CN107444656B - 飞行器机舱加压能量收集 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及飞行器机舱加压能量收集。提供了一种能量收集系统以及利用该能量收集系统从飞行器机舱加压系统收集能量的对应方法。根据一个方面，能量收集系统包括飞行器机舱，所述飞行器机舱包围加压空气的高压环境。空气输入从低压环境接收传入空气，并且空气输出从所述高压环境排放传出空气。涡轮机接收从所述飞行器机舱排放的所述加压空气并且利用所述加压空气在涡轮机轴上产生旋转运动。能量收集机构联接到所述涡轮机轴并且利用所述涡轮机轴的所述旋转运动来压缩所述传入空气或者创建电能。

Description

飞行器机舱加压能量收集
背景技术
随着飞行器上升，环境大气的压力和温度降低。为了维持乘客的舒适度并且为飞行器机舱内提供氧气，常规飞行器利用空气压缩机来压缩冷的低压大气空气并且将大气空气喷射到飞行器机舱中。通过以适当的速率将机舱内的温暖加压空气排放到外部环境大气，来维持飞行器机舱内的期望空气压力，同时提供新鲜氧气供应。
飞行器机舱内的加压空气的连续更新最终具有与过程关联的燃料成本。对于许多飞行器，与空气压缩机的运行相关联的电功率源自与一个或多个飞行器发动机的齿轮箱机械联接的发电机。发动机利用额外燃料来克服发电机的额外旋转阻力，这减少了飞行器的燃料效率。
关于这些考虑及其它，提出了本文中做出的公开内容。
发明内容
应当理解的是，提供本发明内容，以简化的形式介绍下面在详细描述中进一步描述的概念的选择。本发明内容并非旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
本文中描述的概念和技术提供了与飞行器机舱加压关联的能量收集系统以及用于收集能量的对应方法。根据一个方面，一种能量收集系统包括飞行器机舱，所述飞行器机舱包围加压空气的高压环境。所述飞行器机舱具有用于从低压环境接收传入空气的空气输入以及用于从所述高压环境排放传出空气的空气输出。涡轮机接收从所述飞行器机舱排放的所述加压空气并且利用所述加压空气在涡轮机轴上产生旋转运动。能量收集机构联接到所述涡轮机轴并且利用所述涡轮机轴的所述旋转运动来压缩所述传入空气或者创建电能。
根据又一方面，提供了一种从飞行器机舱加压系统收集能量的方法。该方法包括：从飞行器机舱内的高压环境接收加压空气。借助用于向涡轮机轴施加旋转运动的涡轮机将所述加压空气释放到低压环境中。在能量收集机构处接收所述涡轮机轴的所述旋转运动，在所述能量收集机构处，所述旋转运动用于压缩传入空气以创建用于所述飞行器机舱的加压空气。替代地，可由所述能量收集机构将所述涡轮机轴的所述旋转运动转换为电能并且将所述电能提供给电负载。
根据另一方面，提供了一种能量收集系统。该系统包括飞行器机舱、压缩机、涡轮机和能量收集机构。所述飞行器机舱包围加压空气的高压环境。空气输入从低压环境接收传入空气，并且空气输出从所述高压环境排放传出空气。所述压缩机在第一压力下接收所述传入空气并且在高于所述第一压力的第二压力下将所述加压空气提供给所述飞行器机舱内的所述高压环境。所述涡轮机具有涡轮机轴并接收从所述飞行器机舱排放的加压空气并且利用所述加压空气在所述涡轮机轴上产生旋转运动。所述能量收集机构联接到所述涡轮机轴并且利用所述旋转运动来压缩所述传入空气或者为电负载创建电能。所述涡轮机和所述压缩机被热耦合，使得在所述压缩机的压缩室内生成的热被传递到所述涡轮机的膨胀室。
已讨论的特征、功能和优点能在本公开的各种实施方式中独立地实现，或者可在其它实施方式中进行组合，能参考以下描述和附图看到其进一步细节。
附图说明
图1是具有空气加压系统的飞行器的立体图，该空气加压系统构造有根据本文中描述的各种实施方式的能量收集系统；
图2是图示根据本文中描述的各种实施方式的能量收集系统的各个方面的视图；
图3A至图3C是示出根据本文中描述的替代实施方式的能量收集机构的部件的框图；
图4A示出了图示根据本文中描述的替代实施方式与从压缩机到热负载的热能传递相关联的能量收集的视图；
图4B示出了图示根据本文中描述的各种替代实施方式的压缩机的压缩室与涡轮机的膨胀室的热耦合的视图；以及
图5是示出根据本文中描述的各种实施方式的用于从飞行器机舱加压系统收集能量的方法的流程图。
