“MÁQUINA DE CICLO DE AR, E, SISTEMA DE CONDICIONAMENTO DE AR PARA UMA AERONAVE” FUNDAMENTOS
[001] Em geral, aos sistemas de condicionamento de ar contemporâneos é fornecida uma pressão em cruzeiro que é de aproximadamente 30 psig a 35 psig. A tendência na indústria aeroespacial, hoje, é para sistemas com eficiência mais alta. Uma abordagem para melhorar a eficiência de aeronave é eliminar o ar de sangria totalmente e usar energia elétrica para comprimir ar externo. Uma segunda abordagem é usar pressão do motor mais baixa. A terceira abordagem é usar a energia no ar de sangria para comprimir o ar externo e trazê-lo para a cabine.
BREVE DESCRIÇÃO
[002] De acordo com uma ou mais modalidades, é proporcionada uma máquina de ciclo de ar para um sistema de controle ambiental para uma aeronave. A máquina de ciclo de ar inclui um compressor configurado para comprimir um primeiro meio; uma turbina configurada para receber o segundo meio; um ponto de mistura a jusante do compressor e a jusante da turbina; e um eixo acoplando mecanicamente o compressor e a turbina.
[003] De acordo com uma ou mais modalidades ou a modalidade de máquina de ciclo de ar acima, a máquina de ciclo de ar pode compreender um ventilador no eixo.
[004] De acordo com uma ou mais modalidades ou qualquer das modalidades de máquina de ciclo de ar acima, o ventilador pode estar localizado numa primeira extremidade do eixo.
[005] De acordo com uma ou mais modalidades ou qualquer das modalidades de máquina de ciclo de ar acima, a máquina de ciclo de ar pode compreender uma segunda turbina montada no eixo e pode ser configurada para expandir o primeiro meio.
[006] De acordo com uma ou mais modalidades ou qualquer das modalidades de máquina de ciclo de ar acima, a turbina pode estar localizado na primeira extremidade do eixo.
[007] De acordo com uma ou mais modalidades ou qualquer das modalidades de máquina de ciclo de ar acima, a máquina de ciclo de ar pode compreender um ventilador no eixo e o ventilador pode estar localizado numa segunda extremidade do eixo.
[008] De acordo com uma ou mais modalidades ou qualquer das modalidades de máquina de ciclo de ar acima, a segunda turbina pode ser configurada para receber um terceiro meio e o terceiro meio pode ser ar de descarga de cabine.
[009] De acordo com uma ou mais modalidades ou qualquer uma das modalidades de máquina de ciclo de ar o primeiro meio pode compreender ar fresco e o segundo meio pode compreender ar de sangria.
[0010] De acordo com uma ou mais modalidades, é proporcionado um sistema de condicionamento de ar para uma aeronave. O sistema de condicionamento de ar compreende um compressor configurado para comprimir um primeiro meio; uma turbina configurada para receber um segundo meio; um ponto de mistura a jusante do compressor e a jusante da turbina; e um eixo acoplando mecanicamente o compressor e a turbina.
[0011] De acordo com uma ou mais modalidades ou a modalidade de sistema de condicionamento de ar, o sistema de condicionamento de ar pode compreender uma segunda turbina montada no eixo e ser configurado para expandir o primeiro meio.
[0012] De acordo com uma ou mais modalidades ou qualquer das modalidades do sistema de condicionamento de ar acima, o sistema de condicionamento de ar pode compreender um ventilador acionado por uma terceira turbina acionada pelo segundo meio.
[0013] De acordo com uma ou mais modalidades ou qualquer das modalidades do sistema de condicionamento de ar acima, o sistema de condicionamento de ar pode compreender um rotor integral compreendendo a terceira turbina e o ventilador.
[0014] De acordo com uma ou mais modalidades ou qualquer das modalidades do sistema de condicionamento de ar acima, o sistema de condicionamento de ar pode compreender um segundo eixo mecanicamente acoplando o ventilador e a terceira turbina.
[0015] De acordo com uma ou mais modalidades ou qualquer das modalidades do sistema de condicionamento de ar acima, o sistema de condicionamento de ar pode compreender um ventilador acionado por um motor.
[0016] De acordo com uma ou mais modalidades ou qualquer das modalidades do sistema de condicionamento de ar acima, a segunda turbina pode ser configurada para receber um terceiro meio e em que o terceiro meio é ar de descarga de cabine.
[0017] De acordo com uma ou mais modalidades ou qualquer das modalidades de sistema de condicionamento de ar, o sistema de condicionamento de ar pode compreender uma segunda turbina configurada para expandir o primeiro meio para acionar um ventilador.
[0018] De acordo com uma ou mais modalidades ou qualquer das modalidades do sistema de condicionamento de ar acima, o sistema de condicionamento de ar pode compreender um rotor integral compreendendo a segunda turbina e o ventilador.
