CN105620756B - 利用座舱空气驱动空气循环机的动力涡轮的环境控制系统 - Google Patents

Abstract

一种利用座舱空气驱动空气循环机的动力涡轮的环境控制系统。本发明公开了一种系统，所述系统包括多个热交换器和压缩装置，所述系统制备从发动机的低压位置放出且流过多个热交换器进入腔室中的介质。所述压缩装置与所述多个热交换器连通并且调节流过所述多个热交换器的所述介质的压力。所述压缩装置包括涡轮，所述涡轮基于所述腔室中的所述介质的压力来向所述压缩装置提供补充动力。

Description

利用座舱空气驱动空气循环机的动力涡轮的环境控制系统

技术领域

本发明涉及一种利用座舱空气驱动空气循环机的动力涡轮的环境控制系统。

背景技术

一般来说，相对于目前的飞机空气调节系统，在巡航时座舱加压和冷却是由发动机放气压力来提供动力。例如，来自飞机的发动机的加压空气是通过改变所述加压空气的温度和压力的一系列系统而提供到座舱。为了向这种加压空气的制备提供动力，唯一的能量源是空气本身的压力。因此，现有空气调节系统在巡航时总是需要相对高的压力。遗憾的是，鉴于航空航天工业中追求更高效飞机的总体趋势，相对高的压力相对于发动机燃料燃烧提供有限的效率。

发明内容

根据一个实施方案，一种系统包括：至少一个热交换器；介质，所述介质从发动机的低压位置放出并且流过热交换器进入腔室中；压缩装置，所述压缩装置与热交换器连通并且被配置来调节流过热交换器的介质的压力；以及涡轮，所述涡轮联接到压缩装置并且被配置来向压缩装置提供补充动力。

另外的特征和优点可通过本发明的技术实现。本发明的其他实施方案和方面在本文详细描述并且被视为所要求保护的发明的一部分。为了更好地理解本发明以及优点和特征，参考说明书和附图。

附图说明

被视为本发明的主题在本说明书结尾的权利要求书中具体地指出并且明确地要求保护。根据以下结合附图的详细描述，本发明的前述和其他特征以及优点将显而易见，在附图中：

图1是根据实施方案的环境控制系统的示意图；并且

图2-3是根据实施方案的环境控制系统的操作实例。

具体实施方式

本文以举例的方式呈现所公开设备和方法的一个或多个实施方案的详细描述，并且不限于参照附图进行的描述。

如上文指出的，相对于发动机燃料燃烧而言，相对高的压力提供有限的效率。因此，所需的是一种环境控制系统，所述环境控制系统利用座舱空气来增加在稍微高于座舱压力的压力水平下放出的较低发动机放出空气的压力，从而以高的发动机燃料燃烧效率提供座舱加压和冷却。

一般来说，本文所公开的本发明的实施方案可包括一种系统，所述系统包括一个或多个热交换器、流过所述一个或多个热交换器的介质，其中所述介质从发动机的低压位置放出穿过一个或多个热交换器进入腔室中。发动机的低压位置提供处于初始压力水平下的介质，所述初始压力水平接近介质一旦在腔室中的介质压力（例如，腔室压力）。介质可稍微高于或稍微低于腔室中的压力。以这种低压从低压位置放出介质导致比来自较高压力位置的放出空气更少的燃料燃烧量。然而，因为介质起始于这种相对低的初始压力水平，并且因为在一个或多个热交换器上出现压力下降，所以在介质流过一个或多个热交换器的同时介质将下降到腔室压力以下。当介质的压力低于腔室的压力时，介质将不流入腔室中来提供加压和温度调节。

