CN104100500A - 电动压气机自引射增压系统及其增压方法 - Google Patents

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杨春信
张兴娟
马喆
王超
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Abstract

本发明公开了一种电动压气机自引射增压系统及其增压方法，属飞行器环境控制系统技术领域。该方法在保证气源清洁度和减少飞机性能代偿损失的前提下，降低了单级电动压气机压比。采用引射器将压气机出口的高温高压气体作为引射流，与吸入流环境空气混合，混合后的空气被提升了压力和温度，再进入压气机中进一步压缩，最终可提高系统增压比，本发明采用单级压气机，实现系统增压比2.5及以上，在电动引气的出口压力和温度要求相同的情况下，降低压气机的增压比需求，降低了压气机的制造难度与成本。对于机载环境，在尺寸、重量和功耗苛刻要求的前提下，与多级电动增压方法相比，亦具有结构简单、可靠性高和易于实现的特点。

Description

电动压气机自引射增压系统及其增压方法
技术领域
本发明涉及一种电动压气机自引射增压系统及其增压方法，属于飞机环境控制系统技术领域。
背景技术
现役飞机环境控制系统多采用发动机引气的空气循环环境控制系统，详见寿荣中，何慧姗.飞行器环境控制.北京：北京航空航天大学出版社，2006。而发动机引气会造成发动机性能下降，增加飞机性能代偿损失，详见黄辉，崔丹丹，崔高伟.引气环控系统和全电环控系统性能对比分析.中国科技信息.2013.15。为减少飞机性能代偿损失，提出了电动引气替代发动机引气的环控系统方案，并已被用于波音787飞机，详见党晓民，成杰，林丽.我国大型飞机环境控制系统研制展望.航空工程进展.2010.2。电动压气机是电动引气系统的关键部件，需要在飞机的飞行包线内正常工作并维持飞机座舱所需的压力。当飞机在巡航高度(约10000米)时为了保证飞机座舱压力(约80kPa及以上)，计入引气压缩空气冲压功时，所需压比高达2.5及以上。而对于机载单级空气压缩机，受尺寸、重量和功耗等的要求严格，其单级压比难以突破2；若使压比突破2以上，压气机转速需在4万转以上，轮径也高达0.3米。为了缓解尺寸和功耗需求，虽然采用多级压气机方案可实现压比为2.5及以上的需求，但压气机结构较复杂。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种电动压气机自引射增压系统及其增压方法。该系统在原有的单级叶轮压气机的基础上，增加了引射器，使得在满足出口气体参数不变的情况下，单级压气机即可实现压比为2.5及以上的需求。
一种电动压气机自引射增压系统，包括进气阀门、引射器、调节阀门、压气机和高速电机；
进气阀门通过管路连接到压气机入口，压气机出口管路引出一路支管连接调节阀门，调节阀门通过管路连接引射器，引射器出口位于进气阀门和压气机入口之间的管路中，高速电机与压气机同轴相连。
应用于所述的一种电动压气机自引射增压系统的增压方法，具体包括以下几个步骤：
步骤一：压气机升温升压
环境空气通过进气阀门及管路进入压气机后，升温升压，压气机出口气体工质；
步骤二：引射器引射入口工质
将步骤一中得到的压气机出口气体工质，通过一个支路，用调节阀门调节其流量，引至进气阀门和压气机入口之间，经过引射器喷出，形成引射流，吸入流为环境空气1，引射流与吸入流混合，得到的混合流；
步骤三：重新进入压气机升压
步骤二中获得的混合流，继续进入压气机进行升温升压。
本发明的优点在于：采用引射器自引射增压后，采用单级压气机即可实现压比2.5及以上的需求，从而有效降低电动压气机的制造难度与成本，同时具有结构简单易于实现的优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图中：
1.环境空气     2.进气阀门     3.引射器
4.调节阀门     5.压气机       6.高速电机
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种电动压气机自引射增压系统，如图1所示，包括进气阀门2、引射器3、调节阀门4、压气机5和高速电机6。
进气阀门2通过管路连接到压气机5入口，压气机5出口管路引出一路支管连接调节阀门4，调节阀门4通过管路连接引射器3，引射器3出口位于进气阀门2和压气机5入口之间的管路中，高速电机6与压气机5同轴相连。
所述的进气阀门2用于调节电动压气机5自引射增压系统的入口流量；
所述的压气机5用于给系统工质进行增压；
所述的调节阀门4用于调节引射器3的流量；
所述的引射器3用于喷射高温高压的引射流；
所述的高速电机6用于驱动压气机5。
工作时，环境空气1首先通过进气阀门2进入高速电机6驱动的压气机5，变成高温高压的气体。在压气机5出口处引出一部分气流，经过调节阀门4和管路，通过引射器3成为引射流。与低能量的吸入流环境空气相比，引射流具有高能量，两股不同能量的流体之间会形成一个剪切面，通过粘性剪切力和流体扩散的机械作用，高速引射流的动量和动能逐渐传递给吸入的低能流。当混合完成后，引射流和吸入流将成为能量和速度分布相同的一股流体，进入压气机5升温升压。由能量守恒与动量守恒可知，该混合流体的温度与压力均高于原吸入流的环境空气，进一步提高了压气机5的入口温度和压力。
本发明的电动压气机自引射增压系统具体工作过程为：压气机5与高速电机6相连，环境空气1经过进气阀门2，流入压气机5入口，经过压缩，温度和压力升高，从压气机5出口流出。出口处的管路将一部分高温高压气体经过调节阀门4，引回至进气阀门2和压气机5入口之间，经引射器3喷出，作为引射流与流入的环境空气混合，形成温度与压力都高于原环境空气的新的混合流。该混合流进入压气机进行压缩，在较小的增压比下即可得到与原出口气体相同的压力。这一过程可以不断地循环进行。
应用于上述电动压气机自引射增压系统的增压方法，具体通过如下步骤实现：
步骤一：压气机升温升压
环境空气1是地面状态或高空状态的冲压空气，对于旅客机，其压力范围约为40～100kPa，对应温度约为263K～313K。通过进气阀门2及管路进入压气机5后，经过压缩，温度和压力均得到提高。以高空巡航高度(10000米)为例，压比为1.8时，压气机5出口压力约为76kPa，出口温度约为321K。
步骤二：引射器3引射入口工质
将步骤一中得到的压气机5出口气体工质，通过一个支路，用调节阀门4调节其流量，引至进气阀门2和压气机5入口之间，经过引射器3喷出，形成引射流，吸入流为环境空气1。引射流与吸入流混合的过程遵循动量守恒和能量守恒，得到的混合流与原环境空气1相比，温度和压力均得到提高。引射器3增压比不低于1.4时，混合后的混合流在压气机5入口的压力可大于58.3kPa。
步骤三：重新进入压气机5升压
步骤二中获得的温度压力较高的混合流，继续进入压气机5进行升温升压。压气机压比为1.8时，系统压比可达2.5及以上。
为了说明该电动压气机自引射增压系统及增压方法的可行性，本发明对其性能进行了计算。
定义引射器3的引射比其中GH为被吸入空气的质量流量，Gp为引射空气的质量流量；引射器3增压比为其中Pm为混合后空气的压力，PH为被吸入空气的压力。
表1为计算工况的相关参数：
表1 电动引射压气机计算工况及部件参数设置
采用本发明后，电动引射压气机5性能参数见表2所示。通过表2可以看出采用电动压气机自引射方法，可容易实现飞机在10km高度上，获得系统压比2.5、压气机出口压力105.75kPa的需求，可实现飞机巡航高度上的座舱增压需求，同时压气机的功耗仅为33.7kW。
表2 电动引射压气机性能参数

