CN101883720B - 具有混合模式放气操作的空调系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于操作飞机的至少一个空调系统(26)的能量供应系统，具有至少一个空气线路网络和至少一个电力线路网络，其中所述空气线路网络连接至所述空调系统和用于将放气路由至所述空调系统的至少一个放气连接器(18，20)，所述电力线路网络连接至所述空调系统和用于将电能路由至所述空调系统的至少一个电能源(28)，并且所述空调系统具有电可操作的冷却设备。本发明还涉及一种空调系统和一种用于对飞机进行空气调节的方法。通过根据本发明的能量供应系统，从动力单元抽出的能量更好地与操作所述空调系统和诸如机翼除冰之类的其它系统所需的能量相适应，从而减少飞机的过量燃料消耗。
Description
技术领域
本发明涉及用于操作飞机的至少一个空调系统的能量供应系统、用于飞机的空调系统和用于对飞机进行空气调节的方法。
背景技术
为了向飞机空调系统和诸如除冰系统之类的其它系统供应能量和新鲜空气，空气通常要从动力单元的压缩机级或由APU驱动的压缩机抽出，并被路由至空调系统单元(“pack(机组)”)以及机翼防冰系统。在飞行期间，该加热和加压的空气，又被称为“放气(bleed air)”，代表空调系统单元的唯一能源，该空调系统单元的能量必须同时足以为飞机座舱加压和操作对应的制冷过程。待被供应放气的各种系统的压力需求决定动力单元的压缩机级或由APU驱动的压缩机的放气连接器处的必需压力。这里的决定性因素具体是pack的需求，其需要相对高的空气压力来操作热力学循环和将冷的或新鲜空气送入座舱。
然而，较高的必需放气压力由于动力单元中更强烈的压缩还使得放气温度更高。为了防止接收放气的部件发生损坏，放气必须被限于预定的最大温度，且由此还根据其温度被预冷却器冷却。被设计为热交换器的预冷却器的操作使得吸热的附加介质成为必要，且通常采用来自飞机的主动力单元的风扇级的低压力水平的放气的形式。该冷却空气从待冷却且不再可用作进一步在飞机中使用的能量载体的放气以附加热输入沿向外的方向离开预冷却器进入飞机的环境中。
除了实际飞机空调系统的能量供应，放气还被路由至机翼前缘襟翼(“前缘缝翼”)内部的线路网络，以加热这里的前缘缝翼内部，从而阻止前缘缝翼的外部上形成冰层。
在传统的基于气动和放气的空调和能量供应系统的情况下，来自由APU驱动的压缩机的放气也用于通过气动动力单元启动器单元启动飞机的一个或多个主动力单元。该基于气动的能量架构是一种强健的且在全世界很多飞机中被使用的公认系统。然而，这种基于放气的从动力单元提取能量的方法显示出这里会发生燃气涡轮机过程的显著缺点。此外，由于放气连接器以机械安装的方式布置在动力单元的内部，因此放气连接器处的放气压力随不同的动力单元状态而改变。这样更加难以按照操作系统所需的能量来产生被抽出到线路中的气动能量的量。放气连接器的位置通常被设计成使得这里可用的放气压力在所有设计情况下总是足以正确地操作飞机空调系统(例如在热的环境下或各种有缺陷的情况下)。这意味着，施加到放气连接器的放气压力显著地超出正常状况下所需的放气压力。该差异需要使用压力和容积流速调节阀，由此从动力单元抽出的部分能量不起所用或仍未被使用。这使得在大多数操作点，放气动力被过量地从动力单元抽出，由此使总体的燃料消耗显著过量。
完全基于放气的传统空调系统的另一缺点在于由高的放气温度导致的放气连接器处的节流和排气阀的材料疲劳度加速，这相应地降低了它们的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是减少或消除上述缺点。本发明的目的具体在于提出一种能量供应系统，最初提到的这种类型的能量供应系统中，放气从飞机的动力单元的抽出被优化，使得从动力单元抽出的动力基本对应于空调系统所需的动力。本发明的目的还在于最小化过量的燃料消耗，这可能源于过量抽出的动力单元动力的节流和热损耗。