[0019] De acordo com uma ou mais modalidades ou qualquer das modalidades do sistema de condicionamento de ar acima, o sistema de condicionamento de ar pode compreender uma terceira turbina montada no eixo e ser configurado para receber ar de descarga de cabine.
[0020] De acordo com uma ou mais modalidades ou qualquer das modalidades do sistema de condicionamento de ar acima, o sistema de condicionamento de ar pode compreender um segundo eixo mecanicamente acoplando o ventilador e a segunda turbina.
[0021] De acordo com uma ou mais modalidades ou qualquer das modalidades do sistema de condicionamento de ar acima, a segunda turbina pode ser configurada para receber um terceiro meio e o terceiro meio pode ser ar de descarga de cabine.
[0022] Características e vantagens adicionais são atingidas por meio de técnicas das modalidades deste documento. Outras modalidades são descritas em detalhes aqui e são consideradas como parte das reivindicações. Para uma melhor compreensão das modalidades com as vantagens e as características, consultem a descrição e os desenhos.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0023] A matéria é particularmente indicada e distintamente reivindicada nas reivindicações na conclusão do relatório descritivo. As características anteriores e outras características e vantagens das mesmas são evidentes a partir da descrição detalhada a seguir tomada em conjunto com os desenhos nos quais: A FIG. 1 é um diagrama de um esquemático de um sistema de controle ambiental de acordo com uma modalidade; A FIG. 2 é exemplo de operação de um sistema de controle ambiental que mistura ar fresco com ar de sangria de acordo com uma modalidade; A FIG. 3 é exemplo de operação de um sistema de controle ambiental que mistura ar fresco com ar de sangria, em que o sistema de controle ambiental inclui um ventilador acionado por ar de sangria de acordo com uma modalidade; A FIG. 4 é exemplo de operação de um sistema de controle ambiental que mistura ar fresco com ar de sangria, em que o sistema de controle ambiental inclui um ventilador acionado eletricamente de acordo com uma modalidade; A FIG. 5 é exemplo de operação de um sistema de controle ambiental que mistura ar fresco com ar de sangria, em que o sistema de controle ambiental inclui um ventilador acionado por ar fresco de acordo com uma modalidade; A FIG. 6 é exemplo de operação de um sistema de controle ambiental que mistura ar fresco com ar de sangria de acordo com uma modalidade; A FIG. 7 é exemplo de operação de um sistema de controle ambiental que mistura ar fresco com ar de sangria, em que o sistema de controle ambiental inclui um ventilador acionado por ar de sangria de acordo com outra modalidade; A FIG. 8 é exemplo de operação de um sistema de controle ambiental que mistura ar fresco com ar de sangria, em que o sistema de controle ambiental inclui um ventilador acionado eletricamente de acordo com outra modalidade; A FIG. 9 é exemplo de operação de um sistema de controle ambiental que mistura ar fresco com ar de sangria, em que o sistema de controle ambiental inclui um ventilador acionado por ar fresco de acordo com outra modalidade;
DESCRIÇÃO DETALHADA
[0024] Uma descrição detalhada de uma ou mais modalidades do aparelho e do método divulgados é aqui apresentada a título de exemplificação e não limitação com referência às FIGS.
[0025] As modalidades aqui proporcionam um sistema de controle ambiental de uma aeronave que mistura meios de diferentes fontes e usa as diferentes fontes de energia para alimentar o sistema de controle ambiental e para proporcionar pressurização e resfriamento de cabine a uma alta eficiência de queima de combustível. O meio pode ser geralmente ar, embora outros exemplos incluam gases, líquidos, sólidos fluidizados ou pastas.
[0026] Voltando para a FIG. 1, um sistema 100 que recebe um meio de uma entrada 101 e fornece uma forma condicionada do meio para uma câmara 102 é ilustrado. O sistema 100 compreende um dispositivo de compressão 110. Como mostrado, o dispositivo de compressão 110 compreende um compressor 112, uma turbina 113, um ventilador 116 e um eixo 118. O sistema 100 compreende também um trocador de calor primário 120, um trocador de calor secundário 130, um condensador 160, um extrator de água 162 e um reaquecedor 164.
[0027] O dispositivo de compressão 110 é um dispositivo mecânico que inclui componentes para realizar trabalho termodinâmico no meio (por exemplo, extrai trabalho ou trabalha no meio elevando e ou abaixando a pressão e elevando e/ou abaixando a temperatura). Exemplos do dispositivo de compressão 110 incluem uma máquina de ciclo de ar, uma máquina de ciclo de ar de três rodas, uma máquina de ciclo de ar de quatro rodas, etc.
[0028] O compressor 112 é um dispositivo mecânico que eleva a pressão do meio recebida da entrada 101. Exemplos de tipos de compressores incluem centrífugos, diagonais ou de fluxo misto, de fluxo axial, alternativos, de pistão de líquido iônico, de parafuso rotativo, de palheta rotativa, de labirinto, de diafragma, de bolha de ar, etc. Além disso, os compressores podem ser acionados por um motor ou pelo meio via a turbina 113.
