CN102874410A

CN102874410A - 一种由高速电机驱动的空气循环制冷系统

Info

Publication number: CN102874410A
Application number: CN2012103419234A
Authority: CN
Inventors: 杨春信; 张兴娟; 蒋家庆; 柯鹏; 刘贵林
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2032-09-14
Also published as: CN102874410B

Abstract

本发明公开了一种用高速电机驱动的空气循环制冷系统，属飞机环境控制技术领域。主要包括：供气（1），阀门（2），压气机（3），高速电机（4），换热器（5），动力涡轮（6），水分离器（7），阀门（8），座舱（9），阀门（10），电子设备舱（11），冲压空气（12），喷嘴（13），风扇（14），动力涡轮（15），冷边排气（16）。系统供气（1）直接来自外界环境空气，不经过发动机压气机压缩，没有油污染，提高了座舱（9）和电子设备舱（11）的空气洁净度。冲压空气（12）经过动力涡轮（15）膨胀输出功，提高了系统能量的利用率。与现有的环境控制系统相比，具有洁净度高，调节灵活，制冷系数高等突出优点。

Description

一种由高速电机驱动的空气循环制冷系统

技术领域

本发明是涉及一种由高速电机驱动的空气循环制冷系统，属飞行器环境控制系统技术领域。

背景技术

空气循环制冷系统可调节座舱和电子设备的环境温度，使其在合适的范围内，以保证乘员的正常生理环境需求和电子设备的稳定运行。其制冷介质可同时输入座舱作为增压之用，使座舱通风、增压和冷却由同一系统完成。

飞机制冷系统先后经历了两轮简单式、两轮升压式、三轮升压式和四轮升压式空气循环制冷系统^[1]。上述空气循环制冷系统均从发动机引气，发动机引气经过空气循环制冷系统降温、降压后通入座舱。采用发动机引气会引起系统代偿损失，增加燃油消耗；发动机内燃油及润滑油挥发使引气有油污染，降低了供入座舱空气的品质，座舱空气的洁净度和座舱环境的舒适性。使用电动空气循环制冷系统可以避免发动机引气，可减少燃油比耗^[2]。

现代飞机技术正逐步向多电/全电飞机技术方向发展，并将取消发动机引气^[3]。为了适应飞机技术的发展，提高制冷系统的效率、座舱的舒适性，提出了一种电动空气循环制冷系统。该系统取消了发动机引气及相关的管道、阀门等附件，同时也避免了引气对发动机热力循环的影响，增大了发动机的推力^[4]。电动空气循环制冷系统气源直接由外界大气环境提供，没有油污染，从而不需要除油装置，降低了系统的固定质量和代偿损失。传统空气循环制冷系统受发动机不同型号的性能参数的影响而使得引气参数有所不同，使得传统的采用发动机引气的空气循环制冷系统通用性差。电动空气循环制冷系统只需提供相同的电源制式，就能应用于发动机型号不同的飞机中。因此，电动空气循环制冷系统的灵活性和适应性更强。

发明内容：

本发明的目的是提供一种性能好、洁净度高、性能代偿损失小的高速电机驱动的空气循环制冷系统。

一种高速电机驱动的空气循环制冷系统主要包括：环境空气，阀门，冲压空气，高速电机，动力涡轮，压气机，换热器，冷却涡轮，风扇，水分离器，喷嘴，座舱，电子设备舱。

环境空气（1）经过阀门（2）与压气机（3）的入口相连；压气机（3）压缩后的高温高压气体经过换热器（5）的热边进入冷却涡轮（6）膨胀降温；膨胀降温后的低温低压气体会析出冷凝水，经过水分离器（7）分离除水后分为两路，一路经过阀门（8）供入座舱（9），另一路经过阀门（10）供入电子设备舱（11）。水分离器（7）分离出的水通过喷嘴（13）喷入系统的冷路与冲压空气混合，增大系统冷路的换热能力；换热器（5）冷边出口的空气经过风扇（14）抽吸后进入动力涡轮（15）膨胀做功后排往外界大气。

高速电机驱动的空气循环制冷系统的特征在于：

(1)取消了发动机压气机引气，供入座舱的气体不需经过发动机压气机压缩，避免了发动机内燃油及润滑油挥发对空气品质的影响，使得系统供给座舱和电子设备舱的空气没有油污染，提高了座舱空气的洁净度和座舱环境的舒适性。取消了相关除油设备，降低了制冷系统的固定质量和代偿损失。