具体实施方式
以下详细描述涉及能量收集系统，并且涉及利用能量收集系统从飞行器机舱加压系统收集能量的对应方法。如上所述，常规飞行器机舱加压系统通过压缩来自飞行器机舱外侧的冷环境空气来回收机舱内的空气以提供加压空气，同时将较温暖的加压空气排出回到飞行器机舱外侧的环境空气。该空气加压系统降低了燃料效率，因为飞行器发动机利用额外的燃料来克服用于为空气压缩机提供动力的发电机的额外旋转阻力。
利用本文中描述的概念和技术，能量收集系统利用了在从飞行器机舱排放时膨胀到低压环境中的温暖的加压空气。本文中讨论的各种实施方式引导排放空气穿过涡轮机，涡轮机可联接到空气压缩机，可电联接到发电机，或两者。将涡轮机联接到空气压缩机为压缩机提供可用于压缩传入空气的旋转能量。联接可包括：机械联接两个部件，使得各部件物理地附接至彼此；气动联接各部件，使得一个部件的运动或动作气动地驱动另一个部件或者作用在另一个部件上；液压联接各部件，使得一个部件的运动或动作液压地驱动另一个部件或者作用在另一个部件上；或其组合。
将涡轮机电联接到发电机会创建可提供给电负载的电力，电负载包括可用于驱动压缩机的电动机以对传入空气加压。下面将描述可接收由发电机创建的电功率的电负载的其它示例。而且，可从空气压缩机收集热能并且提供给进入压缩机的冷空气、进入涡轮机的加压空气或任何合适的热负载。
在以下详细描述中，参照形成其一部分且通过图示的方式示出的附图、具体实施方式或示例。现在参照附图，其中在这几幅图中，相同的附图标记表示相同的元件，将描述根据各种实施方式的能量收集系统以及利用能量收集系统从飞行器机舱加压系统收集能量的方法。
图1示出了具有空气加压系统100的飞行器102的立体图，空气加压系统100构造有根据本文中描述的各种实施方式的能量收集系统120。能量收集系统120可以是飞行器102的与飞行器机舱加压系统关联的环境控制系统(ECS)或通风系统的部件。飞行器102包括飞行器机舱110，飞行器机舱110包围加压空气112的高压环境140。如上所述，在飞行器102爬升到更高的高度时，维持飞行器机舱110内侧的压力，该压力高于围绕飞行器102的低压环境130。为了给乘客提供连续的新鲜氧气供应，飞行器机舱110内的加压空气112用来自飞行器机舱110外侧的低压环境130的空气来更新。这样做时，飞行器机舱110具有空气输入104和空气输出106。出于说明的目的，空气输入104和空气输出106的位置被示出在任意位置。飞行器机舱110内的空气输入104和空气输出106的确切位置不限于图1中示出的位置。
如图1所示，传入空气108从低压环境130经空气输入104而流入飞行器机舱110内的高压环境140。在传入空气108经过空气输入104时，压缩机压缩低压空气以创建加压空气112。在加压空气112从飞行器机舱110排放经过空气输出106时，传出空气118膨胀到低压环境中。因此，加压空气112具备大量势能。根据本文中描述的各种实施方式，该势能由能量收集系统120收集。
转向图2，将描述能量收集系统120的部件。根据各种实施方式，能量收集系统120包括通过涡轮机轴204联接在一起的能量收集机构200和涡轮机202。涡轮机202联接到空气输出106，以便在加压空气112膨胀到低压环境130中时捕获加压空气112的能量。该膨胀在联接到能量收集机构200的涡轮机轴204上施加旋转运动。
能量收集机构200一般包括直接或间接联接到涡轮机202以将涡轮机轴204的旋转运动转换为可供飞行器系统使用的机械能或电能的任何部件或装置。下面将关于图3A和图3B更详细地描述涵盖能量收集机构200与压缩机或其它负载的机械和电联接的各种实施方式。
图2提供了空气经空气加压系统100流入和流出飞行器102的概况，以及根据本文中描述的实施方式的对应能量收集系统120的总体构造。在传入空气108被吸入到压缩机206中时，空气被压缩并提供给飞行器机舱110内的高压环境140作为加压空气112。随着新鲜空气被带入飞行器机舱110，加压空气112被连续地或周期性地排放回到低压环境130中。由于高压环境140中的加压空气112(与外部空气比较更温暖且处于相对更高的压力)与低压环境130中的较冷空气之间的压力和温度差，加压空气112在经空气输出106离开飞行器机舱110时迅速膨胀。通过利用空气输出106处的涡轮机202，传出空气118膨胀时的能量可用于在涡轮机轴204上施加旋转运动。涡轮机轴204联接到能量收集机构200，能量收集机构200分别经由机械或电联接将涡轮机轴204直接或间接地联接到压缩机206。另外或替代地，能量收集机构200可包括联接到涡轮机轴204的发电机和一个或多个电负载。
