CN102083689A - 冷却航空器空调系统的废气的装置和方法 - Google Patents

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    • B64D13/00—Arrangements or adaptations of air-treatment apparatus for aircraft crew or passengers, or freight space, or structural parts of the aircraft

Abstract

航空器空调系统(10)的冷却废气的装置，其具有旁通通道(20)，该旁通通道绕过航空器空调系统，设置在带有冲压空气入口通道(32)部分的冲压空气通道(30)的下游，并开口到出口通道(40)中，出口通道设置在航空器空调系统的下游，废气排出开口(42)的上游，其中，冲压空气通道和旁通通道有共同入口(25)。

Description

冷却航空器空调系统的废气的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于航空器空调系统的废气冷却的装置和方法。
背景技术
在新航空器研发中，碳纤维增强复合材料(CFRP)的使用在增加。为了使用它们，需要使外部影响因素(如温度和湿度)适应材料特有的性质，从而使强度性能受影响的程度达到最小。
现代的航空器空调系统(新鲜空气供应系统)是由空气涡轮驱动的压缩机通过单级压缩的原理来操作的。通过飞行期间的外流和在地水准平面处的冲压空气通道中的风扇，冲压空气用来冷却热的且被压缩的发动机引气。该空气依次通过涡轮来驱动压缩机，并且依照舱内的要求被调节。
新鲜空气供应系统的冲压空气通道的目的是把可以获取的外部空气用作热交换机的冷却空气。冲压空气通道通常由NACA冲压空气入口通道，扩散器，橡胶软管连接器，可能的冲压空气通道集气室和冲压空气出口通道组成。热交换机和新鲜空气供应系统的集气室被安装在冲压空气通道集气室和带有ACM风扇(ACM＝空气循环机(三轮的涡轮机组，即涡轮，压缩机，风扇))的冲压空气出口通道之间。ACM风扇和压缩机由在涡轮里的膨胀来驱动。ACM风扇确保冷却空气被引导通过热交换机，即使是在地水准平面。
在飞行期间，外流通过通常是NACA形状的冲压空气入口通道到达冲压空气通道。在扩散器(气流减速)中，总压的一些动态部分被转化为静态部分。静态超压(相对于周围环境的压力)因此产生，它也被称为在热交换机入口处的冲压力。冷却空气的流通由两个可动的、相互连接的冲压空气入口通道襟翼控制。本这种情形中，沿飞行方向的前襟翼被牢固地附接到框架，并通过轴杆在端部被上/下移动。在第一个襟翼的端部，第二个襟翼通过铰链连接到第一个襟翼。上/下的运动(即冲压空气入口的关或开)导致第二襟翼的后端产生了平行位移，所述位移通过短摆锤杆补偿。
冲压空气出口通道通常只配备有一个襟翼。开着的冲压空气出口通道襟翼由于外部空气的流通在冲压空气出口通道中产生真空。这个真空影响冷却质量流通过热交换机。襟翼由致动器操纵。
在所述的方法里，通过冲压空气入口通道而流入热交换机的冷冲压空气被加热至出口的废气温度可达到200℃范围的程度。在飞行期间，该热的废气通过外流的作用可以应用到航空器的表面。尽管外流的特别冷却，当达到航空器CFRP结构时，温度仍然可以达到160℃。目前CFRP材料的强度仍然可以定量地确定达到100℃到120℃的温度范围，视载荷分布和周围环境条件而定。载荷超过这个温度范围可导致不可逆的材料损伤，从而导致故障。
目前用于降低出口温度的解决方案提供类似于冷空气垫的“冷却薄层”，其作用在热的废气和航空器表面之间，如DE 10244 199 A1中所述的例子。冷却薄层保持航空器表面的温度低于CFRP的临界温度。冷却薄层由于航空器空调系统的安装空间和外部环境之间的压力差而产生。在飞行期间，在航空器表面处，强真空区域产生在冲压空气通道的区域内，这由于航空器表面处的冲压空气出口通道的位置。冷却薄层的源是从分离的冲压空气入口获取的通风空气。在废气流下方，冷却薄层被选择性地导向。
