CN101476792A - 带预冷器的动力涡轮驱动的逆升压式空气循环制冷系统 - Google Patents
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Abstract
一种带预冷器的动力涡轮驱动的逆升压式空气循环制冷系统，它可应用于电子设备吊舱之上。该系统在传统的逆升压式空气循环制冷系统涡轮－压气机组件之间增加了一同轴工作的动力涡轮，并利用动力涡轮的排气，经过预冷器来冷却流入系统中的冲压空气。该系统有两种运行方式：当负荷不大，冷量足够时，按照传统模式运行，动力涡轮不工作，这时系统为一简单逆升压式空气循环制冷系统；当负荷较大、简单逆升压式系统所提供的冷量不足满足需要时，动力涡轮工作，部分冲压空气经动力涡轮膨胀输出机械功，并利用预冷器回收动力涡轮的部分冷量，以达到增加系统运行速度、增大冷却涡轮温降和系统制冷量的目的。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种带预冷器的动力涡轮驱动的逆升压式空气循环制冷系统，它可应用于现代军用飞机电子设备吊舱，作为吊舱环境控制系统的核心组件，保证吊舱中的设备在干燥、清洁、温度适中的环境下可靠工作。
背景技术
军用飞机电子设备吊舱是近20年来发达国家积极研制并已进入实用的一种高科技武器装备。为保证吊舱中的设备在干燥、清洁、温度适宜的环境中可靠工作，同时又不影响吊舱使用的通用性和灵活性，必须在吊舱中装备独立的环境控制系统。由于不能直接采用飞机发动机压气机引气作为动力源，同时又受到载机电源紧张和吊舱本身要求体积小、重量轻等条件的限制，而且，随着吊舱电子设备负荷的进一步增加，对系统提出了更高的要求，这使得如何解决吊舱环境控制问题，成为了航空低温制冷领域中急待解决的新课题。
目前电子设备吊舱所采用的环控系统主要有蒸发循环方式和空气循环方式两类。
美国LANTIRN吊舱的环控系统采用了独立的、能效比高的蒸发循环制冷系统(附图1)。该系统通过氟利昂R-114在蒸发器内蒸发吸热来冷却液体载冷剂(Coolanal 25)，再通过被冷却的液体载冷剂去吸取吊舱电子设备热载荷。冷凝器采用冲压空气作为冷源。当外界环境空气温度较低时，可控制压缩机停机，旁路冷却回路打开，载冷剂直接通过冷凝器/旁路热交换器把热载荷散到冲压空气中去。该系统虽具有众多优点，但也存在着结构复杂，成本高，耗电量大等缺点，而且在可靠性和安全性方面也有待进一步验证。
英国GEC-Ferranti公司研制的TIALD吊舱采用了独立的冲压空气冷却的环控系统方式，其系统原理如附图2所示。
冲压空气通过进气道进入系统后，按系统工作方式的不同沿不同的途径流动。当外界环境温度较低或飞机飞行速度较低时，系统以冲压空气方式工作，此时涡轮旁通阀打开，冲压空气不通过冷却涡轮而直接流向电子设备，在吸收了电子设备的热量后通过单向阀排出舱外。当外界环境温度较高时，系统以空气循环制冷方式工作，此时涡轮旁通阀门关闭，由进气道捕获的冲压空气进入冷却涡轮中膨胀降温，涡轮出口的低温空气流入电子设备舱，带走热负荷的空气再经由涡轮带动的压气机增压至适当值排出舱外。
由于冲压空气压力低，涡轮基本处于小膨胀比和小焓降状态，且涡轮进气度小，使得涡轮的效率大幅度下降，系统制冷量有限。随着电子设备负荷的进一步增加，该方案不能很好地满足制冷量不断增大的要求。
为了增大制冷量，有研究人员提出了逆升压回冷式空气循环方案，如附图3所示。该方案充分吸收了TIALD吊舱的长处，并用设备舱出口空气冷却冲压空气，以降低涡轮入口空气温度，进而增大系统制冷量。但该方案对制冷量增大效果始终是有限的。
