CN104290912A - 用于在环境控制系统中混合气流的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于在环境控制系统中混合气流的方法和装置。所述装置包括：管道，构造为接纳第一气流和第二气流；以及多个导向叶片，设置在所述管道中。导向叶片构造为引起流动通过管道的第一和第二气流的旋转。

Description

用于在环境控制系统中混合气流的方法和装置
技术领域
本发明一般地涉及通风系统，并且更具体地说，涉及用于在环境控制系统中混合气流的方法和系统。
背景技术
在一些已知的飞行器环境控制系统(ECS)中，飞行器发动机的引气作为配平空气被注入至经调节的空气流管道中，以调整(即，升高)供应至客舱或飞行器中的其它隔室的空气的温度。与经调节的空气混合的配平空气的温度用于调节注入至经调节的空气中的配平空气的量。在至少一些已知的飞行器中，配平空气在角度变化的T接头或Y接头处被注入至经调节的空气流中，并且管道中的气流湍流与气流混合。然而，这种湍流式混合在进行组合的气流的温度测量之前没有均匀地混合气流。此外，这种混合可将配平空气注入的位置仅限于管道的长直部分。另外，可能难以正确地将管道温度传感器布置在管道中以获得精确的温度测量结果。例如，如果管道温度传感器布置得太过远离配平空气的注入位置，则混合的气流可在其到达管道温度传感器时经历通过管道的热损失，从而导致管道温度传感器的低的温度测量结果。当测量的混合的气流温度太低时，可注入额外的配平空气以使空气升温。然而，使用多于需要的量的配平空气导致引气的过度使用，并且降低了飞行器的燃料燃烧效率。
发明内容
在一个方面，提供了一种用于在环境控制系统中混合气流的装置。所述装置包括构造为接纳第一气流和第二气流的管道和设置在管道中的多个导向叶片。导向叶片构造为引起流动通过管道的第一和第二气流的旋转。
在另一方面，提供了一种在环境控制系统中混合气流的方法。所述方法包括将具有管道的装置布置在空气供应管道中，以有利于在第二气流进入第一气流的注入部位与温度传感器之间混合至少第一气流和第二气流。所述方法还包括将第一和第二气流输送至空气供应管道中并通过所述装置，从而设置在管道中的多个导向叶片引起流动通过管道的第一和第二气流的旋转。
在又一方面，提供了一种暖通空调(HVAC)系统。HVAC系统包括构造为引导来自隔室的气流的空气管道和以流动连通的方式连接至所述空气管道的热空气供应管道。热空气供应管道构造为引导热气流被注入至所述气流中。HVAC系统还包括连接在热气流进入所述空气管道的注入点的下游的装置。所述混合装置包括构造为接纳气流和热气流的管道以及设置在管道中的多个导向叶片。导向叶片构造为引起流动通过管道的气流和热气流的旋转。
附图说明
图1是示例性飞行器生产和服务方法的流程图。
图2是可利用图1所示的系统制造的示例性飞行器的框图。
图3是示例性飞行器环境控制系统的示意图。
图4是可用于图3所示的ECS中的示例性混合装置的等距视图。
图5是图4所示的混合装置的剖视图。
具体实施方式
本文所描述的方法和系统以飞行器制造和服务方法100(图所示1)和飞行器102(图所示2)为背景。另选地，本文所描述的方法和系统可在包括流体分布系统的任何背景和/或任何环境中实施。在预生产过程中，方法100可利用飞行器102的规范设计104和/或材料采购106。在生产过程中，进行飞行器102的部件和组件制造108和系统集成110。然后，在投入服务114之前，飞行器102可经历认证和交付112。在消费者的服务期间，定期对飞行器102进行日常维护和保养116(包括例如修理、再配置和/或整修)。
可通过系统集成器、第三方和/或操作员(例如，消费者)执行方法100的每个处理。针对本说明书的目的，系统集成器可包括(但不限于)任何数量的飞行器制造商和主系统转包商；第三方可包括(但不限于)任何数量的零售商、转包商和供应商；以及操作员可为航空公司、租赁公司、军事机构、服务组织等。