本原理的主要缺陷是当冷却薄层失效时，例如外来体或特定的飞行操作的影响导致的失效，翼箱可以未被察觉的方式过热，因为航空器空调系统仍然在工作中。断电功能对于安全要求是成问题的。
冷却空气薄层同样也不能在每个飞行阶段期间被维持。翼瓣和/或气流偏导器/气闸在着陆进场期间和低速飞行期间以前述的航空器空调系统的安装空间连接到外部环境的方式被延伸。在翼瓣和气流偏导器/气闸的区域有比在冲压空气出口通道的区域更强的真空，冷却空气不向外流过用于冷却空气薄层的狭槽，取而代之的是在翼瓣和气流偏导器/气闸的区域向外流。因此，冷却薄层在这些飞行阶段期间没有保护航空器免于热废气的侵害。在一些出错的情形下同样没有提供对热废气侵害的防护，比如航空器表面的损坏，这将导致冷却空气薄层的失效。
发明内容
因而，本发明的目的是提供一种装置和一种方法，其可以如在冲压空气出口通道中要求的那样冷却来自新鲜空气供应系统的热废气，通过这种方式设置在通道后面的航空器CFRP结构遭遇低的废气温度。
该目的通过本发明的相应的独立权利要求的技术特征实现。本发明的优选实施例和改进可以在从属权利要求中得到。
旁通通道绕过设置在带有冲压空气入口通道部分的冲压空气通道的下游的航空器空调系统，并合并到出口通道中，出口通道设置在航空器空调系统的下游，在废气的排出开口之前，旁通通道被提供在根据用于航空器空调系统的废气冷却的本发明的装置中，为冲压空气通道和旁通通道提供共同入口。
在本发明中，在从出口出去之前，通过冲压空气旁通通道，废气已经被冷却至CFRP的临界温度不可能达到的程度。如果冲压空气旁通通道失效，则航空器空调系统以失效将不导致CFRP航空器结构的过热的方式同样失效或者被关闭。在该情况中，冲压空气通道和可变化的旁通通道二者被单独的空气入口供给。
旁通通道优选尽可能直接地连接到航空器空调系统出口通道以便保持压力损失较低。优选地，在废气排放至外部环境之前旁通通道合并到航空器空调系统出口通道中。所述通道从而绕过航空器空调系统并把冷的冲压空气供给到热的废气流中。
优选为冲压空气和旁通通道提供共同入口。这样具有在航空器空调系统的工作期间始终提供冷却薄层的优点。
旁通通道的变化的渗透率是通过旁通通道襟翼实现的。在这个结构解决方案中，冲压空气入口通道的第二襟翼的平行位移被利用以调整旁通通道的入口开口。取代摆锤杆，旁通通道的入口襟翼充当摆锤杆的作用，并同步地调整旁通通道的开口截面。当冲压空气入口通道的襟翼关闭时，旁通通道被打开。当冲压空气入口通道的襟翼被设置在飞行的最大冲压空气通道襟翼位置时，旁通通道被最大限度地关闭。冲压空气入口通道的第二襟翼的端部形成用于旁通通道的冷空气的移除点。
纯机械调整按照以下原则进行。如果要求航空器空调系统的高冷却动力，则将冲压空气入口通道开至最大(襟翼向下移动)。为了这种冷却情况，热交换机要求最大的可获取的冲压空气来使引气冷却下来。设计被构造成如下方式：旁通通道的开口被尽可能地关闭(旁通通道的襟翼关闭，旁通通道的渗透率低)。因为在这种情形中，冲压空气通道中的冲压力高，穿过旁通通道的质量流量将足够用来提供保护作用。此外，大的冷却空气质量流量被提供用于这个操作状态，因此废气的温度没有落入临界温度范围内。因此大的旁通冷却流量也是没有必要的。
比较起来，在加热期间，引气放出最小的热量。冲压空气入口通道因此移动到最小的开口(襟翼向上移动)。在该情形中，冲压空气通道中的冲压力是低的，所以需要旁通通道的高渗透率以确保足够的质量流量通过旁通通道。在这个操作状态中，小体积的冲压空气以需要增加的旁通冷却空气流的方式又被引气很好地加热。设计被构造成如下方式：旁通通道的开口被尽可能大地打开(旁通通道的渗透率最大)。
安装用于地面操作的风扇朝向热交换机汲取周围的空气并在冲压空气入口通道中产生真空。热废气从而可经旁通通道供给至入口，结果导致废气温度可以被加热至临界范围。因而提供单向阀用于这种情况。