(2)压气机（3）、高速电机（4）与动力涡轮（15）同轴。根据飞机不同的飞行状态，通过变频技术控制压气机（3）的转速，从而达到控制环境空气流量的目的。如高空飞行的时候，外界环境空气密度很小，需提高压气机（3）的转速才能保证系统环境空气量的稳定。

(3)换热器（5）热边出口空气经过冷却涡轮（6）膨胀降温，饱和含湿量降低，析出的水经过水分离器（7）分离后由喷嘴（13）喷入系统的冷路，与冲压空气（12）混合，提高了换热器（5）的换热效率，减小了换热器（5）的质量，降低了冲压空气（12）的用量，进而降低系统代偿损失。

(4)冷却涡轮（6）与风扇（14）同轴。换热器（5）热边出口空气经过冷却涡轮（6）膨胀输出功率，带动风扇转动，抽吸冷路的冲压空气（12）以增大其流量，提高换热器（5）的换热量。

(5)动力涡轮（15）回收利用冷边排气能量做功，与高速电机（4）共同驱动压气机（3），提高了系统的能量利用效率。

(6)阀门（8）和阀门（10）分别控制座舱（9）和电子设备舱（11）的环境空气流量。飞机的飞行状态发生变化时，座舱（9）和电子设备舱（11）的热载荷也会发生变化。如电子设备舱（11）在巡航状态下的热载荷要比起飞阶段的大，应减小阀门（10）的开度，以使得供入电子设备舱（11）的空气流量在合适的范围内，提高系统的效率。

附图说明

图1是一种由高速电机驱动的空气循环制冷系统示意图

图1中标号名称：1.环境空气，2.阀门，3.压气机，4.高速电机，5.换热器，6.冷却涡轮，7.水分离器，8.阀门，9.座舱，10.阀门，11.电子设备舱，12.冲压空气13.喷嘴，14.风扇，15.动力涡轮，16冷边排气。

具体实施方式

结合图1说明系统的工作过程：冲压空气经过冷风道作为系统环境空气（1）经压气机增压，气体压力温度升高。经过换热器（5）热边进行冷却，冷却后的空气经过制冷涡轮进行膨胀做功，膨胀后的气体温度下降，气体中的游离态水由水分离器（7）分离出后通过喷嘴（13）喷到换热器冷边入口，增大冷路冲压空气（12）的换热能力，提高换热器的换热效率。环境空气经过水分离器后分为两路，一路供入座舱（9），另一路供入电子设备舱（11）。阀门（8）根据座舱的热载荷来调节其开度，以调节供入座舱空气流量；阀门（10）根据电子设备舱（11）的热载荷来调节其开度，调节供入电子设备舱的空气流量。系统冷路的冲压空气（12）与喷嘴（13）喷出的液态水混合后通往换热器（5）的冷边，经过换热后，冲压空气（12）的温度升高，冷却涡轮（6）驱动的风扇（14）将其抽吸至动力涡轮（15）。冲压空气（12）的进入动力涡轮（15）膨胀降温，输出功率与高速电机（4）共同驱动压气机（3）。阀门（8）和阀门（10）分别控制座舱（9）和电子设备舱（11）的环境空气流量，能够根据不同的飞行状态控制两个阀门的开度。如电子设备舱（11）在起飞阶段的热载荷要比巡航阶段的大，阀门（10）的开度比起飞阶段要大以使得供入电子设备舱（11）的空气流量增大；而巡航状态下，由于外界大气环境温度很低，飞机蒙皮向外界环境的散热量较大，座舱的热载荷很小，甚至需要加热，故相对起飞阶段应调小阀门（8）的开度，以控制座舱环境空气流量的大小。

根据文献[5]提出的焓参数法，由表1中的数据可求得飞机在地面和高空4km飞行时涡轮的回收功及系统的性能系数。在飞行高度H=0km，Ma=0.2时，动力涡轮（15）回收功率约占压气机（3）耗功的6％；在H=4km,Ma=0.8时，动力涡轮回收功约占压气机（3）耗功的5.5%，系统的能量利用效率得到明显提升。

表1附图1系统设计计算数据

电动空气循环制冷系统消除了引气参数对系统性能的影响，飞机电源系统的标准化使得电动空气循环制冷系统的灵活性和适应性更强。与现有的环境控制系统相比，该系统具有性能好，洁净度高，调节灵活，能量利用率高等优点。

参考文献

[1]寿荣中，何慧姗。飞行器环境控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006

[2]Yu S.,Ganev E..Next Generation Power and Thermal Management System[J].SAE International Journal of Aerospace,2008,1（1）:1107-1125

[3]ROLLS-ROYCE Plc.[M].5th Edition.Deryb:the Technical Publications Department,Rolls-Royce Plc.