因此，利用与一个或多个热交换器连通的压缩装置来调节流过一个或多个热交换器的介质的压力，以确保具有足够的压力来提供进入腔室中的流动。压缩装置利用介质本身作为用于调节介质的压力的动力源。然而，从发动机放出的处于初始压力水平下的介质独自并不能够向压缩装置供应足够的动力以确保介质的压力推进到腔室压力之上从而确保介质流动进入腔室中。压缩装置还包括动力涡轮，所述动力涡轮利用来自腔室的排放空气向压缩装置提供另外的动力。以这种方式，当介质流过一个或多个热交换器时，压缩装置与涡轮调节/增加介质的压力，从而允许连接到低压位置放出空气源。

例如，鉴于飞机实施方案，座舱空气调节系统（例如，环境控制系统）的空气循环机（例如，压缩装置）利用从飞机发动机放出的空气（例如，放出空气）的压力作为能力源。涡轮被添加到飞机的空气循环机并且利用货舱、座舱或飞行甲板中的空气压力（例如，统称为座舱压力）作为能量源来向空气循环机提供补充动力。利用组合的能量源来通过空气循环机制备放出空气，以使得座舱空气调节系统可利用来自飞机发动机的处于上述初始压力水平（即，稍微高于或低于座舱压力的压力水平）下的放出空气。初始压力水平的值的实例包括以下压力水平：在座舱压力之上大于5 psia、在5 psia下、或在座舱压力与5 psia之间（例如，座舱压力通常在12 psia下）。

图1示出系统100，其中介质（例如，空气）从进口101流到腔室102。在系统100中，介质从进口101流到初级热交换器110（例如，箭头A）、从初级热交换器110流到压缩装置120（例如，箭头B）、从压缩装置120流到次级热交换器130（例如，箭头C）并且从次级热交换器130流到腔室102。

在一个实施方案中，系统100是交通工具（诸如飞机或水运工具）的为交通工具的工作人员和乘客提供空气供应、热控制和座舱加压的任何环境控制系统（例如，飞机的座舱空气调节系统）。所述系统还可包括航空电子器件冷却、烟雾检测和灭火。例如，在飞机上，空气通过从燃气涡轮发动机的压缩机级“放出”而被供应到环境控制系统。这种“放出空气”的温度和压力根据燃气涡轮发动机的压缩机级和每分钟转数而广泛地变化。为了实现期望的温度，放出空气在其经过至少一个热交换器（例如，热交换器110、130）时被冷却。为了实现期望的压力，放出空气在其经过压缩装置（例如，压缩装置120）时被压缩。

相对于为飞机的交通工具而言，系统100是向任何环境如飞机的座舱（例如，腔室102）和飞行甲板供应加压空气（例如，介质）以便提供舒适和加压两者的环境控制系统。由ECS供应的加压空气可来源于发动机的压缩机级（例如，通过放气系统）和/或直接来自外部空气（例如，通过冲压空气系统）。ECS与放气系统中的发动机的相互作用影响执行与所述相互作用相关的操作（诸如供应加压空气）所需的由发动机燃烧的燃料的量。例如，在飞机的放气系统中，从位于发动机核心的发动机压缩机区域中的预定义级位置处的发动机核心提取空气，以便将冷却空气提供至飞机座舱。

热交换器（例如，初级热交换器110和次级热交换器130）是构建用于进行从一种介质到另一种介质的有效热传递的设备。热交换器的实例包括双管道、壳体和管、板、板和壳体、绝热轮、板翅片、枕板以及流体热交换器。继续上面的飞机实例，由风扇（例如，通过推动或拉动方法）强制通过的空气以可变的冷却气流被吹送穿过热交换器，以便控制放出空气的最终空气温度。

压缩装置120（例如，如以下描述的空气循环机）是调节介质的压力（例如，增加气体的压力）的机械装置。压缩机的实例包括离心式、对角线式或混流式、轴流式、往复式、离子液体活塞式、旋转螺杆式、旋转叶片式、涡旋式、隔膜式、气泡式压缩机。此外，压缩机通常是由电动机或蒸汽或燃气涡轮驱动。

