CN104343731A - 空气循环机的压缩机壳体 - Google Patents

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Abstract

空气循环机的组件包括风扇壳体部分、压缩机壳体部分、主孔壳体半径、静密封半径、护罩引导壳体半径和绝缘体密封板壳体半径。风扇壳体部分包括风扇段的护罩。压缩机壳体部分包括压缩机进气口的护罩、压缩机叶片段的护罩部分和压缩机出气口的护罩部分。主孔壳体半径围绕中心轴布置并且被配置成限定沿着中心轴布置的轴，主孔壳体半径在1.9400英寸与1.9440英寸之间。静密封部分围绕中心轴布置并且定位成纵向邻近主孔壳体部分。静密封部分被配置成限定由轴界定的静密封件，并且具有2.0420英寸与2.0440英寸之间的半径。护罩引导壳体半径围绕中心轴布置。护罩引导壳体半径在5.9440英寸与5.9470英寸之间。绝缘体密封板壳体半径围绕中心轴布置并且被配置成与邻近的涡轮段组件紧密配合。绝缘体密封板壳体半径在8.6380英寸与8.6420英寸之间。

Description

空气循环机的压缩机壳体
发明背景
本发明涉及空气循环机(ACM)。ACM可以用于在压缩机段中压缩空气。压缩空气被排放到顺流热交换器并且进一步引导到涡轮。涡轮从膨胀空气提取能量以驱动压缩机。从涡轮输出的空气可以用作车辆(例如，航空器的机舱)的气源。ACM可以用于实现在转移到航空器的环境控制系统的空气中的所需的压力、温度和湿度。
ACM经常具有三轮或四轮配置。在三轮ACM中，涡轮驱动在共同的轴上旋转的压缩机和风扇。在四轮ACM中，两个涡轮段驱动在共同的轴上的压缩机和风扇。
气流必须定向到风扇段中到压缩机段，远离压缩机段到热交换器，从热交换器定向到一个或多个涡轮，并且从最后的涡轮级离开ACM。在这些转移中的至少一些中，需要相对于ACM的中心轴径向地定向空气。为了实现这一点，可以使用旋转式喷嘴来产生径向流入和/或流出。
ACM经常具有一个以上壳体段。在ACM中使用的壳体用于含有通过ACM引导的气流，以及旋转部件。经常，壳体组件被配置成邻近密封件和/或其他壳体组件以实现气流封闭。
发明概要
公开了一种空气循环机的壳体组件。空气循环机组件具有指定尺寸，其包括主孔壳体半径、静密封半径、护罩引导壳体半径和绝缘体密封板壳体半径。
附图简述
图1为空气循环机的横截面图。
图2为空气循环机的压缩机壳体的透视图。
具体实施方式
选择空气循环机壳体的尺寸以便实现几个目标。在静轴密封件上旋转轴的减少的阻力最小化摩擦损失并且将更多的涡轮功率转移到压缩机和风扇。合意地最小化优化的密封间隙，以便通过密封件最小化压缩机入口流量损失。轴偏移(例如，密封件)引起轴封齿与相关密封带之间的密切接触。在轴偏移期间使密封间隙损失与密封阻力的摩擦损失保持平衡。将优化的间隙保持在旋转轴齿与密封带之间，以减少或消除空气循环机的箔带轴承中的次同步振动。此外，防止从偏移(例如，密封件)的泄漏倒入轴承冷却流道的部分。过多泄漏到这个流道中可能导致冷却流的堵塞。优化的密封件大小防止过多的泄漏，其可能导致轴承冷却流减少和轴承表面的温度过高。
图1为ACM2的横截面图。ACM2为四轮ACM，其含有风扇段4、压缩机段6、第一涡轮段8和第二涡轮段10，这些段都连接到轴12。使轴12围绕中心轴14旋转。
也通过轴12使风扇段4、压缩机段6、第一涡轮段8和第二涡轮段10中的每个彼此连接。轴12沿着中心轴14延伸，并且连接到至少压缩机喷嘴26、第一级涡轮喷嘴32和第二级涡轮喷嘴38。风扇叶片20也可以连接到轴12。
