BR102017011086A2 - Air cycle machine, and, air conditioning system - Google Patents

Abstract

máquina de ciclo de ar, e, sistema de condicionamento de ar. uma máquina de ciclo de ar é fornecida. a máquina de ciclo de ar pode ser incluída num sistema de controle ambiental de uma aeronave. a máquina de ciclo de ar pode incluir uma turbina compreendendo uma pluralidade de caminhos de fluxo de entrada de gás; um compressor acionado pela turbina a partir de um eixo e um ventilador acionado pela turbina a partir do eixo.

Description

“MÁQUINA DE CICLO DE AR, E, SISTEMA DE CONDICIONAMENTO DE AR” FUNDAMENTOS

[001] Em geral, os sistemas de condicionamento de ar contemporâneos são abastecidos por 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 modalidade, é proporcionada uma máquina de ciclo de ar para um sistema de controle ambiental para uma aeronave. A máquina de ciclo de ar compreende uma turbina compreendendo uma pluralidade de caminhos de fluxo de entrada de gás; um compressor acionado pela turbina a partir de um eixo; e um ventilador acionado pela turbina a partir do eixo.

[003] De acordo com uma ou mais modalidades ou a modalidade de máquina de ciclo de ar acima, a turbina pode estar localizado na primeira extremidade do 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 segunda extremidade do eixo.

[005] De acordo com uma ou mais modalidades ou qualquer das modalidades de máquina de ciclo de ar acima, o compressor pode estar localizado no eixo entre a turbina e o ventilador.

[006] De acordo com uma ou mais modalidades ou qualquer das modalidades da máquina de ciclo de ar acima, a pluralidade de caminhos de fluxo de gás de entrada pode compreender um caminho de fluxo interno e um caminho de fluxo externo.

[007] De acordo com uma ou mais modalidades ou qualquer das modalidades da máquina de ciclo de ar acima, o caminho de fluxo interno da turbina pode ser um primeiro diâmetro e o caminho de fluxo externo da turbina pode ser um segundo diâmetro.

[008] De acordo com uma ou mais modalidades ou qualquer uma das modalidades da máquina de ciclo de ar acima, a máquina de ciclo de ar pode compreender uma turbina de potência.

[009] De acordo com uma ou mais modalidades ou qualquer das modalidades de máquina de ciclo de ar acima, a turbina de potência pode estar localizada no eixo entre o ventilador e o compressor.

[0010] De acordo com uma ou mais modalidades ou qualquer das modalidades de máquina de ciclo de ar acima, a turbina de potência pode estar localizada no eixo entre a turbina e o compressor.

[0011] De acordo com uma ou mais modalidades, é proporcionado um sistema de condicionamento de ar. O sistema de condicionamento de ar pode compreender uma primeira turbina compreendendo uma pluralidade de caminhos de fluxo de gás de entrada; um compressor acionado pela primeira turbina a partir de um eixo; uma segunda turbina; e um ventilador acionado pela segunda turbina.

[0012] De acordo com uma ou mais modalidades ou a modalidade de sistema de condicionamento de ar acima, a primeira turbina pode estar localizada numa primeira extremidade do eixo.

[0013] De acordo com uma ou mais modalidades ou qualquer das modalidades de sistema de condicionamento de ar acima, o compressor pode estar localizado numa segunda extremidade do eixo.

[0014] De acordo com uma ou mais modalidades ou qualquer das modalidades do sistema de condicionado de ar acima, a segunda turbina e o ventilador podem ser um rotor integral.

[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 segundo eixo acoplando o ventilador e a segunda turbina.

[0016] 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 turbina de potência.

[0017] De acordo com uma ou mais modalidades ou qualquer das modalidades do sistema de condicionamento de ar acima, a turbina de potência pode estar localizada no eixo entre o compressor e a primeira turbina.

[0018] De acordo com uma ou mais modalidades ou qualquer das modalidades de sistema de condicionamento de ar acima, a primeira turbina pode estar localizada numa primeira extremidade do eixo.

[0019] De acordo com uma ou mais modalidades ou qualquer das modalidades do sistema de condicionamento de ar acima, a turbina de potência pode estar localizada numa segunda extremidade do eixo de conexão.

[0020] De acordo com uma ou mais modalidades ou qualquer das modalidades do sistema de condicionamento de ar acima, o compressor pode estar localizado entre a primeira turbina e a turbina de potência.