如图2所示，利用方法100生产的飞行器102可包括机身118和内部122，机身118具有多个系统120。高水平系统120的示例可包括推进系统124、电子系统126、液压系统128和/或环境系统130的一个或多个。可包括任何数量的其它系统。虽然示出了航空航天示例，但本发明的原理可应用于其它工业，诸如汽车工业、机器、重设备和暖通空调(HVAC)应用。
可在生产和服务方法100的任意一个或多个阶段中采用本文实现的设备和方法。例如，对应于生产工艺108的部件或组件可与在飞行器102处于服务中时产生的部件或组件按照相似的方式制造。另外，可在生产阶段108和110中例如通过显著地加速装配飞行器102或降低飞行器102的成本利用一个或多个设备实施方式、方法实施方式或它们的组合。相似地，作为示例而非限制，在飞行器102处于服务中的同时利用设备实施方式、方法实施方式或它们的组合的一个或多个进行维护和保养116。
图3是示例性飞行器环境控制系统(ECS)300的示意图。在示例性实施方式中，通过进气管道304将从飞行器发动机302的压缩机(未示出)接收的引气供应至ECS300。进气管道304分为空气循环管道306和配平空气供应管道308。
在示例性实施方式中，空气循环管道306以流动连通的方式连接至空气循环机(PACK)310。PACK 310配置为调节和冷却热的受压的引气。在PACK 310的下游，ECS 300包括用于将经调节的空气输送至飞行器102的一个或多个区(图2所示)的管道。例如，在示例性实施方式中，ECS 300包括客舱空气供应管道312，其用于将经调节的空气供应至飞行器102的乘客客舱314。除此之外或作为另外一种选择，ECS300包括驾驶舱供应管道316，其用于将经调节的空气供应至飞行器102的驾驶舱318。
在示例性实施方式中，ECS 300还包括以流动连通的方式连接至客舱314的客舱再循环空气管道320。在预定时间段，风扇322将空气抽出客舱314，以通过再循环空气为经调节的空气增加通风。客舱再循环空气管道320与客舱空气供应管道312流动连通，以有利于将来自客舱314的再循环空气与来自PACK 310的经调节的空气混合。
在示例性实施方式中，配平空气供应管道308分别分为第一和第二配平空气供应管道324和326。第一配平空气供应管道324以流动连通的方式连接至客舱314上游的客舱空气供应管道312。热配平空气在客舱配平空气注入点或部位328与在客舱空气供应管道312中流动的冷的经调节的空气和再循环空气混合。在一个实施方式中，第一配平空气供应管道324垂直于客舱空气供应管道312。在另一实施方式中，第一配平空气供应管道324相对于客舱空气供应管道312成一角度(例如45度角)布置。第一配平空气供应管道324相对于客舱空气供应管道312的布置有利于配平空气与经调节的空气和再循环空气的湍流式混合。在示例性实施方式中，ECS 300包括第一配平空气阀330，其用于调节经第一配平空气供应管道324与经调节的空气和再循环空气混合的配平空气的量。调节注入至经调节和再循环气流中的配平空气的量有利于控制进入客舱314的空气的温度。
在客舱配平空气注入点328的下游，ECS 300包括温度传感器332，其用于测量经客舱空气供应管道312进入客舱314的配平空气与经调节的空气和再循环空气的混合空气的温度。在示例性实施方式中，ECS 300还包括连接在配平空气注入点328与温度传感器332之间的混合装置334。混合装置334配置为改进配平空气与经调节的空气和再循环空气的混合，如下面更详细地描述。
相似地，第二配平空气供应管道326以流动连通的方式连接至驾驶舱318上游的驾驶舱供应管道316。在驾驶舱配平空气注入点或部位336，热的配平空气与在驾驶舱供应管道316中流动的冷的经调节的空气混合。ECS 300还包括第二配平空气阀338，其用于调节经第二配平空气供应管道326与经调节的空气混合的配平空气的量。在一个实施方式中，第二配平空气供应管道326垂直于驾驶舱空气供应管道316。在另一实施方式中，第二配平空气供应管道326相对于驾驶舱空气供应管道316成一角度(例如45度角)布置。第二配平空气供应管道326相对于驾驶舱空气供应管道316的布置有利于配平空气与经调节的空气的湍流式混合。在示例性实施方式中，ECS 300包括第二配平空气阀338，其用于调节经第二配平空气供应管道326与经调节的空气混合的配平空气的量。调节注入至经调节的空气流中的配平空气的量有利于控制进入驾驶舱318的空气的温度。