[0029] A turbina 113 é um dispositivo mecânico que aciona o compressor 112 e o ventilador 116 via o eixo 118. O ventilador 116 (por exemplo, um ventilador de ar ram) é um dispositivo mecânico que pode forçar via métodos de empurrar ou puxar ar através do casco 119 através dos trocadores de calor 120 e 130 a uma taxa de fluxo variável para controlar temperaturas. O casco 119 recebe e dirige um meio (tal como ar ram) através do sistema 100. Em geral, ar ram é ar externo utilizado como um dissipador de calor pelo sistema 100.
[0030] Os trocadores de calor 120 e 130 são dispositivos construídos para transferência de calor eficiente de um meio para outro. Exemplos de trocadores de calor incluem trocadores de calor de tubo duplo, casco e tubo, placa, placa e casco, roda adiabática, aleta de placa, placa de travesseiro e de fluido.
[0031] O condensador 160 e o reaquecedor 164 são tipos particulares de trocadores de calor. O extrator de água 162 é um dispositivo mecânico que executa um processo de tirar água do meio. Juntos, o condensador 160, o extrator de água 162 e/ou o reaquecedor 164 podem combinar para serem um separador de água de alta pressão.
[0032] Os elementos do sistema 100 são conectados via válvulas, tubos, canos e semelhantes. Válvulas (por exemplo, dispositivo de regulação de fluxo ou válvula de fluxo de massa) são dispositivos que regulam, dirigem e/ou controlam um fluxo de um meio abrindo, fechando ou obstruindo parcialmente várias passagens dentro dos tubos, canos, etc. do sistema 100. As válvulas podem ser operadas por atuadores, de modo que taxas de fluxo do meio em qualquer porção do sistema 100 possam ser reguladas até um valor desejado.
[0033] Como mostrado na FIG. 1, o meio pode fluir de uma entrada 101 através do sistema 100 para uma câmara 102, como indicado por setas de linhas sólidasUma válvula V1 (por exemplo, uma válvula de controle de fluxo de massa) controla o fluxo do meio da entrada 101 para o sistema 100. Além disso, uma válvula V2 controla se o fluxo do meio do trocador de calor secundário 130 desvia do condensador 160 de acordo com um modo do sistema 100. Uma combinação de componentes do sistema 100 pode ser denominada como um pacote de condicionamento de ar ou um pacote. O pacote pode começar em uma válvula VI e terminar quando ar sai do condensador 162.
[0034] O sistema 100 será agora descrito em vista da modalidade de aeronave acima. Na modalidade de aeronave, o meio pode ser ar e o sistema 100 pode ser um sistema de controle ambiental. O ar fornecido ao sistema de controle ambiental na entrada 101 pode ser considerado ser "sangrado" de um motor de turbina ou de uma unidade de energia auxiliar. Quando o ar está sendo fornecido pelo motor de turbina ou pela unidade de energia auxiliar conectada ao sistema de controle ambiental, tal como da entrada 101, o ar pode ser denominado como ar de sangria (por exemplo, ar pressurizado que vem de um motor ou uma unidade de energia auxiliar). A temperatura, umidade e pressão do ar de sangria variam amplamente dependendo de um estágio do compressor e das revoluções por minuto do motor de turbina.
[0035] Voltando agora para a FIG. 2, um esquemático de um sistema de controle ambiental 200 (por exemplo, uma modalidade do sistema 100), como ele poderia ser instalado em uma aeronave, onde em operação o sistema de controle ambiental 200 mistura ar fresco com ar de sangria, é representado de acordo com uma modalidade. Os componentes do sistema 100 que são semelhantes ao sistema de controle ambiental 200 foram reutilizados para facilidade de explicação, usando os mesmos identificadores, e não são reapresentados. Componentes alternativos do sistema de controle ambiental 200 incluem um dispositivo de compressão 210 (que compreende um compressor 212, uma turbina 213, uma turbina 214, um ventilador 116 e um eixo 118), uma entrada 201, uma saída 202, um trocador de calor de válvula de saída 230, um coletor de água 271 e um coletor de água 272, juntamente com um caminho para o meio denotado pela linha de ponto-traço F2 (onde o meio pode ser fornecido da câmara 102 para o sistema de controle ambiental 200).
[0036] Tendo em vista a modalidade de aeronave acima, quando um meio está sendo proporcionado pela câmara 102 (por exemplo, ar deixando um volume pressurizado, cabine da aeronave ou cabina e e cabine de comando da aeronave), o meio pode ser denominado como ar de descarga de câmara (também conhecido como ar pressurizado ou ar de descarga de cabine). Notem que em uma ou mais modalidades, uma exaustão do sistema de controle ambiental 200 pode ser liberada para o ar ambiente através do casco 119 ou enviada para a saída 202 (por exemplo, um sistema de controle de pressão de cabine).