Claims (4)

1.一种电动压气机自引射增压系统，包括进气阀门、引射器、调节阀门、压气机和高速电机；
进气阀门通过管路连接到压气机入口，压气机出口管路引出一路支管连接调节阀门，调节阀门通过管路连接引射器，引射器出口位于进气阀门和压气机入口之间的管路中，高速电机与压气机同轴相连。
2.根据权利要求1所述的一种电动压气自引射增压系统，所述的高速电机的转速能够调节，以满足机载环境下因外环境大气条件改变引气压气机入口参数变化的自适应性。
3.根据权利要求1所述的一种电动压气自引射增压系统，所述的调节阀门根据飞行工况自动调节引射器引射的流量。
4.应用于权利要求1所述的一种电动压气机自引射增压系统的增压方法，具体包括以下几个步骤：
步骤一：压气机升温升压
环境空气通过进气阀门及管路进入压气机后，升温升压，压气机出口气体工质；
步骤二：引射器引射入口工质
将步骤一中得到的压气机出口气体工质，通过一个支路，用调节阀门调节其流量，引至进气阀门和压气机入口之间，经过引射器喷出，形成引射流，吸入流为环境空气1，引射流与吸入流混合，得到的混合流；
步骤三：重新进入压气机升压
步骤二中获得的混合流，继续进入压气机进行升温升压。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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