在驾驶舱配平空气注入点336的下游，ECS 300包括温度传感器340，其用于测量经驾驶舱空气供应管道316进入驾驶舱318的经调节的空气的温度。在示例性实施方式中，ECS 300还包括连接在驾驶舱空气注入点336与温度传感器340之间的混合装置334。混合装置334配置为改进配平空气与经调节的空气的混合。
在示例性实施方式中，ECS 300还包括布置在驾驶舱318中的空气管理控制器342。虽然本文中将其描述为布置于驾驶舱318中，但是空气管理控制器342可布置在客舱314中、相对于地面位置远程布置和控制和/或布置于使得控制器342能够如本文所述地起作用的任何其它位置。空气管理控制器342以可通信的方式连接至温度传感器332和340以接收通过温度传感器332和340检测的温度测量结果。空气管理控制器342还以可通信的方式连接至第一致动器344和第二致动器346。更具体地说，在示例性实施方式中，第一致动器344与第一配平空气阀330连接，而第二致动器346与第二配平空气阀338连接。空气管理控制器342配置为计算进入客舱314的混合的经调节和再循环气流的目标温度，该目标温度对于实现理想客舱空气温度来说是必要的。理想客舱空气温度可设置在空气管理控制器342中，或可由用户输入至控制器342中。结果，空气管理控制器342根据实现理想客舱温度的应用来调整第一和/或第二配平空气阀330或338的位置。
基于温度传感器332获得的温度测量结果，空气管理控制器342控制配平空气阀330的位置，以调节与客舱空气供应管道312中的经调节的空气和再循环空气混合的来自第一配平空气供应管道324的配平空气的量。例如，如果温度传感器332测量的温度低，则空气管理控制器342打开配平空气阀330以注入额外的热的配平空气以升高温度。另选地，如果测量到的温度太高，则空气管理控制器342关闭配平空气阀330以减小与经调节的空气和再循环空气混合的热的配平空气的量。
图4是可用于ECS 300(图3所示)中的示例性混合装置334的等距视图。图5是混合装置334(图4所示)的剖视图。在示例性实施方式中，混合装置334布置在客舱配平空气注入点328(图3所示)下游和温度传感器332(图3所示)上游的客舱空气供应管道312(图3所示)中。虽然在本说明书中描述为安装在客舱空气供应管道312中，但是混合装置334也可按照基本相同的方式安装在驾驶舱空气供应管道316中，并且将不描述。
在示例性实施方式中，混合装置334包括管道400和设置在管道400中的多个导向叶片402。在示例性实施方式中，管道400具有管状横截面形状。在替代实施方式中，管道400可具有使得管道400能够如本文所述地起作用的任何横截面形状，包括(但不限于)方形、矩形或任何其它非圆形形状。导向叶片402配置为随着配平、经调节的和再循环气流流动通过管状管道400而迫使配平空气、经调节的空气和再循环空气的轴向流形成旋转运动以产生螺旋涡(旋流)。
在示例性实施方式中，导向叶片402从管状管道400的内表面突出并以等间隔沿周向间隔开。在替代实施方式中，导向叶片402可以变化间隔间隔开，或以使得混合装置334能够如本文所述地起作用的任意间隔间隔开。导向叶片402沿着顺时针或逆时针方向相对于管状管道400的纵轴线向下弯曲并扭曲，以随着混合的空气流动通过混合装置334形成混合的空气的旋流。在一个实施方式中，导向叶片402与客舱空气供应管道312一体地制造。在另一实施方式中，混合装置334是配置为安装或改装在现有管道中的单独的部件。此外，导向叶片402可具有如本文描述有利于混合流体的任何合适的构造。