为了解决冲压空气循环制冷系统制冷量不足的问题，亦有人提出了高速电机驱动的逆升压式空气循环制冷系统，系统工作原理如附图4所示。该方案是在传统涡轮-压气机方案上增加了一台同轴工作的高速电机。它有两种工作模式：当负荷不大，冷量足够时按照传统方案模式工作，高速电机不工作；当负荷较大、简单逆升压式系统所提供的冷量不足满足需要时，高速电机输出机械能，以提高涡轮转速，增大涡轮温降和系统制冷量。
该方案无疑需要消耗一定量的电能，这就给载机电源提出了更高要求，同时，高速电机运转时的冷却问题也没有得到有效解决，限制了该方案的有效应用。
为了避免依赖载机电源，有人提出了动力涡轮驱动的逆升压式空气循环制冷系统，系统工作原理如附图5所示。该方案是在传统涡轮-压气机方案上增加了一台同轴工作的动力涡轮。它有两种工作模式：当负荷不大，冷量足够时，按照传统逆升压方案模式工作，旁通活门关闭，动力涡轮不工作；当负荷较大、简单逆升压式系统所提供的冷量不满足需要时，旁通活门开启，一部分冲压空气进入冷却涡轮中膨胀降温，冷却涡轮出口的低温空气流入电子设备舱，冷却各种设备，带走热载荷的空气经由涡轮带动的压气机增压至适当值；另一部分冲压空气通过旁通活门进入动力涡轮，在其中膨胀降温并输出机械功以增大冷却涡轮温降和系统制冷量，动力涡轮出口的空气与压气机排气混合排出吊舱外。
发明内容
为了克服吊舱环境控制系统所面临的种种困难，本发明提供一种带预冷器的动力涡轮驱动的逆升压式空气循环制冷系统，该系统在动力涡轮驱动的逆升压式空气循环制冷系统的基础上增设一预冷器，以进一步回收能量，提供系统性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：从附图6中可见，与动力涡轮驱动的逆升压式空气循环制冷系统相比，本发明在涡轮入口处增设一预冷器，利用动力涡轮排气经过预冷器对进入系统的冲压空气进行冷却，以达到回收能量、提高效率的目的。该系统有两种工作方式：当负荷较大、简单逆升压式系统所提供的冷量不满足需要时，旁通活门开启，冲压空气流经预冷器经由动力涡轮出口的排气预冷后分成两部分，一部分冲压空气流经旁通活门，然后在动力涡轮中膨胀并输出机械功以提高转速，增大冷却涡轮温降和系统制冷量，动力涡轮的排气流入预冷器冷却冲压空气，从而回收动力涡轮排气的部分冷量，以降低冷却涡轮入口空气温度，进而增大系统制冷量。流出预冷器的空气与压气机排气混合排出吊舱外；另一部分冲压空气进入冷却涡轮中膨胀降温，冷却涡轮出口的低温空气流入电子设备舱的冷板或散热翅片，冷却各种设备，带走热载荷的空气再经由动力涡轮带动的压气机增压至适当值。当负荷不大，冷量足够时，旁通活门关闭，动力涡轮和预冷器则不工作，该系统类似于传统的逆升压式空气循环制冷系统，由进气道捕获的冲压空气进入冷却涡轮中膨胀降温，冷却涡轮出口的低温空气流入电子设备舱的冷板或散热翅片，冷却各种设备，带走热载荷的空气再经由动力涡轮带动的压气机增压至适当值排出吊舱外。
本发明的有益效果是：系统冷却涡轮进气度大，不会出现效率下降的问题；涡轮速比大、膨胀比大、温降大、制冷量显著增大；不需要消耗载机电能，吊舱使用的通用性和灵活性高；增设一预冷器回收冷量，制冷量进一步增大。
附图说明
下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。
图1是LANTIRN吊舱蒸发循环冷却系统原理图。
图1中：1.单向阀2.流量开关3.电磁阀B4.电磁阀A5.热力膨胀阀6.干燥过滤器7.热气旁通阀8.冷凝器9.旁路热交换器10.风扇11.冲压空气12.压缩机13.蒸发器14.储压器15.泵16.热载荷