[4]Slingerland D.R.,Zandstra S.Bleed Air versus Electric Power Off-takes form a Turbofan Gas Turbine over the Flight Cycle[C].7th AIAA Aviation Technology，Integration and Operations Conference.Northern Ireland,2007

[5]张兴娟，李峰，杨春信.三轮升压式高压除水系统焓参数法性能计算[J].航空动力学报，2010，25（9）：1938-1941。

Claims

1.一种高速电机驱动的空气循环制冷系统，主要包括：供气（1），阀门（2），压气机（3），高速电机（4），换热器（5），动力涡轮（6），水分离器（7），阀门（8），座舱（9），阀门（10），电子设备舱（11），冲压空气（12），喷嘴（13），风扇（14），动力涡轮（15），冷边排气（16）。

其中供气（1）经过阀门（2）与压气机（3）的入口相连；压气机（3）出来后经过换热器（5）的热边后进入冷却涡轮（6）；冷却涡轮（6）出来的气流经过水分离器（7）后分为两路，一路经过阀门（8）供入座舱（9），另一路经过阀门（10）供入电子设备舱（11）；水分离器（7）分离出的水通过喷嘴（13）喷入系统的冷路；冲压空气与水分离器（7）分离出的水混合，经过换热器（5）的冷边后进入风扇（14）；风扇（14）出口与动力涡轮（15）的入口相联，冲压空气（12）经过动力涡轮（15）膨胀做功后排往外界大气环境。

2.根据权利要求1所述的高速电机驱动的空气循环制冷系统，其特征在于：取消了发动机压气机引气，系统供气（1）完全来自大气环境，不经过发动机压气机的压缩，避免了发动机内燃油挥发对空气品质的影响，使得系统供给座舱和电子设备舱的空气没有油污染，提高了座舱空气的洁净度和座舱环境的舒适性。取消了相关除油设备，降低了制冷系统的固定质量和代偿损失。

3.根据权利要求1所述的高速电机驱动的空气循环制冷系统，其特征在于：由于供气（1）经过冷却涡轮（6）膨胀降温，饱和含湿量降低，淅出的游离态的水经过水分离器（7）分离后由喷嘴（13）喷入系统的冷路，与冲压空气（12）混合，提高了换热器（5）的换热效率，减小了换热器（5）的体积和质量和冲压空气（12）的用量，进而降低代偿损失。

4.根据权利要求1所述的高速电机驱动的空气循环制冷系统，其特征在于：动力涡轮（15）回收利用冷边排气能量做功，与高速电机（4）共同驱动压气机（3），提高了系统的能量利用效率。

5.根据权利要求1所述的高速电机驱动的空气循环制冷系统，其特征在于：压气机（3），高速电机（4）与动力涡轮（15）同轴。根据飞机不同的飞行状态，通过变频技术控制压气机（3）的转速，从而达到控制供气流量的目的。如高空飞行的时候，外界环境空气密度很小，需提高压气机（3）的转速才能保证系统供气量的稳定。

6.根据权利要求1所述的高速电机驱动的空气循环制冷系统，其特征在于：冷却涡轮（6）与风扇（14）同轴。供气经过冷却涡轮（6）膨胀输出功率，带动风扇转动，以抽吸冷路的冲压空气（12），以提高换热器（5）的换热量。

7.根据权利要求1所述的高速电机驱动的空气循环制冷系统，其特征在于：阀门（8）和阀门（10）分别控制座舱（9）和电子设备舱（11）的供气流量。飞机的飞行状态发生变化时，座舱（9）和电子设备舱（11）的热载荷也会发生变化。如电子设备舱（11）在巡航状态下的热载荷要比起飞阶段的大，应减小阀门（10）的开度，以使供入电子设备舱（11）的空气流量在合适的范围内，提高系统的效率。