CN103946111A - 在飞行器中回收能量的方法和架构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在高度和在地面上使用单一架构的，在飞行器中优化的能量回收。为此，本发明旨在从废气中回收热能。一种用于能量回收的架构包括装配有排气喷嘴(14)的辅助动力单元APU(20)和装配有用于传递动力到负载压缩机(22)的轴(21)的气体发生器(2a)。所述压缩机经由供给管道(C1)供给压缩空气到机舱(40)的ECS空调系统(30)。此外，回收涡轮增压器(10)直接地或经由变速箱连接到APU(20)的轴(21)。所述涡轮增压器(10)包括由装配到排气喷嘴(14)的热交换器(1)上安装的管道(C3)的下游分支(C3b)所供能的回收涡轮机(11)。所述管道(C3)具有被连接到通道(41，42)的上游分支(C3a)，该上游分支(C3a)将机舱(40)和压缩机(12)的空气出口连接。一第二交换器(2)可安装在供给管道(C1)与机舱出口通道(41)之间。

Description

在飞行器中回收能量的方法和架构
技术领域
本发明涉及一种在飞行器内消耗能量的优化回收的方法以及能实现该方法的架构。
本发明适用于装配有加压舱的飞行器，尤其是商用飞行器。
通常，在飞行器中存在应该回收的两种能量来源，以控制其消耗：在高度中加压的机舱的气压，在热链(空调、机舱空气、废气)中消耗的热量。
通过回收这些类型的能量，可减少对于到无推进能量消耗器，即气动能和电能的任何一种类型的供给最终所需的尺寸、质量和消耗。
背景技术
舱内的高压空气仅在飞行中可获得，因此当机舱加压速率足够时，即达到3的数量级，这种能量的回收受限于高度。现有的解决方案涉及涡轮增压器或回收涡轮机，电气或气动驱动力源，负载压缩机和热交换器。
例如，专利文件US4419926中披露了使用涡轮增压器的压缩机以有助于将压缩空气的额外级供给到驱动ECS空调机组(ECS是“环境控制系统”的缩写)的负载压缩机。然后会减少驱动负载压缩机的电动机的功率或消耗。此外，由离开机舱的加压空气驱动的涡轮增压器的回收涡轮机将压缩空气冷却，该压缩空气减少了整体压缩工作，以及因此电动马达的消耗或尺寸。
一种变型披露了正好一个回收涡轮机可用于经由交流发电机或其他发电系统驱动负载压缩机。然后可在离开机舱的空气和由负载压缩机压缩的空气之间提供热交换，以减少离开压缩机的流体温度。该温度下降然后允许较低的压缩速率，而没有损害ECS的性能，以及因此减少的消耗。
然而，这些类型的架构被限制于处于高度的能量回收，由于在低空或在地面上—当加压速率不足或为零时—不存在离开机舱的加压空气。在地面上，实际上由小涡轮轴发动机提供气动机舱通风，该小涡轮轴发动机包括被连接到由于这些气体的排气喷嘴的气体发生器，形成辅助动力单元(缩写为APU)。APU也用于启动主发动机以及用于提供电能和气动能到各种消耗器(泵，负载压缩机，电机等)。这种类型的APU可装配在飞行器上或在地面上连接到被驱动的各种部件。在某些情况下，APU在飞行中足够安全地操作，如果有必要，部分甚至完全地补充由主发动机供给到消耗器的无推进动力。
发明内容
本发明旨在允许在高度和在地面上使用单一架构的优化的能量回收。为此，本发明旨在当飞行器在地面上时从废气中回收热能，从而导致机舱内通风空气的压缩，导致空调以及在高度导致压力节空气的压缩。
更具体地，本发明的主题是一种用于在装配有机舱的飞行器中的能量回收方法，该机舱根据压力和温度使用由负载压缩机驱动的ECS空调系统，以及辅助发电使气流调节。该方法包括提供了：
—当飞行器在地面上时，被称为“地面模式”，由辅助发电(能量丢失)消耗的热能由热交换在其废气中回收，从而驱动回收涡轮增压器的循环以产生除辅助发电之外的机械能；
—当飞行器在高度时，被称为“高度模式”，其中机舱空气被加压到足够水平，至少部分地随着离开机舱而被回收的空气所驱动以及然后在废气中由热交换加热的所述涡轮增压器产生了除负载压缩机之外的压缩，从而提供需要驱动ECS的压缩速率。