转向图3A至图3C，将描述能量收集机构200的替代实施方式。图3A示出了与能量收集机构200关联的第一实施方式，其中涡轮机轴204直接或机械地联接到利用涡轮机轴204的旋转运动做机械功的装置。例如，一个实施方式的能量收集机构200包括联接到涡轮机轴204的压缩机206。根据该实施方式，涡轮机轴204直接且机械地联接到压缩机206，使得涡轮机202及对应涡轮机轴204的旋转会在压缩机206上施加旋转运动以机械压缩传入空气108。应当理解的是，涡轮机202可机械地联接到任何类型或数量的压缩机206，以创建被加入到飞行器机舱110内的高压环境140的加压空气112。涡轮机202和一个或多个压缩机206可另外或替代地被气动或液压地联接以压缩传入空气108。
通过将涡轮机202机械地联接到压缩机206，因为压缩机基本上由涡轮机202驱动，所以需要显著较少的动力将加压空气112提供给飞行器机舱110。在替代的机械联接实施方式中，能量收集机构200包括直接或机械地联接到涡轮机202的涡轮机轴204以利用涡轮机轴204的旋转运动做功的任何其它类型的机械装置308。示例机械装置308包括但不限于：为飞行器102的液压系统控制任何适用的飞行器控制系统(诸如升降器、方向舵、副翼、高升力装置或起落架)的泵。机械装置308的另一非限制性示例包括：燃料传送泵、燃料增压泵及对应于飞行器系统的任何其它泵。
图3B示出了与能量收集机构200关联的第二实施方式，其中涡轮机轴204间接或电联接到利用涡轮机轴204的旋转运动做功的装置。例如，涡轮机轴204可直接联接到发电机302，发电机302使用涡轮机轴204的旋转运动来创建电能304而向电负载306提供电力。出于本公开的目的，将涡轮机轴204的旋转运动转换为电力以向电负载306供电应被认为是涡轮机202或涡轮机轴204与电负载306的间接联接或电联接。类似地，涡轮机轴204与装置之间的任何物理联接应被认为是直接或机械联接。
如图3B所示，电能304可经由电输出310而提供给任何各种类型的电负载306。电输出310被构造成将发电机302电联接到电负载306。电负载306的示例包括但不限于：电动机、压缩机、电能存储装置、传感器、照明装置以及加热、通风或冷却装置。根据一个实施方式，来自飞行器机舱110的传出空气118驱动涡轮机202，这会在涡轮机轴204上施加旋转运动。联接到涡轮机轴204的发电机302创建电能304，电能304经由电输出310供应到电动机。电动机用于驱动压缩机206以进一步压缩来自低压环境130的传入空气108。电能304的潜在用途是巨大的，涵盖飞行器102上的任何电气系统。应当理解的是，如果空气输入104和空气输出106彼此相距一定距离使得机械联接不实用，则将与涡轮机轴204的旋转运动关联的机械能转换为电能304是有用的。
图3C示出了与能量收集机构200关联的第三实施方式，其中压缩机206并未直接或间接地联接到涡轮机轴204。相反，根据该实施方式，使用热机构312从压缩机206收集热能313，然后将热能313提供给热负载314。热机构可以是将热传递离开压缩机206并且将该热提供给适当的系统或热负载314的任何材料或装置。图4A图示了图3C的实施方式的一个示例。根据该示例实施方式，压缩机206的压缩室402产生了输出到高压环境140的温暖加压空气。在该压缩过程中产生的热404可从压缩室402传递回到压缩机206的入口室401以提高压缩机206的效率。在该实施方式中，压缩机206是接收由压缩机206本身产生的热能313的热负载314。热机构312可包括本领域公知的在压缩室402与入口室401之间传递热的任何类型的散热材料或机构。