在操作中，系统100的初级热交换器110接收（例如，箭头A）处于第一压力和第一温度下的介质。初级热交换器110随后冷却介质，从而将第一压力降低至第二压力。

接着，介质被传送（例如，箭头B）到压缩装置120，所述压缩装置120调节在系统100内流动的介质的压力，将介质的第二压力提升到第三压力，所述第三压力具有高于第二压力的值。因此，在系统100中，当介质离开初级热交换器110（例如，箭头B）时，压缩装置120增加介质的压力，以使得次级热交换器130可在所述次级热交换器的输入端处接收处于较高压力下的介质（例如，箭头C）。如图1所示，压缩装置120包括涡轮142，所述涡轮利用来自腔室102（例如，箭头E）的排气以便向压缩装置120提供另外的动力。

应当理解，可以与本发明一致地实施单个热交换器实施方案，其中压缩机在介质流过单个热交换器之前或之后增加介质的压力。

返回图1，介质随后被传送（例如，箭头C）到次级热交换器130，所述次级热交换器130在介质离开（例如，箭头D）腔室102之前再次冷却介质。

以下相对于飞机实例来讨论图1。一般来说，来自低压位置的放出空气导致比来自高压位置的放出空气更少的燃料燃烧量。然而，因为系统100中出现压力下降，所以当从低压位置放出空气时，从进口101流到腔室102的放出空气将经历低于最终压力（流入腔室中所需的压力）的内压降。如果系统100中的空气压力下降到在腔室102处所期望的压力（例如，最终压力）之下，那么系统100将停止向腔室102以及继而停止向飞机的座舱供应放出空气。这就是系统100采用压缩装置220的原因，以便确保放出空气在传递到次级热交换器130和腔室102上之前被增压到最终压力之上。

此外，系统100可以被设计成通过从发动机的低压位置提取放出空气来获得更高的燃料燃烧效率，在所述低压位置处，压力处于稍微高于在腔室102处所期望的压力（例如，最终压力）的水平下。如上文指出的，因为用于系统100的动力源是放出空气本身，所以在发动机的低压位置处的放出空气可能不能够向压缩装置120供应足够的动力，以便在放出空气传递到次级热交换器上之前将放出空气增压到最终压力之上。因此，将涡轮142添加到压缩装置120并且利用来自腔室102的空气来驱动涡轮124，以便向压缩装置120提供补充动力。也就是说，涡轮142通过从腔室102内部的空气与腔室102外部的环境空气压力之间的压力梯度提取动力来增加可用于压缩装置120的动力。

以这种方式，除了放出空气之外，来自腔室102的空气也用于驱动压缩装置120，以使得由于放出空气是从发动机的最低可能压力位置（例如，在稍微高于例如像1 psig或更多的典型座舱压力的水平下）放出的，所以可以获得最高的燃料效率。可能的是，在一些系统配置中，为了从发动机放出低于所需压力的空气以便对座舱加压（例如，-1 psig），并且为了使用从放出空气本身提取的能量和从座舱与外部环境的压力梯度提取的能量，使用压缩机来增加放出空气的压力以便向座舱提供已调节的加压空气。

鉴于上文的飞机实例，现将参照图2-3来描述图1的系统100。图2示出环境控制系统200（例如，系统100的实施方案），除了图1的先前描述项目之外，所述环境控制系统200还包括壳体201、阀208、压缩装置120（其包括动力涡轮242、涡轮244、压缩机245、风扇248和轴249）、第三热交换器250和脱水机260，上述各项中的每一个都通过管、管道、导管等连接，以使得在进口101处接受来自飞机发动机的低压位置的处于初始流速、压力和温度下的放出空气，并且以最终流速、压力和温度将所述放出空气提供至腔室102（例如，座舱、飞行甲板等）。以这种方式，在腔室102处的放出空气的凭证（例如，最终流速、压力和温度）使得飞机能够从环境控制系统200接收加压且冷却的空气。