旁通通道和冲压空气通道的在空气入口的这种结构上的整合使得在单独的旁通通道上取得显而易见的安全优势成为可能。如果NACA的入口被损坏，例如由于鸟的撞击，更可能的是，除了旁通通道之外，航空器空调系统将同时也不再起作用。在这种情形中，没有更多的热废气将到达航空器结构。相比而言，带有单独的旁通入口的航空器空调系统将通过其自己的通道继续工作，这样，热废气可以毫无受阻地到达航空器结构，不断地损坏其中的材料。相比电的方案(传感器，附加的电襟翼控制等)，纯机械结构提供更好的可靠性。
附图说明
下面，基于结合附图的实施例来更加详细地说明本发明，在附图中：
图1是带有冲压空气通道的空调系统的示意性截面图；
图2是在冲压空气通道旁边的旁通通道的设置的示意性截面图；和
图3是在图2的实施例中的冲压空气入口通道和旁通通道里的襟翼的示意性截面图。
图中，相同的附图标记表示相同或起相同作用的部件，除非有不同说明。
具体实施方式
图1示出了带有冲压空气通道30的空调系统10的示意性截面图。冲压空气入口通道32的入口开口34在图1的左上角被示出。通过扩散器4和冲压空气通道集气室6，冲压空气入口通道32通向空调系统10。冲压空气出口通道40设置在空调系统10的下游，冲压空气出口通道的排出开口42被冲压空气通道出口襟翼44关闭。因而，冲压空气通道30包括冲压空气入口通道32和冲压空气出口通道40。风扇8设置在空调系统10的下部。冲压空气入口通道32的入口开口34的入口截面35被第一襟翼36和第二襟翼38限定。
工作期间，空气通过入口开口34被引入到冲压空气入口通道32中，并通过所述通道被供给至空调系统10，用于热交换。一旦空气已经被引导通过空调系统10，它就通过冲压空气出口通道40被释放到外部环境。流入冲压空气入口通道32的空气的量是变化的，因为第一襟翼36和第二襟翼38改变冲压空气入口通道32的入口截面35。如果入口截面35被放大，那么更多的空气可以流入冲压空气入口通道32。然后空气通过扩散器4和冲压空气通道集气室6被提供至交换热量处的空调系统10。通过空调系统之后，空气流过冲压空气出口通道40，进入到外部环境。当入口开口34只是遭遇弱气流时，例如在航空器在地面上的时候的情况，设置在空调系统10的下游的风扇8协助气流通过冲压空气通道30。从冲压空气出口通道40出来的气流可以使用冲压空气通道出口襟翼44调节。
图2示出了在冲压空气通道30旁边的旁通通道20的设置的示意性截面图。入口开口34再次示出在图中的左上角。作为冲压空气通道30的一部分的冲压空气入口通道32连接至入口开口34。与图1的传统结构相比，在根据发明的设置中，旁通通道20从冲压空气通道30和旁通通道20的共同入口25分支出来，绕过空调系统10并合并到冲压空气出口通道40中。旁通通道包括单向阀22。
旁通通道20被供给来自冲压空气入口通道32的冷却空气。从空调系统10进入冲压空气出口通道40的空气有时非常热，必须冷却。在这种情况，通过旁通通道20合并入冲压空气出口通道40来实现。来自旁通通道20的冷却空气因而被供给到冲压空气出口通道40并与来自空调系统10的热空气混合。释放到外部环境中的冲压空气出口通道内的空气因此被冷却。由从冲压空气出口通道40出来的过热空气引起的对敏感CFRP部件的损害因而可以被防止。
图3示出了根据图2的实施例的在冲压空气入口通道32和旁通通道20里的襟翼的示意性截面图。入口开口34、冲压空气通道30和旁通通道20部件依照图2被设置。第一襟翼36围绕枢转轴37被枢轴地设置，第二襟翼38围绕枢转轴39被枢轴地设置，从而关闭和开启冲压空气入口通道32的入口开口34。开启和关闭旁通通道20的旁通通道入口襟翼26通过距旁通通道入口襟翼26的枢转轴27一段距离的杆组件50连接到第二襟翼38。拉压装置60枢转第一襟翼36并移动第二襟翼38的枢转轴39的位置。