回到利用涡轮机206的实施方式，通过涡轮机轴204的旋转而创建的机械或电输出随着涡轮机202的效率的增加而增加。可通过在引导空气穿过涡轮机202之前增加加压空气112的温度而提高涡轮机202的效率。增加进入涡轮机202的加压空气112与将加压空气112排放到其中的低压环境130内的空气之间的温度差会提高涡轮机202的效率，因为加压空气112会穿过涡轮机朝向低压环境130迅速膨胀。根据各种实施方式，为了增加进入涡轮机202的加压空气112的温度，涡轮机202的膨胀室406热耦合到压缩机206的压缩室402。
图4B图示了这样的实施方式，其中压缩机206的压缩室402热耦合到涡轮机202的膨胀室406，并且涡轮机202的出口室405可热耦合到压缩机206的入口室401。发生在压缩机206的压缩室402内的压缩过程会创建热404。该热404可部分地传递到进入涡轮机202的膨胀室406的加压空气112。出于本公开的目的，热耦合包括：将部件置于彼此紧靠、彼此接触或者经由导热材料彼此热接触地热耦合。实质上，热耦合涵盖用于促进热耦合部件之间的热传递的任何材料或工艺的使用。正如从压缩机206的压缩室402到涡轮机202的膨胀室406的热404的传递会提高涡轮机202的效率，从涡轮机202内的受热空气膨胀到飞行器外侧的冷环境中的热能313可传递到压缩机206的入口室401以提高压缩机206的效率。
例如，参考压缩机206的压缩室402和涡轮机202的膨胀室406，但同样适用于涡轮机202的出口室405和压缩机206的入口室401，能量收集系统200可设计成使得压缩机206的压缩室402邻近并紧靠涡轮机202的膨胀室406定位。热404从压缩室402内的受热传入空气108传递到膨胀室406内的较冷传出空气118。替代地，压缩室402和膨胀室406可定位成使之彼此物理接触。另一替代包括用传导材料(比如金属)将压缩室402连接到膨胀室406，使得膨胀室406在功能上变成压缩室402的散热器。该热耦合不仅提高了涡轮机202的效率，而且减少或消除了常规使用的在进入飞行器机舱110之前用于冷却压缩室402内的压缩空气的动力。应当理解的是，热耦合实施方式可结合上文关于图3A描述的直接联接实施方式以及上文关于图3B描述的间接联接实施方式来使用。
为了说明由使用本文中描述的能量收集系统200所产生的益处，将提供关于燃料效率提高的示例计算。虽然改进的飞行器燃料效率取决于乘客的数量和巡航高度，但是巡航高度处的波音787梦幻客机的估值大约是0.19％-0.25％。现在将讨论用于获得该结果的假设和公式。
在40,000英尺的巡航高度处，如果飞行器102未载客，则机舱空气压力和新鲜空气流量分别大约是11.77psi和190lbm/分钟。如果载客，则新鲜空气流量增加至大约245lbm/分钟，这比190lbm/分钟增加了29％。继续使用190lbm/分钟空气流速的示例，如果该高度处的空气泄漏假定为大约4.8％，则可用空气流速为190lbm/分钟x(1-0.048)＝181lbm/分钟。11.77psi和-70°F温度下的空气密度为0.0595lbm/英尺3。空气流量为181lbm/分钟/0.0595lbm/英尺3＝3,042cfm。在这些条件下由空气的等温膨胀释放的能量能通过使用如下等式确定存储在飞行器机舱110中的能量来计算：
Figure BDA0001251548590000071
其中W是存储的能量，pB是高压气体的压力，vB是加压气体的体积，并且pA是大气的压力。存储在11.77psi(81.15kPa)的压力和70°F(294°K)的温度下的气体中的能量以3,042cfm(1.435cms)的流速进入-70°F(216.65°K)和2.72psi(18.75kPa)压力的大气的量为(81.15kPa)x(1.435cms)x ln(18.75kPa/81.15kPa)＝-170.6kW。负号表示这项工作需要将气体从状态A(大气)转变为状态B(飞行器机舱)。