环境控制系统200是飞机的环境控制系统的实例，其用于向飞机的工作人员和乘客提供空气供应、热控制和座舱加压。壳体201是冲压系统的冲压腔室的实例，所述冲压系统使用由飞机在运动中产生的动态空气压力来增加壳体内部的静态空气压力。

阀（诸如阀208）是通过打开、关闭或部分地阻挡环境控制系统200的管、管道等内的各种通道来调节、引导和/或控制介质（例如，气体、液体、流态化固体或浆液，诸如放出空气）流动的装置。阀可由致动器来操作，以使得可以将环境控制系统200的任何部分中的任何介质的流速调节到期望值。例如，阀208使得飞机外部的环境空气进入壳体201中，以使得环境空气可穿过第一热交换器和第二热交换器，并且在放出空气作为排气离开之前冷却放出空气（例如，进气的方法可以是通过由压缩装置120的轴249驱动的风扇248完成的拉动方法，或如上所述的冲压方法）。

压缩装置120可以是调节介质的压力（例如，增加气体的压力）的空气循环机。涡轮244是通过轴249驱动压缩机245和风扇248的机械装置。压缩机245是调节从第一热交换器接收的放出空气的压力的机械装置。风扇248是通过推动或拉动方法强制空气穿过壳体201以可变的冷却气流穿越热交换器的机械装置。涡轮244、压缩机245和风扇248一起调节压力，并且显示例如空气循环机（例如，压缩装置120）可作为三轮空气循环机操作。继而，三轮空气循环机包括利用来自腔室102（例如，箭头E）的排气的动力涡轮242的添加，以便向压缩装置120提供另外的动力。应注意，涡轮的添加并未将三轮空气循环机改变成四轮冷凝循环，因为两个涡轮242、244是串联的，而四轮冷凝循环并不使用来自腔室102的排气作为驱动循环的能量源。来自腔室102的排气随后前行到出口299（例如，被释放到环境空气）。

热交换器250是如上所述的热交换器的实例。脱水机260是暂时地或永久地执行从任何来源（诸如放出空气）中抽取水的过程的机械装置。

鉴于以上内容，应注意的是，涡轮142、242的位置可变化。图3示出环境控制系统300（例如，系统100的另一个实施方案），除了图1和图2的先前描述项目之外，所述环境控制系统300还包括最佳地相对于壳体201的壁放置的动力涡轮342。在这方面，例如，在三轮和四轮空气循环机上的最佳动力涡轮放置将通过增加风扇248流量并且将预旋流添加到风扇转子入口来提供在高海拔处减少的风扇动力吸收，从而提供：增强的压力增加、去除动力涡轮排气管道和排放要求、消除潜在的动力涡轮排气结冰问题、确保在紧凑包装中的最小空气循环机长度、当动力涡轮在接地操作期间关闭时由于低的风扇静态压力而提供动力涡轮转子冷却（从座舱抽吸冷却流）等。

涡轮142、242、342的另外实施方案可包括空气循环机，所述空气循环机具有添加到三轮循环（例如，涡轮、压缩机、动力涡轮和风扇布置）、四轮循环（例如，第二涡轮、第一涡轮、压缩机、动力涡轮和风扇布置）等的轴向动力涡轮布置，其中轴向动力涡轮利用腔室102排气并将腔室排放达到环境压力。这个实施方案包括以下益处：轴向动力涡轮对空气循环机的长度具有最小影响（例如，能够实现紧凑包装）以及向冲压风扇进口的轴向动力涡轮排放（例如，增加风扇流量和来自涡轮的风扇进口预旋流，排气减少在高海拔处的风扇动力吸收，减少放出压力要求，不需要涡轮排气管道，利用热风扇空气来避免涡轮出口结冰）。

涡轮142、242、342的另外实施方案可包括空气循环机，所述空气循环机具有添加到三轮循环（例如，涡轮、压缩机、动力涡轮和风扇布置）、四轮循环（例如，第二涡轮、第一涡轮、压缩机、动力涡轮和风扇布置）等的径向动力涡轮布置，其中径向动力涡轮利用腔室102排气并将腔室排放达到环境压力。这个实施方案包括叶尖涡轮风扇的益处并且减小空气循环机的长度（例如，能够实现紧凑包装）。