该目的通过一种用于供给飞机的至少一个空调系统的能量供应系统来实现，该能量供应系统具有至少一个空气线路网络和至少一个电力线路网络，其中所述空气线路网络连接至所述空调系统和用于将放气路由至所述空调系统的至少一个放气连接器，所述电力线路网络连接至所述空调系统和用于将电能路由至所述空调系统的至少一个电能源，并且所述空调系统具有电可操作的冷却设备。
这种能量供应系统使放气能够在相对低的压力水平下从动力单元抽出。在这方面，抽出的放气不用于完全操作包括对座舱进行加压和冷却的空气调节过程。根据本发明的能量供应系统仅提供至少保证在所有操作状态下对座舱进行加压的放气。另外的用于冷却被路由至座舱的新鲜空气所需的能量由电力冷却系统提供。空调系统的这种气动和电力混合供应是使从动力单元抽出的能量与必需能量准确且以尽可能小的损耗相适应的有利可能性。当计划抽出放气时，在通常飞机期间所预期的周围温度的偏差不必考虑在内，而是相反，可由电力冷却容易地补偿。
在一个有利的展开中，放气在每种情况下都从动力单元处的两个放气连接器被抽出，动力单元的各个放气连接器处于不同的压力下。这使得放气的抽出进一步优化，且在使用单个放气连接器时，一旦降低压力和容积流速，节流损耗就会降低。
通过在相对低的压力水平下抽出放气，放气的温度低于传统系统的情况下的放气的温度。因此，根据本发明的系统中不需要传统的放气操作的预冷却器。由冲压空气通道以及布置在其中的热交换器构成的预冷却系统的使用不再需要能量供应，因此表示过量燃料消耗的显著节省。另外，在理想情况下，不需要放气泄露检测。这是由于在对压力损耗进行了优化的配置的条件下，放气可在相关放气温度低到在放气系统发生泄露的情况下安全临界表面温度不上升的压力水平下放出。因此不再需要出于安全原因检测泄露。因此，可免除检测系统的复杂安装，使得装配飞机时的重量、成本和制造时间减少。
降低放气温度还使得使用寿命更长且放气阀的维护间隔更长，因为与现有技术相比其热负载处于可容许的水平。
用集成到动力单元中的发电机/启动器单元更换传统的气动动力单元启动器单元简化了路由放气的空气线路网络。空气线路网络的简化是通过用电力系统更换气动除冰或机翼防冰系统来提高的。因而在结冰状况下飞行期间不再需要抽出放气，因此可针对更低的容积流速和压力来设计放气连接器，并且能量从动力单元的抽出也因而另外得到优化。
若在完全的电力APU-例如采用燃料电池或类似的形式-在所讨论的飞机中使用，则当在地面上时的空气供应可由电力驱动的风扇和/或外部空气入口来提供。APU的维护成本和构造空间同时也得到减少。
该目的还通过一种具有并列权利要求的特征的空调系统和用于对飞机进行空气调节的方法来实现。
附图说明
本发明基于附图在下面被详细例示。相同的物体在图中用相同的附图标记标出，在附图中：
图1是根据现有技术的空调和能量系统的示意图；
图2是根据本发明的系统的第一实施例的示意图；
图3是根据本发明的系统的第二实施例的示意图；
图4a和4b示出根据现有技术的系统与根据本发明的系统的放气压力变化的比较；以及
图5是根据本发明的方法的示意图。
具体实施方式
图1-3中所表示的系统具有对称的结构，且作为示例，由两个反镜像系统对分构成。将结合附图阐释对单个和多个系统部件的使用，因为用独立的系统部件来描述独立的系统对分看上去最为恰当。
图1表示根据现有技术的空调和能量供应系统。这里，放气从动力单元2中被抽出，并通过预冷却器4冷却到下游装置可接受的温度。在预冷却器4中吸热的介质冷却放气形式的空气，该放气从动力单元2的风扇级被抽出，并且处于相对低的温度下。该冷却空气吸收来自更接近动力单元的燃烧室的放气连接器并离开预冷却器4进入飞机环境的较热放气的热。来自动力单元2并被冷却空气吸收的能量由此无返回地离开空调系统的区域。