[0037] Além disso, quando um meio está sendo fornecido da entrada 201, o meio pode ser denominado como ar externo fresco (também conhecido como ar fresco ou ar externo destinado a entrar no volume ou na câmara pressurizada 102). O ar externo fresco pode ser adquirido por um ou mais mecanismos de captação, tal como uma colher de impacto ou uma colher de descarga. Assim, a entrada 201 pode ser considerada uma entrada de ar fresco.
[0038] Em operação a baixa altitude do sistema de controle ambiental 200, o ar de alta pressão alta temperatura de cada motor de turbina ou da unidade de energia auxiliar via entrada 101 através da válvula VI entra no trocador de calor primário 120. O trocador de calor primário 120 resfiria o ar de pressão alta temperatura até quase a temperatura ambiente para produzir ar de alta pressão frio. Este ar de alta pressão frio entra no condensador 160, onde ele é adicionalmente resfriado por ar das turbinas 213 e 214 do dispositivo de compressão 210. Ao sair do condensador 160, o ar de alta pressão frio entra no extrator de água 272 de modo que umidade no ar seja removida.
[0039] O ar de alta pressão frio entra na turbina 213 através de um bocal. O ar de alta pressão frio é expandido através da turbina 213 e trabalho extraído do ar de alta pressão frio. Este trabalho extraído aciona o compressor 212 utilizado para comprimir o ar externo fresco. Este trabalho extraído também aciona o ventilador 216, o qual é usado para mover ar através do trocador de calor primário 120 e do trocador de calor secundário 130 (também conhecido como trocadores de calor de ar de ram).
[0040] O ato de comprimir o ar externo fresco aquece o ar externo fresco. O ar externo fresco comprimido entra no trocador de calor de válvula de saída 230 e é resfriado pelo ar de descarga de câmara para produzir ar externo fresco comprimido resfriado. O ar externo fresco comprimido resfriado entra, então, no trocador de calor secundário 130 e é adicionalmente resfriado até quase a temperatura ambiente. O ar que sai do trocador de calor secundário 130 entra, então, no extrator de água 271, onde qualquer umidade livre é removida, para produzir ar de pressão média frio. Este ar de pressão média frio entra, então, na turbina 214 através de um bocal. O ar de pressão média frio é expandido através da turbina 214 e trabalho extraído do ar de alta pressão frio. Notem que o ar de descarga de câmara saindo do trocador de calor de válvula de saída 230, então, pode ser enviado para uma saída 202. A saída 202 pode ser um sistema de controle de pressão de cabine que utilizou a energia do ar de descarga da câmara.
[0041] Os dois fluxos de ar (por exemplo, o ar externo fresco oriundo de 201 e o ar de sangria oriundo da entrada 101) são misturados a jusante da turbina 213 para produzir ar misturado. Esta localização a jusante pode ser considerada um primeiro ponto de mistura do sistema de controle ambiental 200. O ar misturado sai, então, entra no condensador 160 para resfriar o ar de sangria deixando o trocador de calor primário 120. O ar misturado é, então, enviado para condicionar a câmara 102.
[0042] Esta operação a baixa altitude pode ser considerada um modo de baixa altitude. O modo de baixa altitude pode ser usado para condições em solo e de voo a baixa altitude, tal como condições de marcha lenta no solo, táxi, decolagem e estacionárias.
[0043] Em operação em alta altitude do sistema de controle ambiental 200, o ar externo fresco pode ser misturado a jusante do condensador 160 (em vez de a jusante da turbina 113 ou no primeiro ponto de mistura). Nesta situação, o ar que sai do extrator de água 271 é o ar de média pressão frio. Este ar de pressão média frio é dirigido pela válvula V2 a jusante do condensador 160. O local no qual este ar de de pressão média frio mistura com o ar de sangria, que é proveniente da entrada 101 e que sai do condensador 160, pode ser considerado um segundo ponto de mistura do sistema de controle ambiental 200.
[0044] Esta operação a alta altitude pode ser considerada um modo de alta altitude. O modo de alta altitude pode ser usado em condições de voo de alta altitude, cruzeiro, subida e descida. No modo de alta altitude, as necessidades de aviação de ar fresco para passageiros são satisfeitas misturando dos dois fluxos de ar (por exemplo, ar externo fresco proveniente de 201 e o ar de sangria vindo da entrada 101). Além disso, dependendo da altitude da aeronave, uma quantidade de ar de sangria necessária pode ser reduzida. Deste modo, o sistema de controle ambiental 200 proporciona uma redução de ar de sangria variando de 40% a 75% para proporcionar eficiências mais altas em relação à queima de combustível do motor do que os sistemas de ar de aeronaves contemporâneas.