为了关闭冲压空气入口通道32的入口开口34，以第一襟翼36在入口开口34前被移动的方式，拉压装置60把第二襟翼38的枢转轴39向上移动，并向上枢转第一襟翼36。除了第一襟翼36的完全打开的位置和关闭的位置，还提供中间位置。通过在枢转轴39上向上移动第二襟翼38，这个轴通过如下方式被整体移动：通过围绕其枢转轴27枢转所述旁通通道入口襟翼打开与之固定的旁通通道入口襟翼26。如果第一襟翼36关闭，则旁通通道20的旁通通道入口襟翼26因此被打开。
虽然已经通过具体实施例描述了本发明，但本发明并不限制于这些实施例而是可以以多种方式被修改。尤其，上述实施例的所有可想到的结合也是可能的。
附图标记的目录
4 扩散器
6 冲压空气通道集气室
8 风扇
10 空调系统
20 旁通通道
22 单向阀
25 共同入口
26 旁通通道入口襟翼
27 旁通通道入口襟翼的枢转轴
28 旁通通道出口襟翼
30 冲压空气通道
32 冲压空气入口通道
34 入口开口
35 入口截面
36 第一襟翼
37 第一襟翼的枢转轴
38 第二襟翼
39 第二襟翼的枢转轴
40 冲压空气出口通道
42 排出开口
44 冲压空气通道出口襟翼
50 杆组件
60 拉压装置
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于航空器空调系统(10)的废气冷却的装置，包括旁通通道(20)，该旁通通道绕过航空器空调系统(10)，设置在带有冲压空气入口通道部分(32)的冲压空气通道(30)下游，合并到出口通道(40)中，该出口通道设置在航空器空调系统(10)的下游，在废气排出开口(42)之前，其中，为冲压空气通道(30)和旁通通道(20)提供共同入口(25)。
2.根据权利要求1所述的用于航空器空调系统的废气冷却的装置，其特征在于，第一襟翼(36)以如下方式可调节地设置在冲压空气入口通道部分(32)的入口开口(34)处：为了调节进入的空气的体积，冲压空气入口通道部分(32)的入口开口(34)的入口截面(35)能够通过可调节的襟翼(36)在尺寸上被变化。
3.根据权利要求2所述的用于航空器空调系统的废气冷却的装置，其特征在于，用于调节进入的空气的体积的第二襟翼(38)以如下方式以铰接的方式固定到第一襟翼(36)：当第一襟翼(36)被偏转时，第二襟翼(38)的枢转轴(39)以平移的方式基本上朝向或背向第一襟翼(36)的枢转轴(37)移动。
4.根据权利要求2或3所述的用于航空器空调系统的废气冷却的装置，其特征在于，第一襟翼(36)通过以铰接的方式固定到所述襟翼的拉压装置(60)围绕基本上在垂直方向上的枢转轴(37)是枢转的。
5.根据前述权利要求的至少一个所述的用于航空器空调系统的废气冷却的装置，其特征在于，冲压空气出口通道(40)包括冲压空气通道出口襟翼(44)，当打开伴有外部空气流时，该冲压空气通道出口襟翼在冲压空气出口通道(40)内产生真空。
6.根据前述权利要求的至少一个所述的用于航空器空调系统的废气冷却的装置，其特征在于，单向阀(22)被设置于旁通通道(20)内。
7.根据前述权利要求的至少一个所述的用于航空器空调系统的废气冷却的装置，其特征在于，旁通通道(20)包括可调节的旁通通道入口襟翼(26)，用于调节流入旁通通道(20)内的空气体积。
8.根据权利要求7所述的用于航空器空调系统的废气冷却的装置，其特征在于，旁通通道入口襟翼(26)被运动学上地连接到第一可调节的襟翼(36)和/或第二可调节的襟翼(38)。
9.根据权利要求7或8所述的用于航空器空调系统的废气冷却的装置，其特征在于，旁通通道入口襟翼(26)通过杆组件(50)连接到第二襟翼(38)。
10.根据权利要求6至9中的至少一项所述的用于航空器空调系统的废气冷却的装置，其特征在于，旁通通道入口襟翼(26)以如下的方式以铰接的方式连接到第二襟翼(38)的枢转轴(38)：当第二襟翼(38)的枢转轴(39)被向上移动时，旁通通道入口襟翼围绕枢转轴(27)枢转以打开旁通通道(20)，反之亦然。