通过这种方式，预冷却的放气进入空调单元(“pack(机组)”)6，在此处其相应地通过热力学过程被调节，并且(在较大型商用飞机的情况下，例如通过扩展冷却系统)被路由至混合室。经调节的空气在混合室中与来自座舱的使用过的空气以一定的混合比率被混合并被供应给座舱。放气在这方面是用于操作pack 6和对座舱进行加压的唯一能源。
从预冷却器4流出的放气也进入机翼防冰系统8，在此处其到达机翼前缘并通过输入热量阻止冰的形成。
在现有技术中，还通常发生的是，当在地面上时，利用来自由APU 10驱动的压缩机12(下文中在英语术语的意义上还被成为“load compressor(负载压缩机)”)的空气来操作飞机的空调系统。由负载压缩机12提供的空气另外还用于通过气动动力单元启动器单元14启动动力单元2。
电能由动力单元2的或APU 10的发电机16提供，尽管其并不被飞机空调系统的最重要的子系统使用。
根据本发明的系统的图2所表示的第一实施例按照一种不同的方式来使用气动和电能，并实现了较低的燃料消耗。
放气在与传统系统相比相对较低的压力水平下从动力单元2被提取出。根据飞机的实际飞行状况，放气可从两个不同的放气连接器18和20中被提取出，这两个不同的放气连接器18和20提供不同的放气压力。考虑到低的压力水平，得到的放气温度在不再需要预冷却器4的范围内。放气线路网络在与低压放气连接器18的连接点处具有止回阀22，以阻止在放气从较高压的放气连接器20被提取出时放气回流至动力单元2内。放气线路网络在较高压的放气连接器20的流径中还具有节流阀24，以调节放气的压力和体积流速，从而可通过放气的动作维持至少必需的座舱压力。
若动力单元2在地面上没有操作，则空气通过由APU 10驱动的负载压缩机12来提供。与通常的系统相反，所需的待由APU提供的空气的压力相对较低，因为空调系统26(作为对该又被称为“空调和热量管理系统”或“ACTMS”的通用术语的替代)又通过电能操作到一定程度。在ACTMS内部的制冷在这方面同时基于空气辅助的和蒸汽辅助的制冷过程。电能由APU10驱动的发电机/启动器单元28提供。APU 10可采用传统燃气涡轮机的形式，或者在未来采用燃料电池的形式。若为该目的选择了燃料电池，则负载压缩机12由电动机(未表示出)驱动，并从燃料电池中得到它的电能。
在飞行期间，所提取的空气从放气连接器18和20被路由至热交换器30，在热交换器30中空气通过直通流动(through-flowing)冲压空气被冷却。为此目的，冲压空气在飞行期间通过冲压压力，或者当在地面上时通过集成到空调系统26中的冲压空气风扇34，经由集成冲压空气通道32被提供。
空调系统26用于完整地提供对座舱36和驾驶室(未表示出)的温度调节，以及对飞行计算机和动力电子设备的附加冷却。通过空调系统26的冷却可用通用的热力学空气循环、蒸发器冷却管路或看上去适于获取必需的座舱空气温度的其它热力学循环来实现。除了放气之外，空调系统26还被供应来自发电机/启动器单元28的电能，发电机/启动器单元28由动力单元2或APU10驱动。附加电能由调节单元(未表示出)确定，以使从动力单元2提取的能量更好地与空调系统26的能量需求相适应。
从名称中可以猜到，发电机/启动器单元28被设计成不仅可用作发电机，而且还可用作用于启动动力单元2或APU 10的启动器单元。为了启动动力单元2(或第一动力单元2)，电能从APU 10的发电机/启动器单元28提供，或可替代地，由外部电力发电机(“地面动力单元”)提供。
根据本发明的系统中还使用机翼防冰系统38，该机翼防冰系统38基于电能，且由动力单元2和APU 20的发电机/启动器单元28供应。在这方面，防冰系统38可同时采用使用电热垫(mat)或类似来加热机翼前缘襟翼的外表面的热量系统和可对机翼前缘襟翼机械除冰的机电系统的形式。