根据特定的实施例：
—可在离开机舱的空气和进入ECS系统的压缩空气之间进行第二空气热交换；
—在高度模式下，涡轮增压器在ECS系统的入口形成第二空气压缩级；
—当飞行器处于高度模式时，由涡轮增压器压缩的空气和离开机舱的压缩空气在废气中产生的热交换上游结合，从而增加辅助发电的动力；
—当飞行器处于高度模式时，通过涡轮增压器产生的空气也可切换，从而在ECS系统的入口结合以形成第二压缩级，或在机舱空气出口，来自气体发生器的废气内热交换的上游结合，从而增加辅助发电的动力。
本发明也涉及能实施所述方法的能量回收的架构。这种架构包括具有排气喷嘴并结合有装配有一个轴的气体发生器的辅助动力单元，该轴用于传递动力到负载压缩机以经由供给管道将压缩空气供给到机舱的ECS空调系统。此外，该架构包括直接地或经由传动箱或其他连接设备连接到APU的轴的回收涡轮增压器。所述涡轮增压器包括由在装配到排气喷嘴的热交换器上安装的管道的下游分支内的空气所驱动的回收涡轮机。所述管道在被连接到通道的交换器的上游具有分支，该通道将机舱的空气入口和回收涡轮增压器的压缩机连接到所述上游分支。
根据优选的实施例：
—第二热交换器被安装在供给管道和机舱出口通道之间，这样离开机舱的空气和进入ECS系统的压缩空气可传递热量；
—用于切换空气循环的设备分别被布置在ECS系统的供给管道和回收涡轮增压器压缩机的入口通道之间，以及在所述压缩机的出口通道和在排气喷嘴的热交换器上安装的管道的上游分支之间，这样该涡轮增压器能够在ECS系统的入口形成第二空气压缩级；
—来自压缩机出口通道以及来自机舱出口通道的空气具有通过调节装配到回收涡轮机的变距分配器的流通面积而基本平衡的压缩速率；
—用于切换空气循环的设备为由中央管理单元控制的电动阀；
—也可在通道中方便地提供单向阀，尤其是在进气通道和连接到机舱出口的通道内，以当在某些操作模式下它们不活动时，防止空气被驱动回到这些通道。
附图所述
从以下与特定的示例性实施例相关的非限制性描述中，参考附图，本发明的其他方面，特征和优点将变得明显，其中：
—图1示出了当飞行器在地面上时，根据本发明用于能量回收的架构的第一示例的操作图；
—图2示出了当飞行器处于用于被加压的机舱的足够高度时，当正好来自机舱空气的空气驱动回收涡轮机时，该架构的示例的操作图；
—图3示出了架构的之前示例的变型的操作图，包括在机舱出口和连接到ECS调节系统的管道之间的交换器，飞行器处于地面上；以及
-图4示出了图3中示例的操作图，当飞行器处于足够高度，离开机舱的空气和离开压缩机的空气一起驱动回收涡轮机。
具体实施方式
在本文中，术语“上游”和“下游”涉及取决于空气循环方向的位置。
参考图1中的图表，在飞行器中能量回收的架构包括回收涡轮增压器10—基本上由回收涡轮机11，压缩机12，驱动轴13和放置在辅助动力单元20(缩写为APU)的排气喷嘴14上的热交换器1组成。APU包括传动轴21的涡轮发动机2a。该涡轮发动机通常包括压缩机、燃烧室和驱动涡轮机。
轴21，一方面，连接到涡轮增压器10的驱动轴13—直接地或经由如传动箱(未示出)或等价物的连接设备，另一方面，连接到外部进气口E1的负载压缩机22。所述压缩机22通过压缩空气供给管C1驱动机舱40的ECS空调系统30。这种ECS系统30包括通过循环电路C2经由混频器32更新机舱隔室40内空气的调节组件31。机舱压力控制系统33(缩写为CPCS)通过测量出口气流调节机舱的压力。
在该架构中，空气可在安装在被布置在APU20的喷嘴14内的热交换器1上的管道C3内循环。管道C3的上游分支C3a连接到通道41和42，该通道41和42分别连接到机舱40的出口和回收涡轮增压器10的压缩机12。三通阀V1安装在通道42和分支C3a的交叉点。管道C3的下游分支C3b连接到回收涡轮机11。