[0045] As FIGS. 3, 4 e 5 ilustram variações do sistema de controle ambiental 200. Voltando agora para a FIG. 3, um esquemático de um sistema de controle ambiental 300 (por exemplo, uma modalidade do sistema de controle ambiental 200) é representado de acordo com uma modalidade. Os componentes dos sistemas 100 e 200 que são semelhantes ao sistema de controle ambiental 300 foram reutilizados para facilidade de explicação, usando os mesmos identificadores, e não são reapresentados. Os componentes alternativos do sistema de controle ambiental 300 incluem um dispositivo de compressão 310 que compreende um compressor 312, uma turbina 313, uma turbina 314 e um eixo 315, e um dispositivo de rotação 316 (por exemplo, ventilador acionado por turbina) que compreende uma turbina 317 e um ventilador 319, juntamente com um caminho secundário para o meio proveniente da entrada 101 (por exemplo, uma válvula V3 pode fornecer o meio da entrada 101 para uma entrada da turbina 317).
[0046] O sistema de controle ambiental 300 opera de modo semelhante ao sistema de controle ambiental 200, em que são utilizados diferentes pontos de mistura com base no modo de operação. Além disso, o sistema de controle ambiental 300 separa o ventilador de ar ram (por exemplo, ventilador 116) da máquina de ciclo de ar (por exemplo, o dispositivo de compressão 110) e abastece o ventilador de ar ram dentro do dispositivo de rotação 316. A turbina 317 do dispositivo de rotação 316 é alimentada pelo ar de sangria proveniente da entrada 101 que flui através da válvula V3.
[0047] Voltando agora para a FIG. 4, um esquemático de um sistema de controle ambiental 400 (por exemplo, uma modalidade do sistema de controle ambiental 200) é representado de acordo com uma modalidade. Os componentes dos sistemas 100, 200 e 300 que são semelhantes ao sistema de controle ambiental 400 foram reutilizados para facilidade de explicação, usando os mesmos identificadores, e não são reapresentados. Os componentes alternativos do sistema de controle ambiental 400 incluem um dispositivo de rotação 416, que compreende um motor 417 e um ventilador 419.
[0048] O sistema de controle ambiental 400 opera de modo semelhante ao sistema de controle ambiental 200, em que são utilizados diferentes pontos de mistura com base no modo de operação. Além disso, o sistema de controle ambiental 400 separa o ventilador de ar ram (por exemplo, ventilador 116) da máquina de ciclo de ar (por exemplo, o dispositivo de compressão 110) e abastece o ventilador de ar ram dentro do dispositivo de rotação 416. O motor 417 do dispositivo de rotação 416 é alimentado por energia elétrica.
[0049] Voltando agora para a FIG. 5, um esquemático de um sistema de controle ambiental 500 (por exemplo, uma modalidade do sistema de controle ambiental 200) é representado de acordo com uma modalidade. Os componentes dos sistemas 100, 200, 300 e 400 que são semelhantes ao sistema de controle ambiental 500 foram reutilizados para facilidade de explicação, usando os mesmos identificadores, e não são reapresentados. Os componentes alternativos do sistema de controle ambiental 400 incluem um dispositivo de compressão 510, que compreende um compressor 512, uma turbina 513 e um eixo 515, e um dispositivo de rotação 516, o qual compreende um motor 517 e um ventilador 519. Notem que o dispositivo de rotação 516 está ao longo de um caminho do meio proveniente da entrada 201, de modo que o dispositivo de rotação 516 pode ser abastecido deste meio ou desviado.
[0050] O sistema de controle ambiental 500 opera de modo semelhante ao sistema de controle ambiental 200, em que são utilizados diferentes pontos de mistura com base no modo de operação. Além disso, o sistema de controle ambiental 500 separa o ventilador de ar ram (por exemplo, ventilador 116) da máquina de ciclo de ar (por exemplo, o dispositivo de compressão 110) e abastece o ventilador de ar ram dentro do dispositivo de rotação 516. A turbina 517 do dispositivo de rotação 516 é alimentada pelo ar fresco proveniente da entrada 201.
[0051] Voltando agora para a FIG. 6, um esquemático de um sistema de controle ambiental 600 (por exemplo, uma modalidade do sistema 100), como ele podería ser instalado em uma aeronave é representado de acordo com uma modalidade. Em operação, o sistema de controle ambiental 600 pode fornecer ar misturado de qualquer combinação de ar fresco, ar de sangria e ar de descarga de cabina. Os componentes dos sistemas 100, 200, 300,400 e 500 que são semelhantes ao sistema de controle ambiental 600 foram reutilizados para facilidade de explicação, usando os mesmos identificadores, e não são reapresentados. Componentes alternativos do sistema de controle ambiental 600 incluem uma saída 601 e um dispositivo de compressão 610 que compreende um compressor 612, uma turbina 613, uma turbina 614, um ventilador 616 e um eixo 618. Componentes alternativos do sistema de controle ambiental 600 incluem também válvulas V6. 1, V6. 2 e V6. 3. Um caminho é ainda denotado pela linha ponto-traço F6. 1 para um fluxo o meio que é controlado pela válvula V6. 1 para a saída 601 (por exemplo, que pode ser para fora). Outro caminho é denotado pela linha ponto-traço F6. 2 para um fluxo o meio que é controlado pela válvula V6. 2 para alimentar o ar de descarga de cabine para a válvula V6. 3 (caso contrário o ar de descarga de cabine pode ser dirigido para fora através do asco 119). Notem que a turbina 614 pode ser uma de dupla utilização. Uma turbina de dupla utilização está configurada para receber fluxos de diferentes meios alternativos.
