CN103256742B - 电动分体式四轮高压除水空气循环制冷系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动分体式四轮高压除水空气循环制冷系统，属飞行器环境控制系统技术领域。系统采用电动引气，既避免了发动机引气引起的污染，又减少了系统性能代偿损失。采用两个两轮式组件替代了四轮式组件，性能匹配更加简单。第二级压气机（6）的输入功率由涡轮（8）的输出功及高速电机（8）的输入功保证，第二级压气机（6）的设置可以降低第一级压气机（3）的高增压比需求，系统更易实现。压气机（16）保证了冲压空气的流量，可以实现全天候工作。

Description

电动分体式四轮高压除水空气循环制冷系统
技术领域
本发明涉及一种电动分体式四轮式高压除水空气循环制冷系统，属飞行器环境控制系统技术领域。
背景技术
空气循环制冷系统是现役飞机环境控制系统常采用的制冷循环系统。其特点是环保、同时可满足座舱增压通风与制冷需求的一体化设计需求。根据冷却涡轮驱动的负载不同，分为两轮简单式(涡轮/风扇)、两轮升压式(涡轮/压气机)、三轮式(涡轮/压气机/风扇)及四轮升压式(涡轮/涡轮/压气机/风扇)。由于这些系统多采用发动机引气，其性能受发动机运行工况的影响而影响，例如两轮简单式系统；另外，两轮升压式系统在地面停机或低速飞行时可提供的制冷量很小[1]；三轮式系统易出现冷凝器的冻堵现象；四轮式系统制造工艺复杂，性能匹配难度大。上述系统除了发动机引气增加了系统性能代偿损失外，座舱空气易受发动机燃油污染。
发明内容
本发明提供一种低性能代偿损失、高空气洁净度和性能匹配简单的电动分体式四轮高压除水空气循环制冷系统。
一种电动分体式四轮高压除水空气循环制冷系统，主要包括：环境空气，阀门，第一级压气机，第一级高速电机，初级换热器，第二级压气机，次级换热器，高压涡轮，第二级高速电机，回热器，冷凝器，水分离器，低压涡轮，座舱，冲压空气，压气机。
工作时，环境空气1首先通过阀门2进入第一级高速电机4驱动的第一级压气机3，升温和升压后进入初级换热器5，初步降温后，进入由第二级高速电机9和高压涡轮8同轴驱动的第二级压气机6，温度和压力升高，进入次级换热器7降温，出来的高压气体在高压涡轮8中膨胀，温度和压力大幅降低，依次经过回热器10热边、冷凝器11热边、水分离器12、回热器10的冷边后，流入低压涡轮13，在冷凝器11冷边升温后通往座舱14。低压涡轮13驱动的压气机16可用于在地面待机或低速飞行时提供冷却用的冲压空气，保证次级换热器7和初级换热器5冷边所需流量，从而满足散热能力需求。水分离器12分离出的水分被喷入次级换热器7的冷边，可降低冲压空气入口温度。
该电动分体式四轮高压除水空气循环制冷系统的特征在于：
(1)高压涡轮8与第二级压气机6同轴，低压涡轮13与压气机16同轴，用两个两轮式组件替代了四轮式组件，性能匹配简单，加工难度降低。
(2)系统采用第一级高速电机4驱动第一级压气机3的引气方式，避免采用发动机引气可能引发的座舱空气污染，以及发动机引气带来的高性能代偿损失。
(3)系统供气采用两级电动增压，第二级高速电机9和高压涡轮8共同驱动第二级压气机6，可降低第一级压气机3的增压比，同时充分利用了高压涡轮8的输出功。
(4)第二级高速电机9与高压涡轮8共同驱动第二级压气机6，同轴布置使系统更加紧凑。
(5)第一级高速电机4与第二级高速电机9的转速可通过变频技术调节，使第一级压气机3和第二级压气机6的压比可控。
(6)引入压气机16，飞机在地面待飞或低速度飞行状态时可以提供较大压头，保证次级换热器7和初级换热器5所需的冷边流量。
附图说明
图1是一种电动分体式四轮高压除水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.第一级压气机，4.第一级高速电机，5.初级换热器，6.第二级压气机，7.次级换热器，8.高压涡轮，9.第二级高速电机，10.回热器，11.冷凝器，12.水分离器，13.低压涡轮，14.座舱，15.冲压空气，16.压气机。
具体实施方式
结合图1说明系统的工作过程：第一级压气机3与第一级高速电机4相连，环境空气1经过阀门2，在第一级压气机3中压缩后流入初级换热器5热边，气流降温后进入第二级压气机6，第二级压气机6、高压涡轮8及第二级高速电机9同轴相连，气体得到进一步压缩后流入次级换热器7热边降温，在高压涡轮8中膨胀，压力和温度降低，输出的功用于驱动第二级压气机6。气体依次流经回热器10热边、冷凝器11热边、水分离器12、回热器10冷边后，进入低压涡轮13中膨胀降温，降温后的空气经过冷凝器11冷边，温度升高后送入座舱14，气体在流经冷凝器11热边时，会有水分凝出，通过水分离器12分离出液态水分，分离出的水分被喷入次级换热器7的冲压空气侧，以降低冲压空气温度。压气机16用于抽吸次级换热器7和初级换热器5冷边的流量。
系统实施算例
为了说明该电动分体式四轮高压除水空气循环制冷系统的可行性，本专利对其热力性能进行了计算。计算包括地面起飞和高空巡航两种状态，大气参数按热天标准选取。表1为计算工况的相关参数。
表1电动分体式四轮高压除水空气循环制冷系统计算工况设置
计算工况 地面 高空
飞行高度，km 0 10
马赫数 0.19 0.8
环境温度，℃ 40 -26
环境压力，kPa 101.325 26.5
座舱排气，℃ 30 30
座舱压力，kPa 101.325 76
供气流量，kg/s 1.0 1.0
含湿量，g/kg 19 0
系统各部件的特性参数取值如表2所示，其中部分取值参考文献[2]。计算结果见表3所示。
表2电动分体式四轮高压除水空气循环制冷系统部件特性参数
特性参数 地面 高空
入口总温，℃ 42 5.6
入口总压，kPa 103.91 40.4
第一级压气机效率ηC1 0.72 0.72
第一级压气机压比πC1 1.9 1.9
初级换热器效率ηHX1 0.9 0.9
冷热边流比ζ 1.5 1.5
第二级压气机效率ηC2 0.72 0.72
第二级压气机压比πC2 1.6 1.9
次级换热器效率ηHX2 0.9 0.85
高压涡轮效率ηT1 0.8 0.8
高压涡轮膨胀比πT1 1.83 1.01
回热器效率ηHX3 0.51 0.51
冷凝器效率ηCON 0.35 0.35
水分离器效率ηWE 0.8 0.8
低压涡轮效率ηT2 0.77 0.77
低压涡轮膨胀比πT2 1.43 1.51
压气机效率ηCC 0.72 0.72
压气机压比πCC 1.15 1.12
热边阻力损失，kPa 20 20
表3电动分体式四轮高压除水空气循环制冷系统热力计算结果
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]张兴娟,李峰,杨春信.大飞机四轮升压制冷系统焓参数法匹配计算[J].北京航空航天大学学报,2010,vol.36(9):1009–1012