[0021] De acordo com uma ou mais modalidades, é proporcionado um sistema de condicionamento de ar. O sistema de condicionamento de ar pode compreender uma turbina compreendendo uma pluralidade de caminhos de fluxo de gás de entrada; um compressor acionado pela turbina via um eixo; um motor; e um ventilador acionado pelo motor.

[0022] De acordo com uma ou mais modalidades ou a modalidade de sistema de condicionamento de ar acima, a turbina pode estar localizada numa primeira extremidade do eixo.

[0023] De acordo com uma ou mais modalidades ou qualquer das modalidades de sistema de condicionamento de ar acima, o compressor pode estar localizado numa segunda extremidade do eixo.

[0024] 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 turbina de potência.

[0025] De acordo com uma ou mais modalidades ou qualquer das modalidades de sistema de condicionamento de ar acima, a turbina de potência pode estar localizada numa primeira extremidade do eixo.

[0026] De acordo com uma ou mais modalidades ou qualquer das modalidades do sistema de condicionamento de ar acima, a turbina de potência pode estar localizada no eixo entre a turbina e o compressor.

[0027] 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

[0028] 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; e 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, ar 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 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, em que o sistema de controle ambiental inclui um ventilador acionado por ar de sangria de acordo com outra 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 eletricamente, ar de acordo com outra modalidade; A FIG. 8 é um diagrama de esquemáticos de difusores de um dispositivo de compressão de acordo com uma modalidade; A FIG. 9 é um diagrama de esquemáticos de enflechamento de rotor de compressor de acordo com uma modalidade; A FIG. 10 ilustra um diagrama de colocação de sangria de ressalto de acordo com uma modalidade; e A FIG. 11 é um diagrama de esquemático de um canal de fluxo misto de acordo com uma modalidade.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0029] 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.

[0030] 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.

[0031] 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 114, 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 162, um extrator de água 164 e um reaquecedor 160.

[0032] 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.

[0033] 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 114.

[0034] A turbina 114 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 um resfriamento variável para controlar temperaturas. O casco 119 recebe e dirige um meio (tal como ar ram) através do sistema 100.

[0035] 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.

[0036] O condensador 162 e o reaquecedor 160 são tipos particulares de trocadores de calor. O extrator de água 164 é um dispositivo mecânico que executa um processo de tirar água do meio. Juntos, o condensador 162, extrator de água 164 e/ou o reaquecedor 160 podem combinar para ser um separador de água de alta pressão.

[0037] 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.

[0038] 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 sólidas. Uma válvula VI (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.

[0039] 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. 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.

[0040] Voltando agora para a FIG. 2, um esquemático de um sistema de controle ambiental 200 (por exemplo, uma modalidade do sistema 100), como ele podería ser instalado em uma aeronave, onde em operação o sistema de controle ambiental 200 mistura ar fresco (por exemplo, um primeiro meio) com ar de sangria (por exemplo, um segundo meio), 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 uma entrada 201 e uma saída 202. Componentes alternativos do sistema de controle ambiental 200 incluem um dispositivo de compressão 210 o qual compreende um compressor 212, uma turbina 214, um eixo 218 e um ventilador 316, juntamente com um trocador de calor de saída 230, um coletor de água 271 e um coletor de água 272. Notem que o sistema de controle ambiental 200 fornece um caminho para o meio denotado pela linha ponto-traço F2 (onde o meio pode ser fornecido da câmara 102 para o sistema de controle ambiental 200). Notem que a turbina 214 pode ser uma turbina de dupla utilização e/ou de entrada dupla. Uma turbina de dupla utilização está configurada para receber fluxos de diferentes meios alternativos. Uma turbina de entrada dupla é configurada com múltiplos bocais que podem receber fluxos de meios em diferentes pontos de entrada, de modo que múltiplos fluxos possam ser recebidos simultaneamente. Por exemplo, a turbina 214 pode incluir uma pluralidade de caminhos de fluxo de gás de entrada, tal como um caminho de fluxo interno e um caminho de fluxo externo, para permitir mistura de fluxos de meio alternativos na saída da turbina 214. O caminho de fluxo interno pode ser um primeiro diâmetro e o caminho de fluxo externo pode ser um segundo diâmetro. O caminho de fluxo interno pode alinhar com um dos primeiro ou segundo bocais e o caminho de fluxo externo pode alinhar com o outro dos primeiro ou segundo bocais.