当工作流体通过ACM2时，首先在压缩机段6中压缩工作流体，然后使其在第一涡轮段8和第二涡轮段10中膨胀。经常，在热交换器(未示出)中加热或冷却第一工作流体，当工作流体通过压缩机段6与第一涡轮段8之间时，通过热交换器引导工作流体。第一涡轮段8和第二涡轮段10从工作流体提取能量，从而使轴12围绕中心轴14转动。同时，通过同一热交换器由风扇段4引导第二工作流体。例如，可以将第一工作流体通过压缩机段6从燃气涡轮发动机的排出阀引导到热交换器，到第一涡轮段8，然后到第二涡轮段10，然后到航空器的环境控制系统。第二工作流体可以是冲压空气，其通过同一热交换器由风扇段4抽出以在将第一工作流体引导到涡轮段8和10之前，将第一工作流体冷却到所需的温度。通过压缩、加热和膨胀工作流体，可以将在第二涡轮10处提供的输出调整到所需的温度、压力和/或相对湿度。
风扇段4包括风扇入口16和风扇出口18。风扇入口16为ACM2中从另一源接收工作流体的开口，例如，冲压进气口。风扇出口18允许工作流体从风扇段4中漏出。风扇叶片20可以用于将工作流体吸入风扇段4。
压缩机段6包括压缩机入口22、压缩机出口24、压缩机喷嘴26和压缩机叶片27。压缩机入口22为界定孔的管道，从另一源接收通过孔要压缩的工作流体。压缩机出口24允许在压缩工作流体之后，将工作流体引导到其他系统。压缩机喷嘴26为旋转通过压缩机段6中的工作流体的喷嘴段。压缩机喷嘴26通过压缩机叶片27将工作流体从压缩机入口22定向到压缩机出口24。压缩机喷嘴26为径向流出的转子。
第一涡轮段8包括第一级涡轮入口28、第一级涡轮出口30、第一级涡轮喷嘴32和第一涡轮叶片33。第一级涡轮入口28为界定孔的管道，工作流体在第一涡轮段8中膨胀之前穿过孔。第一级涡轮出口30为界定孔的管道，工作流体(其已膨胀)通过孔离开第一涡轮段8。第一级涡轮喷嘴32为旋转通过第一涡轮段8中的工作流体的喷嘴段。第一级涡轮喷嘴32与第一级涡轮叶片33合作以从穿过其的工作流体提取能量，从而驱动第一涡轮段8和附接组件(包括轴12、风扇段4和压缩机段6)的旋转。第一级涡轮喷嘴32为径向流入的转子。
第二涡轮段10包括第二级涡轮入口34、第二级涡轮出口36、第二级涡轮喷嘴38和第二级涡轮叶片39。第二级涡轮入口34为界定孔的管道，工作流体在第二涡轮段10中膨胀之前穿过孔。第二级涡轮出口36为界定孔的管道，工作流体(其已膨胀)通过孔离开第二涡轮段10。第二级涡轮喷嘴38为喷嘴段，其与第二级涡轮叶片39合作以从穿过其的工作流体提取能量，从而驱动第二涡轮段10和附接组件(包括轴12、风扇段4和压缩机段6)的旋转。具体来说，第二级涡轮喷嘴38为径向流出的转子。工作流体从第二级涡轮入口34传递到空腔35，其中空腔35是属于第二级涡轮喷嘴38。然后，工作流体通过各喷嘴叶片(未示出)之间。涡轮喷嘴38为固定的，并且喷嘴隔片引导流最佳地进入涡轮转子。流使涡轮叶片39旋转和转动轴12。
轴12为用于连接ACM2的其他组件的杆(例如，钛拉杆)。轴12包括沿着其长度一半布置的密封部分。中心轴14为可以布置其他组件所相对的轴。
风扇段4连接到压缩机段6。具体来说，风扇出口18耦合到压缩机入口22。工作流体通过风扇入口16吸入并且通过风扇出口18由风扇叶片20排放。将来自风扇出口18的工作流体引导到压缩机入口22以便在压缩机段6中压缩。类似地，使压缩机段6与第一涡轮段8耦合。将来自压缩机出口24的工作流体引导到第一级涡轮入口28。