与仅通过湍流混合相比，本文描述的实施例有利于配平空气和经调节的空气在ECS中更快速、更均匀和更完全地混合。这样，温度传感器可布置为更靠近配平空气注入点，这减小热损失的可能性并使得温度传感器能够获得更精确的混合空气的温度测量结果。更精确的温度测量结果使得能够注入更精确的配平空气的量，导致燃料燃烧的效率增加。而且，混合的改进有利于减小飞行器中必要管道的量，导致成本和重量减小。另外，管道在配平空气注入点的连接部可布置为更靠近管道中的弯曲部分和/或较短的直管道部分中，进一步减小飞行器中需要的必要管道的量。虽然本文描述的是用于飞行器环境控制系统中，但是本文描述的混合装置可用于任何HVAC系统中。
本文描述的系统和方法的技术效果包括以下的至少一个：(a)将装置布置在管状管道中以有利于在第二气流的注入部位与温度传感器之间混合至少第一气流和第二气流；以及(b)将第一和第二气流输送至管状管道中并通过所述装置，以使得设置在管状管道中的多个导向叶片引发流动通过管状管道的第一和第二气流的旋转。
本文描述的实施方式一般地涉及通风系统，并且更具体地说，涉及在环境控制系统中混合气流的方法和系统。以上详细地描述了在环境控制系统中混合气流的方法和系统的示例性实施方式。所述方法和系统不限于本文描述的特定实施方式，而是所述系统的部件和/或所述方法的步骤可独立地和与本文描述的其它部件和/或步骤分离地使用。每个方法步骤以及每个部件也可与其它方法步骤和/或部件组合使用。虽然多个实施方式的特定特征可在一些附图中示出而未在其它附图中示出，但这只是为了方便起见。附图的任何特征可与任何其它附图的任何特征组合引用和/或要求。
以单数形式描述并且前缀有词“一个”的元件或步骤应该被理解为不排除多个元件或步骤，除非明确表示排除。而且，参照本发明的“一个实施方式”和/或“示例性实施方式”不旨在被解释为排除存在也包含了所述特征的另外的实施方式。
本书面的说明书使用示例来公开实施方式，包括最佳模式，并且也使得本领域任何技术人员能够实施所述实施方式，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何包括的方法。本发明的可获得专利保护的范围由权利要求限定，并可包括本领域技术人员可想到的其它示例。如果这种其它示例具有与权利要求的书面语言无区别的结构性元件或者如果这种其它示例包括与权利要求的书面语言无实质区别的等同的结构性元件，则这种其它示例旨在落入权利要求的范围内。
此外，本发明包括根据以下条目的实施方式：
条目1.一种用于在环境控制系统中混合气流的装置，所述装置包括：管道，构造为接纳第一气流和第二气流；以及多个导向叶片，设置在所述管道中，并构造为引起流动通过所述管道的第一和第二气流的旋转。
条目2.根据条目1所述的装置，其中所述多个导向叶片布置在第二气流进入第一气流的注入部位与构造为测量混合的第一和第二气流的温度的温度传感器之间。
条目3.根据条目2所述的装置，其中所述多个导向叶片布置为在混合的第一和第二气流的温度被测量之前混合第一和第二气流。
条目4.根据条目2所述的装置，其中温度传感器布置为在第一和第二气流基本混合的点处测量温度。
条目5.根据条目2所述的装置，其中温度测量结果用于控制注入至第一气流中的第二气流的量。
条目6.根据条目1所述的装置，其中所述多个导向叶片构造为迫使第一气流和第二气流的轴向流形成旋转运动，以随着第一和第二气流流动通过所述管道而产生旋流。
条目7.根据条目1所述的装置，其中所述多个导向叶片从所述管道的内表面突出并以等间隔沿周向间隔开。
条目8.根据条目1所述的装置，其中所述多个导向叶片相对于所述管道的纵轴线向下弯曲并扭曲。
条目9.根据条目1所述的装置，其中所述多个导向叶片沿着顺时针和逆时针方向之一弯曲，以随着混合的空气流动通过所述管道而形成混合的空气的旋流。
条目10.根据条目1所述的装置，其中所述多个导向叶片与所述管道一体地制造。
条目11.根据条目1所述的装置，其中所述装置是构造为在现有管道中改装的单独的部件。