[0052] Em operação a baixa altitude do sistema de controle ambiental 600, o ar de alta pressão alta temperatura de cada motor de turbina ou da unidade de energia auxiliar via entrada 101 através da válvula VI entra no trocador de calor primário 120. O trocador de calor primário 120 resfria o ar de pressão alta temperatura até quase a temperatura ambiente para produzir ar de alta pressão frio. Este ar de alta pressão frio entra no condensador 160, onde ele é adicionalmente resfriado por ar das turbinas 613 e 614 do dispositivo de compressão 610. Ao sair do condensador 160, o ar de alta pressão frio entra no extrator de água 272 de modo que umidade no ar seja removida.
[0053] O ar de alta pressão frio entra na turbina 613 através de um bocal. O ar de alta pressão frio é expandido através da turbina 613 e trabalho extraído do ar de alta pressão frio. Este trabalho extraído aciona o compressor 612 utilizado para comprimir o ar externo fresco. Este trabalho extraído também aciona o ventilador 616, o qual é usado para mover ar através do trocador de calor primário 120 e do trocador de calor secundário 130.
[0054] O ato de comprimir o ar externo fresco aquece o ar externo fresco. O ar externo fresco comprimido entra no trocador de calor de válvula de saída 230 e é resfriado pelo ar de descarga de câmara para produzir ar externo fresco comprimido resfriado. O ar externo fresco comprimido resfriado entra, então, no trocador de calor secundário 130 e é adicionalmente resfriado até quase a temperatura ambiente. O ar que sai do trocador de calor secundário 130 entra, então, no extrator de água 271, onde qualquer umidade livre é removida, para produzir ar de pressão média frio. Este ar de pressão média frio entra, então, na turbina 614 através de um bocal. O ar de pressão média frio é expandido através da turbina 614 e trabalho extraído do ar de alta pressão frio.
[0055] Os dois fluxos de ar (por exemplo, o ar externo fresco oriundo de 201 e o ar de sangria oriundo da entrada 101) são misturados a jusante da turbina 613 para produzir ar misturado. Uma válvula V6. 1 pode, então, ser usada para dirigir uma saída da turbina 614 para longe da câmara ou para jusante da turbina 613 (para fornecer o ar de pressão média resfriado que sai da turbina 614 para o primeiro ponto de mistura de modo que ele flua para a câmara 102). Esta localização a jusante pode ser considerada um primeiro ponto de mistura do sistema de controle ambiental 600. O ar misturado sai, então, entra no condensador 160 para resfriar o ar de sangria deixando o trocador de calor primário 120. O ar misturado é, então, enviado para condicionar a câmara 102.
[0056] Esta operação a baixa altitude pode ser considerada um modo de baixa altitude. O modo de baixa altitude pode ser usado para condições em solo e de voo a baixa altitude, tal como condições de marcha lenta no solo, táxi, decolagem e estacionárias.
[0057] Em operação em alta altitude do sistema de controle ambiental 600, o ar externo fresco pode ser misturado a jusante do condensador 160 (em vez de no primeiro ponto de mistura). Nesta situação, o ar que sai do extrator de água 271 é o ar de média pressão frio. Este ar de pressão média frio é dirigido pela válvula V6. 3 a jusante do condensador 160.
[0058] A válvula V6. 3 também pode dirigir o ar de descarga de cabina para a turbina 614. Por exemplo, a energia no ar de descarga de cabine pode ser utilizada para alimentar o compressor 612 alimentando (por exemplo, a linha traço-ponto F6. 2) o ar de descarga de cabina para a turbina 614. Notem que o ar de descarga de cabine entra na turbina 614 através de um bocal, de modo que a turbina 614 expande o ar quente do trocador de calor de válvula de saída 230. O ar de descarga de cabine pode continuar para fora (por exemplo, para a saída 601) através da válvula V6. 1. Para fora compreende uma pressão ambiente em operação a alta altitude. Pelo ar de descarga de cabine continuar para fora, uma queda de pressão através da turbina 614 é criada de modo que o ar de descarga de cabine seja aspirado através da turbina 614 (por exemplo, a pressão do ar de descarga de cabine é mais alta que a pressão do ar ambiente). Deste modo, o compressor 612 recebe energia tanto do ar de sangria (através da turbina 613) como do ar de descarga de cabine (através da turbina 614).