风扇段4和压缩机段6共享壳体40。壳体40通过风扇段4和压缩机段6封闭运动部件和气道。壳体40的大小和几何形状界定空气通过ACM2的流动。例如，壳体40围绕轴12布置以便防止过多的气流在轴12周围。具体来说，静密封部分包括在直接邻近静密封部分44的轴12中。密封部分的外半径被设置成密封件由壳体40的静密封部分44形成。因此，在静密封部分处的轴12的外半径等于或略小于静密封半径D1。
壳体40具有特定尺寸以与邻近的壳体段(例如，围绕涡轮段8的壳体)相配合。壳体40包括主孔壳体部分42、静密封部分44、护罩引导壳体46和绝缘体密封板48。
静密封部分44为壳体40的部分，其在轴12包括密封件的纵向区域限定轴12。以这种方式，静密封部分44防止流体在壳体40与轴12之间流动。壳体40从中心轴14到静密封部分44的半径图示为静密封半径D1。静密封半径D1在5.1867cm与5.1918cm(2.0420英寸与2.0440英寸)之间。更优选，静密封半径D1可以在5.1904cm与5.1930cm(2.0435英寸与2.0445英寸)之间。
主孔壳体部分42为壳体40的部分，其限定轴12以便防止过多的气流在轴12周围。壳体40从中心轴14到主孔壳体部分42的半径图示为中心孔内半径D2。中心孔内半径D2在4.9276cm与4.9378cm(1.9400英寸与1.9440英寸)之间。更优选，主孔壳体半径D2可以在4.9301cm与4.9352cm之间。
护罩引导壳体46在中心轴14与壳体40之间的径向距离处于局部极小值的点处界定壳体40的部分。护罩引导壳体部分46被配置成与互补特征(涡轮壳体50)紧密配合。通过与涡轮壳体50耦合，护罩引导壳体46防止穿过压缩机入口22的工作流体在压缩机出口24与压缩流体混和。壳体40从中心轴14到护罩引导壳体46的半径图示为护罩引导壳体半径D3。护罩引导壳体半径D3在15.098cm与15.105cm(5.9440英寸与5.9470英寸)之间。更优选，护罩引导壳体半径D3可以在15.099cm与15.104cm之间。
绝缘体密封板48为朝向涡轮段8延伸最远的壳体40的部分。此外，绝缘体密封板48也在中心轴14与壳体40之间的径向距离处于局部极小值的点处。绝缘体密封板48被配置成与涡轮壳体50紧密配合。绝缘体密封板48与涡轮壳体50合作以防止流体从压缩机入口22流出。壳体40从中心轴14到绝缘体密封板48的半径图示为绝缘体密封板半径D4。绝缘体密封板壳体半径D4在21.941cm与21.951cm(8.6380英寸与8.6420英寸)之间。更优选，绝缘体密封板壳体半径D4可以在21.943cm与21.948cm之间。
图2为壳体40的透视图，其图示静密封半径D1、中心孔内半径D2、护罩引导壳体半径D3和绝缘体密封板半径D4。图1的ACM2的组件(包括涡轮段8的邻近的壳体和轴12)已被移除以更清楚地图示壳体40的特定尺寸。
图2图示压缩机入口22和压缩机出口24。如图2中所示，风扇段4的风扇叶片20(图1)被隐藏在壳体40后面，而压缩机段6的内部被暴露但由壳体40限定。如先前参照图1所述，静密封部分D1、主孔壳体半径D2、护罩引导壳体半径D3和绝缘体密封板壳体半径D4具有最佳尺寸的特定范围。
可能的实施方案的讨论