图3中示出根据本发明的系统的第二实施例。第二实施例与第一实施例的基本区别在于在地面上时的不同操作模式。在第二实施例中，座舱空气不是由APU 10驱动的负载压缩机12提供的，而是由未详细表示出而被集成到空调系统26中的附加风扇提供的。在地面处理期间，阀40被打开，外部空气从被集成到冲压空气通道32中的外部空气入口42被抽出。一旦动力单元2开始操作且能够供应放气，则阀40立即关闭，并且空调和能量供应系统以与基于图2的第一实施例的情况所述方式相同的方式操作。第二实施例使放气线路网络能够被最小化，且使得完全的电力APU成为可能。这样产生了重量、空间和维护成本方面的优势。
最后，将通常的空调和能量系统(图4a)和根据本发明的系统(图4b)随飞行时间的放气压力变化进行比较作为示例。在图4a中，点划曲线44表示在具有平均温度的一天操作空调系统所需的放气压力。虚线46表示相对热的一天的必需放气压力需求。由于所提供的放气压力必须满足所有的预期设计情况，因此施加到放气连接器的放气压力总是高于必需放气压力，使得表示所施加的放气压力的曲线48高于曲线46和44。
在根据本发明的系统中，由曲线50表示的所施加的放气压力仅在某些区域在平均温度(曲线52)下或在相对热的天气(曲线54)下高于必需放气压力。抽出的放气的压力和容积流速仅仅在需要相对高的推动力的飞行阶段期间被节流。而在巡航期间，放气压力仅足以用于对飞机座舱加压，而不用于冷却。得到的能量差别(由曲线50与52或54之间的区域表示)刚好由来自发电机/启动器单元28的电能补偿，发电机/启动器单元28可被空调系统26用于冷却放气的目的。
最后，图5以示意图的形式表示出根据本发明的用于操作飞机空调系统的方法。根据本发明的方法开始于例如经由两个放气连接器18或20，或从由例如APU 10驱动的单独的负载压缩机12以从飞机的动力单元抽出54的放气形式提供空气。作为对此的替代，当飞机在地面上时，经由附加空气入口42和附加风扇提供56空气。在这方面，通过节流阀24调节58来自放气连接器18和20的放气的压力和容积流速。为了避免例如来自较高压的放气连接器的放气经由较低压的放气连接器回流，通过止回阀22阻止60回流。然后将所提供的空气路由62至空调系统，并经由布置在冲压空气通道32中的热交换器30预冷却64该空气。当飞机在地面上时，操作66冲压空气通道32中的附加风扇34以使预冷却能够经由热交换器30发生。最后经由通过电力线路网络被供应电能的电力冷却单元冷却68被路由至空调系统的空气。
Claims (23)
1.一种用于操作飞机的至少一个空调系统(26)的能量供应系统，包括至少一个空气线路网络和至少一个电力线路网络，其中：
所述空气线路网络连接至所述空调系统(26)和用于将放气路由至所述空调系统(26)的至少一个放气连接器(18，20)，
所述空调系统(26)包括电可操作的冷却设备，
所述电力线路网络连接至所述空调系统(26)和用于将电能路由至所述空调系统(26)的、作为集成到所述飞机的引擎(2)中的发电机/启动器单元(28)的至少一个电能源，并且其中该能量供应系统被配置为使得在巡航期间，放气压力仅足以用于对飞机座舱加压，而不用于冷却；并且
所述发电机/启动器单元(28)适用于通过所述发电机/启动器单元(28)所提供的电能来补偿冷却所需的能量与所述放气压力所提供的能量之间的得到的能量差别。
2.根据权利要求1所述的能量供应系统，
其中由放气操作的预冷却器未被提供。
3.根据权利要求1所述的能量供应系统，
具有至少一个冲压空气通道(32)，在飞行期间冲压空气流经该冲压空气通道(32)，且该冲压空气通道(32)具有能连接至所述空气线路网络的热交换器(30)。
4.根据权利要求3所述的能量供应系统，
其中当在地面上时使空气流经所述冲压空气通道(32)的附加风扇(34)被集成到所述冲压空气通道(32)中。
5.根据权利要求1所述的能量供应系统，
其中所述飞机的引擎(2)中的每个在不同压力水平处具有两个连接至所述空气线路网络的放气连接器(18，20)。