此外，通道42将压缩机12的出口连接到供给管C1，而通道43经由被定位在管道/通道的交叉点的阀V2将管道C1连接到所述压缩机12的进口。压缩机12的外部进气通道E2被连接到通道43。连接到涡轮增压器10的压缩机12的通道42和43因此安装在负载压缩机22下游的管道C1上。
当飞行器处在地面上时，机舱40内的空气不被加压。启动APU20以使机舱40可通风，以经由适当的变速箱启动发动机和驱动气动和电能消耗器。
然后在“地面”模式下通过APU20的喷嘴14的热交换器1内的空气循环回收能量，以驱动回收涡轮增压器10。调节阀V2和V1旋转，从而分别切断通道43的供给，这样完全由外部气体入口E2驱动压缩机12，使得在压缩空气离开所述压缩机12时，压缩空气从通道42循环到管道C3的分支C3a。在热交换器1内加热的压缩空气然后经由下游分支C3b朝涡轮增压器10的回收涡轮机11喂入。
在这些情况下，回收涡轮机11通过其轴13帮助驱动APU20，这将可能消耗更少燃料而产生相同的动力，尤其是驱动负载压缩机22。有利地，单向阀K1设置在通道41内以防止在上游分支C3a内循环的加压空气被驱动回进入连接到机舱40的通道41内。
当飞行器处于足够高度时，例如3000或4000米以上，对于该架构足够地加压机舱40以切换到“高度”模式，如图2所示。为了从一个模式改变到另一模式，有利地使阀V1和V2机动化，一中央管理单元(未示出)被编程以允许模式切换：该单元发送与在通道交叉点的阀的预定设置配置对应的电信号，符合在两种模式下的操作以及符合从一个模式到另一模式的变化。
在“高度”模式下，压力下的空气随着它离开机舱而被发送到接近热交换器1的上游分支C3a的通道41。在该模式下的能量回收因此由机舱加压所产生。至于在“地面”模式下，回收涡轮机11然后经由下游通道C3b由来自热交换器1的变暖加压空气的循环所驱动。涡轮机然后通过其轴13帮助驱动APU20，该APU20因此可以消耗更少的燃料而产生相同的动力，尤其是驱动负载压缩机22。
同时，设置阀V1和V2，使得压缩机12在用作压缩的第一级的负载压缩机22下游的供给压缩空气的管道C1上用作第二压缩级。为此，根据该单元的旋转控制阀V2和V1，这样分别地，管道C1与被连接到压缩机12入口的通道43连通，通道42与管道C1连通。有利地，单向阀K2设置在进气通道E2内以防止在通道43中循环的加压空气被驱动回到通道E2。
根据由图3和4图表所示的一种变型架构，在“高度”模式下通过利用离开机舱40的加压空气和通过涡轮增压器10的压缩后的空气实现了双能量回收。
参考图3，变型架构也使用与之前架构相同的部件，具有相同的附图标记。回收涡轮增压器10的压缩机12的入口/出口通道42和43不再连接到供给管道C1：通道43仅由外部进气口E2所驱动，通道42通过热交换器1的上游分支C3a而延长。
此外，另一热交换器2设置在供给管道C1—在负载压缩机12的出口—以及在机舱40出口的通道41之间。该热交换器2将在“高度”模式中使用(图4)。
在“地面”模式中(图3)，能量回收类似于第一架构的情况(见图1)，通过APU20的喷嘴14的热交换器1内空气的循环，以驱动回收涡轮机11，然后部分地，APU和负载压缩机22。该架构具有不需要阀的优点。
在如图4所示的“高度”模式中，随着来自通道41的加压空气离开机舱40，首先通过穿过热交换器2加热它。该热交换器还可降低管道C1内空气的温度，从而补偿—根据ECS的操作—由该架构在供给管道C1内与之前方案相比所产生的较低压缩，这具有两个压缩级。事实上，这里压缩机12不再实施在管道C1内空气的压缩的第二级的功能。
本发明并不局限于所描述和示出的示例。
例如，可在“高度”模式中从第一架构切换到变型架构。换句话说，—通过管理单元自动地或由飞行员手动地—从来自机舱出口(图2)的简单回收变化到双重回收，将机舱的出口通道41与压缩机12的出口通道42结合(图4)。
为此，控制第一种方案的阀V1和V2(图1和图2)从而能够可逆地以及当飞行器处于高度时能从在“地面”模式中限定的位置切换到在“高度”模式中限定的位置，反之亦然。交换器2的存在可有利地被保留，从而当阀处于在“地面”模式中限定的位置时，可与管道C1内的最低压力水平兼容。