[0059] Esta operação a alta altitude pode ser considerada um modo de alta altitude. O modo de alta altitude pode ser usado em condições de voo de alta altitude, cruzeiro, subida e descida. No modo de alta altitude, as necessidades de aviação de ar fresco para passageiros são satisfeitas misturando dos dois fluxos de ar (por exemplo, ar externo fresco proveniente de 201 e o ar de sangria vindo da entrada 101). Além disso, dependendo da altitude da aeronave, uma quantidade de ar de sangria necessária pode ser reduzida. Deste modo, o sistema de controle ambiental 200 proporciona uma redução de ar de sangria variando de 40% a 60% para proporcionar eficiências mais altas em relação à queima de combustível do motor do que os sistemas de ar de aeronaves contemporâneas.
[0060] As FIGS. 7, 8 e 9 ilustram variações do sistema de controle ambiental 600. Voltando agora para a FIG. 7, um esquemático de um sistema de controle ambiental 700 (por exemplo, uma modalidade do sistema de controle ambiental 600) é representado de acordo com uma modalidade. Os componentes dos sistemas 100, 200, 300, 400, 500 e 600 que são semelhantes ao sistema de controle ambiental 700 foram reutilizados para facilidade de explicação, usando os mesmos identificadores, e não são reapresentados. Componentes alternativos do sistema de controle ambiental 700 incluem um dispositivo de compressão 710 que compreende um compressor 712, uma turbina 713, uma turbina 714 e um eixo 715. Notem que a turbina 614 é de dupla utilização.
[0061] O sistema de controle ambiental 700 opera de modo semelhante ao sistema de controle ambiental 600, em que são utilizados diferentes pontos de mistura com base no modo de operação. Além disso, o sistema de controle ambiental 700 separa o ventilador de ar ram (por exemplo, ventilador 116) da máquina de ciclo de ar (por exemplo, o dispositivo de compressão 110) e abastece o ventilador de ar ram dentro do dispositivo de rotação 316. A turbina 317 do dispositivo de rotação 316 é alimentada pelo ar de sangria proveniente da entrada 101 que flui através da válvula Y3.
[0062] Além disso, a energia no ar fresco que sai do extrator de água 271 pode ser utilizada para alimentar o compressor 712 alimentando o ar que sai do extrator de água 271 através da válvula V6. 3 para a turbina 714. Mais ainda, a energia no ar de descarga de cabine saindo do trocador de calor de válvula de saída 230 pode ser utilizada para alimentar o compressor 712 alimentando (por exemplo, a linha traço-ponto F6. 2) o ar de descarga de cabina para a turbina 714. Deste modo, à segunda turbina ou turbina adicional 714 pode ser alimentado ar do trocador de calor de válvula de saída 230 (por exemplo, ar de descarga de cabine) ou ar que sai do extrator de água 271 (por exemplo, ar externo fresco), enquanto a primeira turbina 713 pode ser alimentada do trocador de calor primário 120 (por exemplo, ar de sangria). Por sua vez, o compressor 712 pode receber energia do ar de sangria (via turbina 713), do ar de descarga de cabine (via turbina 714) e/ou do ar externo fresco (também via turbina 714). Notem que o ar de descarga de cabine ou ar externo fresco pode ser misturado com o ar de sangria a jusante da turbina 713.
[0063] Voltando agora para a FIG. 8, um esquemático de um sistema de controle ambiental 800 (por exemplo, uma modalidade do sistema de controle ambiental 600) é representado de acordo com uma modalidade. Os componentes dos sistemas 100, 200, 300, 400, 500, 600 e 700 que são semelhantes ao sistema de controle ambiental 800 foram reutilizados para facilidade de explicação, usando os mesmos identificadores, e não são reapresentados.
[0064] O sistema de controle ambiental 800 opera de modo semelhante ao sistema de controle ambiental 600, em que são utilizados diferentes pontos de mistura com base no modo de operação. Além disso, o sistema de controle ambiental 800 separa o ventilador de ar ram (por exemplo, ventilador 116) da máquina de ciclo de ar (por exemplo, o dispositivo de compressão 110) e abastece o ventilador de ar ram dentro do dispositivo de rotação 416. O motor 717 do dispositivo de rotação 716 é alimentado por energia elétrica.
[0065] Voltando agora para a FIG. 9, um esquemático de um sistema de controle ambiental 900 (por exemplo, uma modalidade do sistema de controle ambiental 600) é representado de acordo com uma modalidade. Os componentes dos sistemas 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 e 800 que são semelhantes ao sistema de controle ambiental 900 foram reutilizados para facilidade de explicação, usando os mesmos identificadores, e não são reapresentados. Componentes alternativos do sistema de controle ambiental 900 incluem um caminho para o meio denotado pela linha ponto-traço F9 (onde o meio pode ser fornecido da câmara 102 para a turbina 714).