6.根据权利要求5所述的能量供应系统，
其中更高压的放气连接器(20)具有用于调节从所述放气连接器(20)抽出的放气的压力和/或容积流速的节流阀(24)。
7.根据权利要求5所述的能量供应系统，
其中更低压的放气连接器(18)具有用于阻止来自更高压的放气连接器(20)的放气经由更低压的放气连接器(18)回流至所述引擎(2)中的止回阀(22)。
8.根据权利要求1所述的能量供应系统，
其中所述放气从由APU驱动的压缩机(12)被抽出。
9.根据权利要求1所述的能量供应系统，具有用于当在地面上时向所述空调系统(26)供应空气的外部空气入口(42)和附加风扇。
10.根据权利要求9所述的能量供应系统，
其中所述外部空气入口(42)被集成到冲压空气通道(32)中。
11.根据权利要求8所述的能量供应系统，
其中所述飞机的引擎(2)和APU(10)各被配备所述发电机/启动器单元(28)作为电能源，其中所述发电机/启动器单元(28)进一步适用于在无放气的情况下电启动所述引擎(2)。
12.根据权利要求1所述的能量供应系统，
其中所述冷却设备进一步适用于由放气通过扩展冷却管路操作。
13.根据权利要求1所述的能量供应系统，进一步适用于向除冰系统供应电能，其中所述除冰系统适用于在不使用放气的情况下操作。
14.一种用于飞机的空调系统(26)，连接至根据权利要求1-13中任一项所述的能量供应系统，其中所述空气线路网络将用于为所述飞机的座舱加压的放气路由至所述空调系统(26)，并且所述电力线路网络将用于操作所述电力冷却设备的电能路由至所述空调系统(26)。
15.一种用于使用能量供应系统对飞机进行空气调节的方法，该能量供应系统包括至少一个空气线路网络和至少一个电力线路网络，其中：
所述空气线路网络连接至所述空调系统(26)和用于将放气路由至所述空调系统(26)的至少一个放气连接器(18，20)，
所述空调系统(26)包括电可操作的冷却设备，
所述电力线路网络连接至所述空调系统(26)和用于将电能路由至所述空调系统(26)的、作为集成到所述飞机的引擎(2)中的发电机/启动器单元(28)的至少一个电能源，其中所述发电机/启动器单元(28)通过所述发电机/启动器单元(28)所提供的电能来补偿冷却所需的能量与所述放气所提供的能量之间的能量差别，
其中所述放气被经由至少一个电力线路网络供电的电可操作的冷却设备冷却，并且其中用于冷却所述放气所需的能量由所述发电机/启动器单元(28)以电能的形式提供，并且
在巡航期间，放气压力仅足以用于对飞机座舱加压，而不用于冷却。
16.根据权利要求15所述的方法，
其中所述放气没有被由放气操作的预冷却器预冷却。
17.根据权利要求15或16所述的方法，
其中所述放气通过布置在冲压空气通道(32)中并且能连接至所述空气线路网络的热交换器(30)预冷却。
18.根据权利要求15所述的方法，
其中附加风扇(34)被操作为当所述飞机在地面上时使空气流经冲压空气通道(32)。
19.根据权利要求15所述的方法，
其中所述放气从在所述飞机的引擎(2)的不同压力水平处的两个相应的放气连接器(18，20)被抽出。
20.根据权利要求15所述的方法，
其中来自相应的更高压的放气连接器(20)的放气容积流速和放气压力通过节流阀(24)被调节。
21.根据权利要求15所述的方法，
其中通过止回阀(22)阻止来自更高压的放气连接器(20)的放气经由更低压的放气连接器(18)回流至所述引擎(2)中。
22.根据权利要求15所述的方法，
其中所述放气从由APU(10)驱动的压缩机(12)被抽出。
23.根据权利要求15所述的方法，
其中当所述飞机在地面上时，空气经由附加风扇和外部空气入口(42)被路由至所述空调系统(26)中。
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