条目12.根据条目1所述的装置，其中第一气流包括经调节的空气，并且第二气流包括配平空气。
条目13.一种在环境控制系统中混合气流的方法，所述方法包括以下步骤：将具有管道的装置布置在空气供应管道中，以有利于在第二气流进入第一气流的注入部位与温度传感器之间混合至少第一气流和第二气流；以及将第一和第二气流输送至空气供应管道中并通过所述装置，从而设置在管道中的多个导向叶片引起流动通过管道的第一和第二气流的旋转。
条目14.根据条目13所述的方法，还包括在用温度传感器测量混合的气流的温度之前将第一和第二气流混合。
条目15.根据条目13所述的方法，还包括迫使第一气流和第二气流的轴向流形成旋转运动，以随着第一和第二气流流动通过管道而产生旋流。
条目16.根据条目13所述的方法，还包括将经调节的空气和配平空气输送至装置中。
条目17.一种暖通空调(HVAC)系统，包括：空气管道，构造为引导来自隔室的气流；热空气供应管道，以流动连通的方式连接至所述空气管道，所述热空气供应管道构造为引导热气流被注入至所述气流中；和连接在热气流进入所述空气管道的注入点的下游的装置，所述装置包括：管道，构造为接纳气流和热气流；以及多个导向叶片，设置在所述管道中，并构造为引起流动通过所述管道的气流和热气流的旋转。
条目18.根据条目17所述的HVAC系统，还包括：至少一个温度传感器，布置在所述装置的下游，并构造为测量气流和热气流的温度；以及控制器，构造为接收由位于所述装置下游的至少一个温度传感器测量的混合的气流和热气流的温度。
条目19.根据条目18所述的HVAC系统，其中所述控制器还构造为基于从至少一个温度传感器接收的测量到的温度而控制注入至所述气流中的热气流的量。
条目20.根据条目18所述的HVAC系统，还包括阀，构造为控制从所述热空气供应管道注入至所述气流中的热气流的量，其中所述控制器还构造为基于从至少一个温度传感器接收的测量到的温度而控制所述阀的位置。

Claims (10)

1.一种用于在环境控制系统(300)中混合气流的混合装置(334)，所述混合装置包括：
管道(400)，其构造为接纳第一气流和第二气流；以及
多个导向叶片(402)，其设置在所述管道中，并且构造为引起流动通过所述管道的所述第一气流和所述第二气流的旋转。
2.根据权利要求1所述的混合装置(334)，其中，所述多个导向叶片(402)布置在所述第二气流进入所述第一气流的注入部位(328、336)与构造为测量混合的所述第一气流和所述第二气流的温度的温度传感器(332、340)之间。
3.根据权利要求2所述的混合装置(334)，其中，所述多个导向叶片(402)布置为在混合的所述第一气流和所述第二气流的温度被测量之前混合所述第一气流和所述第二气流。
4.根据权利要求2所述的混合装置(334)，其中，所述温度传感器(332、340)被布置为在所述第一气流和所述第二气流基本混合的点处测量温度。
5.根据权利要求2所述的混合装置(334)，其中，温度测量结果用于控制注入至所述第一气流中的所述第二气流的量。
6.根据权利要求1所述的混合装置(334)，其中，所述多个导向叶片(402)构造为迫使所述第一气流和所述第二气流的轴向流形成旋转运动，以随着所述第一气流和所述第二气流流动通过所述管道(400)而产生旋流。
7.根据权利要求1所述的混合装置(334)，其中，所述多个导向叶片(402)从所述管道(400)的内表面突出，并以等间隔沿周向间隔开。
8.根据权利要求1所述的混合装置(334)，其中，所述多个导向叶片(402)相对于所述管道(400)的纵轴线向下弯曲并扭曲。
9.根据权利要求1所述的混合装置(334)，其中，所述多个导向叶片(402)沿着顺时针和逆时针方向之一弯曲，以随着混合的空气流动通过所述管道(400)而形成所述混合的空气的旋流。
10.根据权利要求1所述的混合装置(334)，其中，所述多个导向叶片(402)与所述管道(400)一体地制造。
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