涡轮142、242、342的另外实施方案可包括空气循环机，所述空气循环机具有添加到三轮循环（例如，涡轮、压缩机以及动力涡轮/风扇布置）、四轮循环（例如，第二涡轮、第一涡轮、压缩机以及动力涡轮/风扇布置）等的动力叶尖涡轮风扇布置，其中动力叶尖涡轮风扇利用腔室102排气并将腔室排放达到环境压力。这个实施方案包括以下益处：径向动力涡轮具有最小成本（例如，能够实现廉价的包装），向冲压风扇进口的径向动力涡轮排放，以及在接地操作期间动力涡轮转子冷却。

本发明的各方面参考根据本发明的实施方案的方法、设备和/或系统的流程图、示意图和/或框图进行描述。此外，本发明的各种实施方案的描述已出于说明目的呈现，但并不意图是详尽的或限于所公开的实施方案。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离所描述的实施方案的范围和精神的情况下，许多修改和变化将是显而易见的。本文所使用的术语被选择用于最佳地解释实施方案的原理、优于市场上存在的技术的实际应用或技术改进，或用于使得本领域的普通技术人员能够理解本文所公开的实施方案。

本文使用的术语仅用于描述具体实施例的目的，并且不意图对本发明进行限制。如本文所用，除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一个”、“一种”和“所述”也意图包括复数形式。要进一步应理解的是，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”在本说明书中使用时，指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件部件和/或其群组的存在或添加。

本文所描绘的流程图仅为一个实例。在不脱离本发明的精神的情况下，可存在对这个流程图或其中描述的步骤（或操作）的许多变化。例如，可以不同的次序执行步骤，或可以添加、删除或修改步骤。所有这些变化都被视为所要求保护的发明的一部分。

虽然已描述了本发明的优选实施方案，但本领域的技术人员应当理解，现在和将来都可以做出各种改进和增强，所述改进和增强落在随附权利要求书的范围内。这些权利要求应被理解为维持对首次描述的本发明的适当保护。

Claims (1)

1.一种飞机，其包括发动机和流体联接至所述发动机的低压放气端口的环境控制系统（100；300），所述环境控制系统包括：

至少一个热交换器，所述至少一个热交换器包括第一热交换器（110）和第二热交换器（130）；

压缩装置（120），所述压缩装置与所述第一热交换器（110）、所述第二热交换器（130）和所述飞机的发动机连通，所述压缩装置（120）包括轴（249），所述轴（249）支撑第一涡轮（244）、第二涡轮（342）和压缩机（245）；

其中，所述第一热交换器（110）、所述压缩机（245）、所述第二热交换器（130）、第三热交换器（250）的第一路径经由第一通道、脱水机（260）、第一涡轮（244）和所述第三热交换器（250）的第二路径串联地流体联接在所述发动机的所述低压放气端口与所述飞机的座舱之间，

其中，所述压缩装置（120）被配置来：通过所述第一热交换器（110）接收从所述发动机的所述低压放气端口放出的放出空气，通过所述压缩机（245）将所述放出空气从第一压力加压至第二压力，以及将所述放出空气提供至所述第二热交换器（130），

其中，所述第二压力高于所述第一压力，

其中，所述第一涡轮（244）和所述第二涡轮（342）通过以下来驱动所述压缩装置（120）的压缩机（245）：

通过使所述放出空气在所述放出空气被从所述第一热交换器（110）排放后膨胀，所述第一涡轮（244）给所述压缩装置（120）提供主要动力；

通过使从所述飞机的座舱所接收的座舱排放空气膨胀，所述第二涡轮（342）给所述压缩装置（120）提供补充动力，

其中，所述第二涡轮（342）将所述座舱排放空气排出至所述飞机的冲压空气系统。

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