[0041] Tendo em vista a modalidade de aeronave acima, quando um meio está sendo proporcionado pela câmara 102 (por exemplo, um volume pressurizado, cabine da aeronave ou cabine 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 enviada para uma saída (por exemplo, libera para o ar ambiente através do casco 119).

[0042] 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). O ar externo fresco pode ser adquirido de 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.

[0043] 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 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 da turbina 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.

[0044] O ar de alta pressão frio entra na turbina 214 através de um bocal (por exemplo, um primeiro bocal). O ar de alta pressão frio é expandido através da turbina 214 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).

[0045] O ato de comprimir o ar externo fresco aquece o ar externo fresco. O ar externo fresco comprimido entra no trocador de calor 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. O ar de média pressão frio, então, entra na turbina 214 através de um bocal (por exemplo, um segundo 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 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.

[0046] 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 numa saída da turbina 214 para produzir ar misturado. A saída da turbina 214 pode ser considerada um primeiro ponto de mistura do sistema de controle ambiental 200. O ar misturado sai da turbina 214 e 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.

[0047] 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.

[0048] Em operação em alta altitude do sistema de controle ambiental 200, o ar externo fresco pode ser misturado a jusante da turbina 214 (em vez de na saída da turbina 214 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 da turbina 214 e/ou a jusante do condensador 160. O local no qual este ar 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.

[0049] 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.

[0050] As FIGS. 3 e 4 ilustram variações do sistema de controle ambiental 200. Em geral. 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 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). Notem que a turbina 214 pode ser uma turbina de dupla utilização e/ou de entrada dupla.

[0051] 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 216) da máquina de ciclo de ar (por exemplo, o dispositivo de compressão 210) 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.

[0052] 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.

[0053] 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 216) da máquina de ciclo de ar (por exemplo, o dispositivo de compressão 210) 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.

[0054] Voltando agora para a FIG. 5, um esquemático de um sistema de controle ambiental 500 (por exemplo, uma modalidade do sistema 100), como ele podería ser instalado em uma aeronave, onde em operação o sistema de controle ambiental 500 mistura ar fresco (por exemplo, um primeiro meio) com ar de sangria (por exemplo, um segundo meio), 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. Componentes alternativos do sistema de controle ambiental 500 incluem um dispositivo de compressão 510 que compreende um compressor 512, um eixo 513, uma turbina 514, uma turbina 515 juntamente com caminhos para o meio denotados pelas linhas de ponto-traço F3 e F4 (onde o meio pode ser fornecido do trocador de calor de saída 230 através de uma válvula V5 para o casco 119 ou a turbina 515). Notem que a turbina 514 pode ser uma turbina de dupla utilização e/ou de entrada dupla.

[0055] Em operação a baixa altitude do sistema de controle ambiental 500, 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 resina 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 da turbina 514 do dispositivo de compressão 510. 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.

[0056] O ar de alta pressão frio entra na turbina 514 através de um bocal (por exemplo, um primeiro bocal). O ar de alta pressão frio é expandido através da turbina 514 e trabalho extraído do ar de alta pressão frio. Este trabalho extraído aciona o compressor 512 utilizado para comprimir o ar externo fresco. Este trabalho extraído também aciona o ventilador 516, o qual é usado para mover ar através do trocador de calor primário 120 e do trocador de calor secundário 130.

[0057] O ato de comprimir o ar externo fresco aquece o ar externo fresco. O ar externo fresco comprimido entra no trocador de calor 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. O ar de média pressão frio, então, entra na turbina 514 através de um bocal (por exemplo, um segundo bocal). O ar de pressão média frio é expandido através da turbina 514 e trabalho extraído do ar de alta pressão frio.

[0058] 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 numa saída da turbina 514 para produzir ar misturado. A saída da turbina 514 pode ser considerada um primeiro ponto de mistura do sistema de controle ambiental 200. O ar misturado sai da turbina 514 e 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.

[0059] 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.

[0060] Em operação em alta altitude do sistema de controle ambiental 500, o ar externo fresco pode ser misturado a jusante da turbina 514 (em vez de na saída da turbina 514 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 da turbina 514 e/ou 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 500.