11.采用权利要求7至10中至少一项所述的用于航空器空调系统的废气冷却的装置的用于航空器空调系统的废气冷却的方法，其中可调节的第一襟翼(36)和旁通通道入口襟翼(26)在随周围温度和飞行速度的差异而不同的最大冷却位置和最大加热位置之间被调整，在最大冷却位置，第一襟翼(36)被完全打开而旁通通道入口襟翼(26)被很大程度地关闭，在最大加热位置，第一襟翼(36)被很大程度地关闭而旁通通道入口襟翼(26)被完全打开。
说明或声明(按照条约第19条的修改)
 
 
                根据条约第19条修改时的声明
权利要求1-10对应于原始提交的权利要求1-10。
新提交的权利要求11基于原始提交的权利要求11。仅仅修改了从属关系，新提交的权利要求11从属于权利要求7-10。旁通通道入口襟翼第一次公开是在原始提交的权利要求7中。

Claims (11)

1.一种用于航空器空调系统(10)的废气冷却的装置，包括旁通通道(20)，该旁通通道绕过航空器空调系统(10)，设置在带有冲压空气入口通道部分(32)的冲压空气通道(30)下游，合并到出口通道(40)中，该出口通道设置在航空器空调系统(10)的下游，在废气排出开口(42)之前，其中，为冲压空气通道(30)和旁通通道(20)提供共同入口(25)。
2.根据权利要求1所述的用于航空器空调系统的废气冷却的装置，其特征在于，第一襟翼(36)以如下方式可调节地设置在冲压空气入口通道部分(32)的入口开口(34)处：为了调节进入的空气的体积，冲压空气入口通道部分(32)的入口开口(34)的入口截面(35)能够通过可调节的襟翼(36)在尺寸上被变化。
3.根据权利要求2所述的用于航空器空调系统的废气冷却的装置，其特征在于，用于调节进入的空气的体积的第二襟翼(38)以如下方式以铰接的方式固定到第一襟翼(36)：当第一襟翼(36)被偏转时，第二襟翼(38)的枢转轴(39)以平移的方式基本上朝向或背向第一襟翼(36)的枢转轴(37)移动。
4.根据权利要求2或3所述的用于航空器空调系统的废气冷却的装置，其特征在于，第一襟翼(36)通过以铰接的方式固定到所述襟翼的拉压装置(60)围绕基本上在垂直方向上的枢转轴(37)是枢转的。
5.根据前述权利要求的至少一个所述的用于航空器空调系统的废气冷却的装置，其特征在于，冲压空气出口通道(40)包括冲压空气通道出口襟翼(44)，当打开伴有外部空气流时，该冲压空气通道出口襟翼在冲压空气出口通道(40)内产生真空。
6.根据前述权利要求的至少一个所述的用于航空器空调系统的废气冷却的装置，其特征在于，单向阀(22)被设置于旁通通道(20)内。
7.根据前述权利要求的至少一个所述的用于航空器空调系统的废气冷却的装置，其特征在于，旁通通道(20)包括可调节的旁通通道入口襟翼(26)，用于调节流入旁通通道(20)内的空气体积。
8.根据权利要求7所述的用于航空器空调系统的废气冷却的装置，其特征在于，旁通通道入口襟翼(26)被运动学上地连接到第一可调节的襟翼(36)和/或第二可调节的襟翼(38)。
9.根据权利要求7或8所述的用于航空器空调系统的废气冷却的装置，其特征在于，旁通通道入口襟翼(26)通过杆组件(50)连接到第二襟翼(38)。
10.根据权利要求6至9中的至少一项所述的用于航空器空调系统的废气冷却的装置，其特征在于，旁通通道入口襟翼(26)以如下的方式以铰接的方式连接到第二襟翼(38)的枢转轴(38)：当第二襟翼(38)的枢转轴(39)被向上移动时，旁通通道入口襟翼围绕枢转轴(27)枢转以打开旁通通道(20)，反之亦然。
11.采用权利要求1至10中至少一项所述的用于航空器空调系统的废气冷却的装置的用于航空器空调系统的废气冷却的方法，其中可调节的第一襟翼(36)和旁通通道入口襟翼(26)在随周围温度和飞行速度的差异而不同的最大冷却位置和最大加热位置之间被调整，在最大冷却位置，第一襟翼(36)被完全打开而旁通通道入口襟翼(26)被很大程度地关闭，在最大加热位置，第一襟翼(36)被很大程度地关闭而旁通通道入口襟翼(26)被完全打开。
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