空气循环机的壳体包括主孔壳体部分，其围绕中心轴布置并且被配置成限定沿着中心轴布置的轴。主孔壳体具有4.9276cm与4.9378cm之间的中心孔内半径。静密封部分围绕中心轴布置并且定位成纵向邻近主孔壳体部分。静密封部分被配置成限定由轴界定的静密封件。静密封部分具有5.1867cm与5.1918cm之间的静密封半径。护罩引导壳体部分围绕中心轴布置。护罩引导壳体部分具有15.098cm与15.105cm之间的护罩引导半径。绝缘体密封板壳体部分围绕中心轴布置并且被配置成与邻近的涡轮段组件紧密配合。绝缘体密封板壳体部分具有21.941cm与21.951cm之间的绝缘体密封板半径。
主孔壳体半径可以在4.9301cm与4.9352cm之间。静密封半径可以在5.1905cm与5.1930cm之间。护罩引导壳体半径可以在15.099cm与15.104cm之间。绝缘体密封板壳体半径可以在21.943cm与21.948cm之间。涡轮段组件可以是涡轮段壳体。护罩壳体引导部分可以被配置成与邻近的涡轮段组件紧密配合。
空气循环机包括轴。空气循环机进一步包括在轴的部分周围布置的风扇段。风扇段能够引导第一工作流体。空气循环机包括压缩机段，其布置成邻近风扇段并且定位在轴周围。压缩机段能够压缩第二工作流体。涡轮段布置成邻近压缩机段并且定位在轴周围。涡轮段能够将第二工作流体的势能转换为转动能。热交换器能够在第一工作流体与第二工作流体之间换热。壳体形成风扇段和压缩机段的一部分。壳体包括布置成限定轴的主孔壳体部分。主孔壳体具有1.9400英寸与1.9440英寸之间的中心孔内半径。静密封部分围绕轴布置并且定位成纵向邻近主孔壳体部分。静密封部分被配置成限定由轴界定的密封件。静密封部分具有2.0420英寸与2.0440英寸之间的静密封半径。护罩引导壳体部分围绕轴布置。护罩引导壳体部分具有5.9440英寸与5.9470英寸之间的护罩引导壳体半径。绝缘体密封板壳体部分围绕中心轴布置并且被配置成与邻近的涡轮段组件紧密配合。绝缘体密封板壳体部分具有8.6380英寸与8.6420英寸之间的绝缘体密封板壳体半径。
第二工作流体可以穿过位于压缩机段与涡轮段之间的热交换器。第一工作流体可以在被引导到风扇段之前穿过冲压空气入口。第二工作流体可以在被引导到压缩机段之前穿过排气阀。风扇段、压缩机段和涡轮段可以由轴连接以形成单一的阀芯。轴可以是拉杆。空气循环机也可以包括从涡轮段接收第二工作流体的第二涡轮段。涡轮段可以将第二工作流体引导到环境控制系统。主孔壳体半径可以在4.9301cm与4.9352cm之间。静密封半径可以在5.1905cm与5.1930cm之间。护罩引导壳体半径可以在15.099cm与15.104cm之间。绝缘体密封板壳体半径可以在21.943cm与21.948cm之间。
尽管已参照示例性实施方案描述本发明，但是本领域技术人员将理解在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种变化并且等效物可以代替其元件。另外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可以进行许多修改以适应本发明的教导的特定情况或材料。因此，意图是本发明不限于所公开的特定实施方案，而是本发明将包括属于所附权利要求书的范围内的所有实施方案。

Claims (14)

1.一种空气循环机的壳体，所述壳体包含：
主孔壳体部分，其围绕中心轴布置并且被配置成限定沿着所述中心轴布置的轴，所述主孔壳体具有4.9276cm与4.9378cm之间的中心孔内半径；
静密封部分，其围绕所述中心轴布置并且定位成纵向邻近所述主孔壳体部分，所述静密封部分被配置成限定由所述轴界定的静密封件，所述静密封部分具有5.1867cm与5.1918cm之间的静密封半径；