[0061] Além disso, a energia no ar de descarga de cabine saindo do trocador de calor de saída 230 é utilizada para alimentar o compressor 512 alimentando (por exemplo, a linha traço-ponto F3) o ar de descarga de cabine para a turbina 515. Deste modo, a turbina adicional ou segunda turbina 515 incluída no dispositivo de compressão 510 pode ser alimentada com ar quente da válvula V5 (por exemplo, uma válvula de saída). Por sua vez, o compressor 512 recebe energia tanto do ar de sangria (através da turbina 514) como do ar de descarga de cabine (através da turbina 515). Se a energia não for escolhida para ser utilizada, o ar de descarga de cabine pode ser enviado para o exterior através do casco 119, como mostrado pela linha ponto-traço F4.

[0062] 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 500 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.

[0063] As FIGS. 6 e 7 ilustram variações do sistema de controle ambiental 200. Em geral. Voltando agora para a FIG. 6, um esquemático de um sistema de controle ambiental 600 (por exemplo, uma modalidade do sistema de controle ambiental 500) é representado de acordo com uma modalidade. 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 um dispositivo de compressão 610 que compreende um compressor 612, um eixo 613, uma turbina 614 e uma turbina 615 (onde a turbina 615 pode receber o meio da válvula V5). Notem que a turbina 614 pode ser uma turbina de dupla utilização e/ou de entrada dupla.

[0064] O sistema de controle ambiental 600 opera de modo semelhante ao sistema de controle ambiental 500, em que são utilizados diferentes pontos de mistura com base no modo de operação. Além disso, o sistema de controle ambiental 600 separa o ventilador de ar ram (por exemplo, ventilador 516) da máquina de ciclo de ar (por exemplo, o dispositivo de compressão 510) 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.

[0065] Além disso, a energia no ar de descarga de cabine saindo do trocador de calor de saída 230 é utilizada para alimentar o compressor 612 alimentando (por exemplo, a linha traço-ponto F3) o ar de descarga de cabine para a turbina 615. Deste modo, a turbina adicional ou segunda turbina 615 incluída no dispositivo de compressão 610 pode ser alimentada com ar quente da válvula V5 (por exemplo, uma válvula de saída). Por sua vez, o compressor 612 recebe energia tanto do ar de sangria (através da turbina 614) como do ar de descarga de cabine (através da turbina 615). Se a energia não for escolhida para ser utilizada, o ar de descarga de cabine pode ser enviado para o exterior através do casco 119, como mostrado pela linha ponto-traço F4.

[0066] Voltando agora para a FIG. 7, um esquemático de um sistema de controle ambiental 700 (por exemplo, uma modalidade do sistema de controle ambiental 500) é representado de acordo com uma modalidade. Os componentes dos sistemas 100, 200, 300 e 400 que são semelhantes ao sistema de controle ambiental 700 foram reutilizados para facilidade de explicação, usando os mesmos identificadores, e não são reapresentados.

[0067] O sistema de controle ambiental 700 opera de modo semelhante ao sistema de controle ambiental 500, 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 516) da máquina de ciclo de ar (por exemplo, o dispositivo de compressão 510) e abastece o ventilador de ar ram dentro do dispositivo de rotação 716. O motor 717 do dispositivo de rotação 716 é alimentado por energia elétrica.

[0068] Além disso, os sistemas acima 100, 200, 300, 400, 500, 600 e 700 podem utilizar ainda um compressor intensificado como o compressor 112 (ou compressores 312, 512 e 612) para tratar de preocupações de faixa de compressor durante operações do sistema 100. Por exemplo, modalidades do presente documento fornecem um sistema de controle ambiental que utiliza pressões de sangria para alimentar o sistema de controle ambiental e para fornecer pressurização de cabine e resfriamento em uma alta eficiência de queima de combustível do motor, juntamente com a inclusão do compressor intensificado que tem alta eficiência através de uma faixa de fluxo corrigido e pressão muito mais ampla que o compressor centrífugo convencional. O compressor intensificado pode incluir um ou mais de um compressor com enflechamento de rotor alto, sangria de ressalto e um difusor de baixa solidez; um difusor de palheta variável e um compressor de fluxo misto. O compressor intensificado será agora descrito com respeito às FIGS. 8-11.