图2是TIALD吊舱冲压空气冷却系统原理图。
图2中：1.冲压空气2.旁通阀3.涡轮4.涡轮旁通5.热载荷6.单向阀7.压气机旁通8.压气机9.排气
图3是逆升压回冷式空气循环制冷的吊舱环控系统。
图3中：1.冲压空气2.电动调节阀3.回冷器4.涡轮5.热载荷6.单向阀7.压气机8.排气喷嘴9.排气
图4是高速电机驱动的逆升压制冷系统原理图。
图4中：1.冲压空气2.涡轮3.热载荷4.压气机5.排气6.高速电机
图5是动力涡轮驱动的逆升压空气循环制冷系统原理图。
图5中：1.冲压空气2.冷却涡轮3.热载荷4.动力涡轮5.压气机6.排气7.旁通活门
图6是本发明的系统原理图。
图6中：1.冲压空气2.压气机3.动力涡轮4.热载荷5.冷却涡轮6.旁通活门7.预冷器8.排气
具体实施方式
在附图6中，当负荷较大、简单逆升压式系统所提供的冷量不满足需要时，旁通活门(6)开启，冲压空气(1)流经预冷器(7)经由动力涡轮(3)出口的排气预冷后分成两部分，一部分冲压空气(1)流经旁通活门(6)，然后在动力涡轮(3)中膨胀并输出机械功以提高转速，增大冷却涡轮(5)温降和系统制冷量，动力涡轮(3)的排气流入预冷器(7)冷却冲压空气，从而回收动力涡轮(3)排气的部分冷量，以降低冷却涡轮(5)入口空气温度，进而增大系统制冷量，流出预冷器(7)的空气与压气机(2)排气混合排出吊舱外；另一部分冲压空气进入冷却涡轮(5)中膨胀降温，冷却涡轮(5)出口的低温空气流入电子设备舱的冷板或散热翅片，冷却各种设备，带走热载荷(4)的空气再经由动力涡轮(3)带动的压气机(2)增压至适当值。当负荷不大，冷量足够时，旁通活门(6)关闭，动力涡轮(3)和预冷器(7)则不工作，该系统类似于传统的逆升压式空气循环制冷系统，由进气道捕获的冲压空气(1)进入冷却涡轮(5)中膨胀降温，冷却涡轮(5)出口的低温空气流入电子设备舱的冷板或散热翅片，冷却各种设备，带走热载荷(4)的空气再经由动力涡轮(3)带动的压气机(2)增压至适当值排出吊舱外。
Claims (6)
1.一种带预冷器的动力涡轮驱动的逆升压式空气循环制冷系统，主要由冷却涡轮、吊舱、旁通活门、动力涡轮、预冷器、压气机组成，其特征是：在动力涡轮驱动的逆升压式空气循环制冷系统的涡轮入口增设一预冷器。
2.根据权利要求1所述的带预冷器的动力涡轮驱动的逆升压式空气循环制冷系统，其特征是：系统存在两种工作方式。
3.根据权利要求2所述的两种工作方式，其特征是：当负荷不大，冷量足够时，按照传统模式运行，动力涡轮(3)不工作，这时系统为一简单逆升压式空气循环制冷系统；当负荷较大、简单逆升压式系统所提供的冷量不满足需要时，动力涡轮(3)工作，部分冲压空气(1)经动力涡轮(3)膨胀输出机械功，并利用预冷器(7)回收动力涡轮的部分冷量。
4.根据权利要求1所述的带预冷器的动力涡轮驱动的逆升压式空气循环制冷系统，其特征是：当负荷不大，冷量足够时，旁通活门(6)关闭，当负荷较大、简单逆升压式系统所提供的冷量不满足需要时，旁通活门(6)开启。
5.根据权利要求1所述的带预冷器的动力涡轮驱动的逆升压式空气循环制冷系统，其特征是：动力涡轮(3)出口空气作为预冷器(7)的冷源，对冲压空气(1)进行冷却。
6.根据权利要求1所述的带预冷器的动力涡轮驱动的逆升压式空气循环制冷系统，其特征是：动力涡轮(3)与冷却涡轮(5)、压气机(2)同轴工作。
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