护罩引导壳体部分，其围绕所述中心轴布置，所述护罩引导壳体部分具有15.098cm与15.105cm之间的护罩引导半径；以及
绝缘体密封板壳体部分，其围绕所述中心轴布置并且被配置成与邻近的涡轮段组件紧密配合，所述绝缘体密封板壳体部分具有21.941cm与21.951cm之间的绝缘体密封板半径。
2.如权利要求1所述的组件，其中所述主孔壳体半径在4.9301cm与4.9352cm之间，并且所述静密封半径在5.1905cm与5.1930cm之间，并且所述护罩引导壳体半径在15.099cm与15.104cm之间，并且所述绝缘体密封板壳体半径在21.943cm与21.948cm之间。
3.如权利要求1所述的组件，其中所述涡轮段组件为涡轮段壳体。
4.如权利要求1所述的组件，其中所述护罩壳体引导部分被配置成与所述邻近的涡轮段组件紧密配合。
5.一种空气循环机，其包含：
轴；
风扇段，其在所述轴的部分周围布置，所述风扇段能够引导第一工作流体；
压缩机段，其布置成邻近所述风扇段并且定位在所述轴周围，所述压缩机段能够压缩第二工作流体；
涡轮段，其布置成邻近所述压缩机段并且定位在所述轴周围，所述涡轮段能够将所述第二工作流体的势能转换为转动能；
热交换器，其能够在所述第一工作流体与所述第二工作流体之间换热；以及
壳体，其形成所述风扇段和所述压缩机段的部分，所述壳体包含：
主孔壳体部分，其配置成限定所述轴，所述主孔壳体具有1.9400英寸与1.9440英寸之间的中心孔内半径；
静密封部分，其围绕所述轴布置并且定位成纵向邻近所述主孔壳体部分，所述静密封部分被配置成限定由所述轴界定的密封件，所述静密封部分具有2.0420英寸与2.0440英寸之间的静密封半径；
护罩引导壳体部分，其围绕所述轴布置，所述护罩引导壳体部分具有5.9440英寸与5.9470英寸之间的护罩引导壳体半径；以及
绝缘体密封板壳体部分，其围绕所述中心轴布置并且被配置成与邻近的涡轮段组件紧密配合，所述绝缘体密封板壳体部分具有8.6380英寸与8.6420英寸之间的绝缘体密封板壳体半径。
6.如权利要求5所述的空气循环机，其中所述第二工作流体穿过所述压缩机段与所述涡轮段之间的所述热交换器。
7.如权利要求5所述的空气循环机，其中所述第一工作流体在被引导到所述风扇段之前穿过冲压空气入口。
8.如权利要求5所述的空气循环机，其中所述第二工作流体在被引导到所述压缩机段之前穿过排气阀。
9.如权利要求5所述的空气循环机，其中所述风扇段、所述压缩机段和所述涡轮段由所述轴连接以形成单一的阀芯。
10.如权利要求5所述的空气循环机，其中所述轴为拉杆。
11.如权利要求5所述的空气循环机，其进一步包含从所述涡轮段接收所述第二工作流体的第二涡轮段。
12.如权利要求5所述的空气循环机，其中所述涡轮段将所述第二工作流体引导到环境控制系统。
13.如权利要求5所述的空气循环机，其中所述主孔壳体半径在4.9301cm与4.9352cm之间，所述静密封半径在5.1905cm与5.1930cm之间，所述护罩引导壳体半径在15.099cm与15.104cm之间，并且所述绝缘体密封板壳体半径在21.943cm与21.948cm之间。
14.如权利要求5所述的空气循环机，其中所述护罩壳体引导部分被配置成与所述邻近的涡轮段组件紧密配合。
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