[0069] A FIG. 8 é um diagrama de esquemáticos de difusores de um dispositivo de compressão de acordo com uma modalidade. A FIG. 8 ilustra uma pluralidade de difusores, um esquemático 810 de um difusor de baixa solidez, um esquemático 820 de um difusor de canal curvo e um esquemático 830 de um difusor de palheta variável. Um difusor converte a pressão dinâmica do meio que flui a jusante do rotor em elevação de pressão estática diminuindo gradualmente/difundindo uma velocidade do meio (por exemplo, aumenta a pressão estática deixando o rotor). O difusor pode ser sem palhetas, com palhetas ou uma combinação alternada. Como diferentes tipos de difusor impactam a faixa e a eficiência do compressor 112 (ou compressores 312, 512 e 612) um destes difusores 810, 820 e 830 pode ser utilizado dentro do compressor 112 (ou compressores 312, 512e612) (por exemplo, na posição 1106 descrita abaixo com respeito à FIG. 11). O difusor de baixa solidez tem um menor número de palhetas e proporciona uma ampla faixa de operação com uma eficiência mais baixa. O difusor de canal curvo estende os arcos de cada uma das palhetas e proporciona uma faixa de operação estreita com uma alta eficiência. O difusor de palheta variável compreende uma pluralidade de palhetas, cada uma das quais é configurada para girar em tomo de um pino quando um elemento de articulação move a pluralidade de palhetas e fornece uma faixa de operação muito alta com uma alta eficiência. Além disso, um único difusor que tem uma combinação de dois ou mais dos difusores 810, 820 e 830 pode também ser utilizado.

[0070] Voltando agora para as FIGS. 9 a 10, o compressor intensificado será agora descrito com respeito ao compressor 112 (ou compressores 312, 512 e 612) incluindo um alto enflechamento de rotor com sangria de ressalto e um difusor de baixa solidez.

[0071] A FIG. 9 é um diagrama de esquemáticos de um enflechamento de rotor de compressor de acordo com uma modalidade. A FIG. 9 ilustra um primeiro rotor 900 com uma pluralidade de pás 902 de acordo com uma modalidade. Conforme ilustrado, uma linha de referência 904 se estende radialmente de um centro do rotor 900. Uma linha pontilhada 906 rastreia uma direção da pá de rotor 902, se a pá de rotor 902 fosse estendida de uma borda circunferencial do rotor 900. Conforme mostrado, a direção da pá de rotor 902 (por exemplo, linha pontilhada 906) está em paralelo com a linha de referência 904 a qual indica nenhum enflechamento de rotor.

[0072] A FIG. 9 também ilustra um alto enflechamento de rotor 950 com uma pluralidade de pás 952 de acordo com uma modalidade. Conforme ilustrado, uma linha de referência 954 se estende radialmente de um centro do rotor 950. Uma linha pontilhada 956 rastreia uma direção da pá de rotor 952, se a pá de rotor 952 fosse estendida de uma borda circunferencial do rotor 950. Conforme mostrado, a direção da pá de rotor 952 (por exemplo, linha pontilhada 956) não é paralela com a linha de referência 954, o que indica um enflechamento de rotor. O enflechamento pode ser predeterminado durante a fabricação do rotor e pode variar de 0o a 90°. Modalidades do enflechamento incluem, mas sem limitação, 0o, 30°, 42°, 45° e 52°.

[0073] A FIG. 10 ilustra um diagrama de colocação de sangria de ressalto 1000 o qual inclui uma pluralidade de demarcações e linhas se sobrepondo a uma vista sombreada de uma porção de um rotor de acordo com uma modalidade. Conforme mostrado, pás de rotor ou pás de impelidor 1002 (por exemplo, pás de impelidor 1002.1 e 1002.2) delimitam um caminho de fluxo. De uma ponta de ressalto 1003 da pá de impelidor 1002.1 (isto é, uma borda de ataque de pá de impelidor) até uma superfície de sucção de ressalto 1004 da pá de impelidor 1002.2 uma garganta 1005 do caminho de fluxo é formada. Num local onde a garganta 1005 contata a superfície de sução de ressalto 1004 da pá de impelidor 1002.2, um plano 1016 é formado. O plano 1016 é perpendicular a um eixo de rotação 1017 do próprio rotor. O plano 1016 pode ser utilizado para desviar 1021 uma sangria de ressalto 1023. Numa modalidade, o desvio 1021 pode ser selecionado de uma faixa, tal como uma faixa de 0 a 0,90 polegada.