Claims (5)

1.一种电动分体式四轮高压除水空气循环制冷系统，主要包括：环境空气(1)，阀门(2)，第一级压气机(3)，第一级高速电机(4)，初级换热器(5)，第二级压气机(6)，次级换热器(7)，高压涡轮(8)，第二级高速电机(9)，回热器(10)，冷凝器(11)，水分离器(12)，低压涡轮(13)，座舱(14)，冲压空气(15)，压气机(16)；其中：第一级压气机(3)与第一级高速电机(4)相连，环境空气(1)经过阀门(2)，在第一级压气机(3)中压缩后送入初级换热器(5)的热边，气流降温后进入第二级压气机(6)，第二级压气机(6)、高压涡轮(8)与第二级高速电机(9)同轴相连，气体得到进一步压缩后流入次级换热器(7)的热边降温，在高压涡轮(8)中膨胀，压力和温度降低，输出功用于驱动第二级压气机(6)，气体流经回热器(10)热边并在冷凝器(11)热边凝出水分，水分离器(12)中分离出液态水分，进入低压涡轮(13)中膨胀降温，出口空气经过冷凝器(11)冷边，温度升高后送入座舱(14)，低压涡轮(13)与压气机(16)同轴，压气机(16)用于抽吸初级换热器(5)和次级换热器(7)的冷边流量，水分离器(12)分离的水分被喷入次级换热器(7)的冷边，以降低冲压空气温度。
2.根据权利要求1所述的电动分体式四轮高压除水空气循环制冷系统，其特征在于：高压涡轮(8)与第二级压气机(6)同轴，低压涡轮(13)与压气机(16)同轴，用两个两轮式组件替代了四轮式组件。
3.根据权利要求1所述的电动分体式四轮高压除水空气循环制冷系统，其特征在于：系统供气采用两级电动增压，第二级压气机(6)由高压涡轮(8)及第二级高速电机(9)共同驱动。
4.根据权利要求1所述的电动分体式四轮高压除水空气循环制冷系统，其特征在于：第一级高速电机(4)与第二级高速电机(9)的转速可通过变频技术调节，使得系统性能在飞行高度范围内可控。
5.根据权利要求1所述的电动分体式四轮高压除水空气循环制冷系统，其特征在于：采用压气机(16)，在飞机地面起飞或低速度状态时可以提供较大压头，克服冷边流阻，保证次级换热器(7)及初级换热器(5)的换热性能，实现全天候工作。
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