Claims (10)

1.一种在装配有机舱(40)的飞行器中回收能量的方法，该机舱(40)具有气流，所述气流根据压力和温度使用由负载压缩机(22)供能的ECS空调系统(30)，以及辅助发电(20)来调节，其特征在于，该方法包括提供了：
—当该飞行器在地面上时，被称为“地面”模式，由辅助发电(20)消耗的热能由热交换(1)在其废气(14)中回收，从而为一回收涡轮增压器(10)的循环供能以产生除辅助发电(20)之外的机械能；
—当飞行器在高度时，被称为“高度”模式，其中机舱空气被加压到足够水平，至少部分地由随着其离开机舱(40)而被回收随后在废气(14)中由热交换(1)加热的空气所驱动的所述涡轮增压器(10)产生了除负载压缩机(22)之外的压缩，以提供为ECS(30)供能所需要的压缩率。
2.根据前述权利要求所述的方法，其中，在离开机舱(40)的相对较冷的空气和进入ECS系统(30)的相对较暖的压缩空气之间进行一第二热交换(2)。
3.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，在高度模式下，所述涡轮增压器(10)在ECS系统(30)的入口处形成一第二空气压缩级。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，当飞行器处于高度模式时，由涡轮增压器(10)压缩的空气和离开机舱(40)的压缩空气在废气(14)处产生的热交换(1)的上游结合，从而增加辅助发电(20)的功率。
5.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，当飞行器处于高度模式时，由涡轮增压器(10)产生的空气压缩是可切换的，以在ECS系统的入口处结合以形成一第二压缩级，或在来自气体发生器的废气内的热交换上游的机舱空气出口结合，从而增加所述辅助发电的功率。
6.一种能够实施根据前述权利要求之一所述方法的回收能量的架构，包括辅助动力单元APU(20)，该辅助动力单元具有排气喷嘴(14)，并结合一装配有一将动力传递到一负载压缩机(22)的轴(21)的气体发生器(2a)，以经由一供给管道(C1)将压缩空气供给到机舱(40)的空调系统ECS(30)，该架构还包括连接到APU(20)的轴(21)的回收涡轮增压器(10)，该涡轮增压器(10)包括由在安装到排气喷嘴(14)的热交换器(1)上安装的管道(C3)的下游分支(C3b)内循环的空气所供能的回收涡轮机(11)，该管道(C3)在交换器(1)的上游具有一分支(C3a)连接到通道(41，42)，所述通道(41，42)将机舱(40)和回收涡轮增压器(10)的压缩机(12)的空气出口连接到该上游分支(C3a)上。
7.根据前述权利要求所述的架构，其中，一第二交换器(2)安装在供给管道(C1)与机舱出口通道(41)之间，使得离开机舱(40)的空气和进入ECS系统(30)的压缩空气可传递热量。
8.根据权利要求6或7所述的架构，其中，用于切换空气循环的设备(V2，V1)分别布置在至ECS系统(30)的供给管道(C1)与回收涡轮增压器(10)的压缩机(12)的入口通道之间，以及所述压缩机(12)的出口通道(42)与在排气喷嘴(14)的热交换器(1)上安装的管道(C3)的上游分支(C3a)之间，使得该涡轮增压器(10)能够在ECS系统(40)的入口形成一第二空气压缩级。
9.根据权利要求6到8之一所述的架构，其中，来自压缩机(12)出口通道(42)以及来自机舱出口通道(41)的空气具有通过调节安装到回收涡轮机(11)的变距分配器的流通面积而基本平衡的压缩率。
10.根据权利要求6到9之一所述的架构，其中，用于切换空气循环的设备为由一中央管理单元控制的电动阀(V1，V2)。
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