[0074] A sangria de ressalto 1023 pode ser uma abertura para permitir que uma porção de um meio no caminho de fluxo sangre para fora ou para dentro do caminho de fluxo em vez de sair do rotor. A sangria de ressalto 1023 pode ser circunferencialmente localizada num alojamento do rotor. A sangria de ressalto 1023 pode compreender uma ou mais aberturas, cada uma das quais pode ser segmentada em intervalos, comprimentos e/ou padrões fixos ou variáveis, para acomodar diferentes taxas de sangria. A sangria de ressalto 1023 pode ser de furos, fendas, cortes, etc. A sangria de ressalto 1023 pode ser definida por uma área, tal como uma área aberta total que é uma porcentagem, por exemplo, 0 a 50% de uma área de garganta de entrada de rotor total 1024. A área de garganta de entrada de rotor total 1024 é definida pela área 1024 entre cada par de pás de impelidor 1002.

[0075] A FIG. 11 é um diagrama de esquemático de um canal de fluxo misto de acordo com uma modalidade. A FIG. 11 ilustra uma vista em seção transversal 1100 do compressor 112 (ou compressores 312, 512 e 612). Como mostrado na vista em seção transversal 1100, o compressor 112 (ou compressores 312, 512 e 612) compreende uma entrada 1102 e uma saída 1104 que definem um caminho de fluxo. Isto é, o caminho de fluxo entre a entrada 1102 e a saída 1104 é o canal de fluxo misto. O canal de fluxo misto pode alojar um difusor na posição 1106 e um rotor na posição 1108. Um formato do canal de fluxo misto pode ser selecionado para estar entre uma faixa de um canal de 1110.1 a um canal 1110.2. Por exemplo, o canal de 1110.1 é um caminho de fluxo reto, onde um fluxo de um meio através do canal 1110.1 é paralelo a um eixo de rotação do rotor. Além disso, o canal 1110.2 é um canal de fluxo dobrado onde o fluxo do meio através do canal 1110.2 começa na entrada 1102 em paralelo com o eixo de rotação do rotor e termina na saída 1104 perpendicular ao eixo de rotação do rotor.

[0076] 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.

[0077] 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.

[0078] 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.

[0079] 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, caracterizada pelo fato de que compreende: uma turbina compreendendo uma pluralidade de caminhos de fluxo de gás de entrada; um compressor acionado pela turbina de um eixo; e um ventilador acionado pela turbina do eixo.

2. Máquina de ciclo de ar de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a turbina está localizada numa primeira extremidade do eixo.

3. Máquina de ciclo de ar de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que o ventilador está localizado numa segunda extremidade do eixo.

4. Máquina de ciclo de ar de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que o compressor está localizado no eixo entre a turbina e o ventilador.

5. Máquina de ciclo de ar de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a pluralidade de caminhos de fluxo de gás de entrada compreende um caminho de fluxo interno e um caminho de fluxo externo.

6. Máquina de ciclo de ar de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que o caminho de fluxo interno de turbina é um primeiro diâmetro e o caminho de fluxo externo de turbina está em um segundo diâmetro.

7. Máquina de ciclo de ar de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende ainda uma turbina de potência.

8. Máquina de ciclo de ar de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que a turbina de potência está localizada no eixo entre o ventilador e o compressor.

9. Máquina de ciclo de ar de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que a turbina de potência está localizada no eixo entre a turbina e o compressor.

10. Sistema de condicionamento de ar, caracterizado pelo fato de que compreende: uma primeira turbina compreendendo uma pluralidade de caminhos de fluxo de gás de entrada; um compressor acionado pela primeira turbina de um eixo; uma segunda turbina; e um ventilador acionado pela segunda turbina.

11. Sistema de condicionamento de ar de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a primeira turbina está localizada numa primeira extremidade do eixo.

12. Sistema de condicionamento de ar de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o compressor está localizado numa segunda extremidade do eixo.

13. Sistema de condicionamento de ar de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a segunda turbina e o ventilador são um rotor integral.

14. Sistema de condicionamento de ar de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: um segundo eixo acoplando o ventilador e a segunda turbina.

15. Sistema de condicionamento de ar de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma turbina de potência.