[0066] O sistema de controle ambiental 900 opera de modo semelhante ao sistema de controle ambiental 600, em que são utilizados diferentes pontos de mistura com base no modo de operação. Além disso, o sistema de controle ambiental 900 separa o ventilador de ar ram (por exemplo, ventilador 116) da máquina de ciclo de ar (por exemplo, o dispositivo de compressão 110) e abastece o ventilador de ar ram dentro do dispositivo de rotação 516. A turbina 517 do dispositivo de rotação 516 é alimentada pelo ar fresco proveniente da entrada 201. Notem que o dispositivo de rotação 516 está ao longo de um caminho do meio proveniente da entrada 201, de modo que o dispositivo de rotação 516 pode ser abastecido deste meio ou desviado com base na válvula V5. Além disso, observem que em uma ou mais modalidades, uma exaustão da turbina 714 pode ser enviada para a saída 202 (por exemplo, um sistema de controle de pressão de cabine) após a turbina 714 extrair trabalho do meio recebido do caminho F9.
[0067] Os aspectos das modalidades são descritos no presente documento com referência a ilustrações de fluxograma, esquemáticos e/ou diagramas de blocos de métodos, aparelho e/ou sistemas de acordo com as modalidades. Além disso, as descrições das várias modalidades foram apresentadas para fins de ilustração, mas não se destinam a serem exaustivas ou limitadas às modalidades divulgadas. Muitas modificações e variações serão evidentes àqueles versados na técnica sem afastamento do escopo e do espírito das modalidades descritas. A terminologia usada neste documento foi escolhida para melhor explicar os princípios das modalidades, a aplicação prática ou o aprimoramento técnico sobre tecnologias encontradas no mercado, ou para permitir que outros versados na técnica entendam as modalidades aqui divulgadas.
[0068] A terminologia usada no presente documento tem como propósito descrever modalidades particulares apenas e não se destina a ser limitante. Como usadas no presente documento, as formas singulares "um", "uma" e "o/a" se destinam a incluir as formas plurais também, exceto se o contexto indicar claramente o contrário. Será ainda compreendido que os termos "compreende" e/ou "compreendendo", quando usados neste relatório descritivo, especificam a presença de características indicadas, números inteiros, etapas, operações, elementos e/ou componentes, mas não impossibilita a presença ou adição de uma ou mais outras características, números inteiros, etapas, operações, componentes de elemento e/ou grupos dos mesmos.
[0069] Os diagramas de fluxo aqui representados são apenas um exemplo. Pode haver muitas variações neste diagrama ou nas etapas (ou operações) descritas no mesmo sem afastamento do espírito das modalidades deste documento. Por exemplo, as etapas podem ser realizadas numa ordem diferente ou etapas podem ser adicionadas, excluídas ou modificadas. Todas estas variações são consideradas uma parte das reivindicações.
[0070] Embora a modalidade preferencial tenha sido descrita, será entendido que os versados na técnica, tanto agora quanto no futuro, podem fazer vários aperfeiçoamentos e intensificações as quais caem dentro do escopo das reivindicações que se seguem. Estas reivindicações devem ser interpretadas para manter a proteção adequada.
REIVINDICAÇÕES

Claims (15)

1. Máquina de ciclo de ar para um sistema de controle ambiental para uma aeronave, a máquina de ciclo de ar caracterizada pelo fato de que compreende: um compressor configurado para comprimir um primeiro meio; uma turbina configurada para receber o segundo meio; um ponto de mistura a jusante do compressor e a jusante da turbina; e um eixo acoplando mecanicamente o compressor e a turbina.
2. Máquina de ciclo de ar de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende ainda um ventilador no eixo.
3. Máquina de ciclo de ar de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que o ventilador está localizado numa primeira extremidade do eixo.
4. Máquina de ciclo de ar de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende ainda uma segunda turbina montada no eixo e configurada para expandir o primeiro meio.
5. Máquina de ciclo de ar de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que a turbina está localizado na primeira extremidade do eixo.
6. Máquina de ciclo de ar de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que compreende ainda um ventilador no eixo e em que o ventilador está localizado numa segunda extremidade do eixo.
7. Máquina de ciclo de ar de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a segunda turbina é configurada para receber um terceiro meio e em que o terceiro meio é ar de descarga de cabine.
8. Máquina de ciclo de ar de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o primeiro meio compreende ar fresco e em que o segundo meio compreende ar de sangria.
9. Sistema de condicionamento de ar para uma aeronave, caracterizado pelo fato de que compreende: um compressor configurado para comprimir um primeiro meio; uma turbina configurada para receber um segundo meio; um ponto de mistura a jusante do compressor e a jusante da turbina; e um eixo acoplando mecanicamente o compressor e a turbina.
10. Sistema de condicionamento de ar de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que compreende ainda uma segunda turbina montada no eixo e configurada para expandir o primeiro meio.
11. Sistema de condicionamento de ar de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um ventilador acionado por uma terceira turbina accionada pelo segundo meio.
12. Sistema de condicionamento de ar de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um rotor integral compreendendo a terceira turbina e o ventilador.
13. Sistema de condicionamento de ar de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um segundo eixo acoplando mecanicamente ao ventilador e a terceira turbina.
14. Sistema de condicionamento de ar de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um ventilador acionado por um motor.
15. Sistema de condicionamento de ar de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a segunda turbina é configurada para receber um terceiro meio e em que o terceiro meio é ar de descarga de cabine.
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