使用计算出的存储在飞行器机舱110中的能量的量，能计算出飞行器燃料效率的改进。使用波音787-9作为示例，飞行器102具有7,635海里的航程，巡航速度为567mph，并且喷气燃料A(无铅煤油，37.12kWh/加仑＝133,632kWs/加仑)的燃料容量为33,384加仑。长程飞行所需要的时间将是7,635海里/567迈＝13.46小时(48,476秒)。因此，燃料消耗率为33,384加仑/48,476秒＝0.688加仑/秒。飞行器102需要的功率是(133,632kWs/加仑)x(0.688加仑/秒)＝91,939kW。因此，飞行器燃料效率的改进是170.6kW/91,939kW＝0.19％。如果在计算中使用245lbm/分钟的满载空气流速，则0.19％燃料效率增加29％的结果变为1.29x0.19％＝0.25％的改进飞行器燃料效率。
由0.25％燃料效率改进产生的示例财务节约大约为每架飞行器每年42,547美元。该值基于每年每架飞行器飞行3,431小时。使用13.46小时的长途飞行时间，这相当于每年3,431/13.46＝254.9个航班。因此，每年使用的燃料加仑为254.9x 33,384＝8,509,581。节省的加仑为8,509,581x 0.0025＝21,273加仑/年。对于2美元/加仑的燃料价格，航空公司将在每架飞行器上节省42,547美元/年。
图5示出了根据本文中提出的各种实施方式用于从飞行器机舱加压系统100收集能量的方法500。应当理解的是，可执行比图中示出以及本文中描述更多或更少的操作。这些操作还可并行或者按照与本文中描述不同的顺序来执行。
方法500开始于操作502，从飞行器机舱110内的高压环境140接收加压空气112。在操作504处，经涡轮机202将加压空气112作为传出空气118释放到低压环境130。方法500从操作504继续到达操作506，在能量收集机构200处接收从膨胀到低压环境130中的加压空气112施加在涡轮机202的涡轮机轴204上的旋转运动。
如上文描述的，能量收集机构200可包括直接联接到涡轮机轴204的压缩机206。在直接联接实施方式中，方法500从操作506到达操作508，将涡轮机轴204的旋转运动施加到与涡轮机轴204机械联接的压缩机206上，压缩传入空气108以创建加压空气112。在操作510处，将加压空气112提供给飞行器机舱110中的高压环境140，并且方法500结束。
然而，如果能量收集机构200间接地联接到涡轮机轴204，则方法500从操作506到达操作512，将涡轮机轴204的旋转运动转换为电能304。如上所述，该间接联接实施方式包括：将发电机302联接到涡轮机轴204以从关联的旋转运动来创建电能304。方法500从操作512继续到达操作514，经由电输出310将电能304提供给电负载306，并且方法500结束。
进一步，本公开包括根据以下条款的示例：
条款1、一种能量收集系统，该能量收集系统包括：飞行器机舱，所述飞行器机舱包围加压空气的高压环境，所述飞行器机舱包括构造成从低压环境接收传入空气的空气输入以及构造成从所述高压环境排放传出空气的空气输出；涡轮机，所述涡轮机被构造成接收从所述飞行器机舱排放的所述加压空气并且利用所述加压空气在涡轮机轴上产生旋转运动；以及能量收集机构，所述能量收集机构联接到所述涡轮机轴并被构造成利用所述涡轮机轴的所述旋转运动来压缩所述传入空气或者创建电能。
条款2、根据条款1所述的能量收集系统，其中，所述能量收集机构包括机械地联接到所述涡轮机轴的压缩机，所述压缩机被构造成在第一压力下接收所述传入空气并且在高于所述第一压力的第二压力下将所述加压空气提供给所述飞行器机舱内的所述高压环境。
条款3、根据条款2所述的能量收集系统，其中，所述涡轮机和所述压缩机被热耦合，使得在所述压缩机的压缩室内生成的热被传递到所述涡轮机的膨胀室。
条款4、根据条款1所述的能量收集系统，其中，所述能量收集机构包括：发电机，所述发电机联接到所述涡轮机轴并被构造成将所述旋转运动转换为电能；以及电输出，所述电输出被构造成将所述发电机电联接到电负载以将所述电能提供给所述电负载。
条款5、根据条款4所述的能量收集系统，其中，所述电负载包括电动机，所述电动机可操作成驱动压缩机，所述压缩机被构造成在第一压力下接收所述传入空气并且在高于所述第一压力的第二压力下将所述加压空气提供给所述飞行器机舱内的所述高压环境。
条款6、根据条款4所述的能量收集系统，其中，所述电负载包括电动机、电能存储装置、传感器、照明装置和加热装置中的至少一者。
条款7、根据条款4所述的能量收集系统，其中，所述能量收集机构进一步包括：压缩机，所述压缩机被构造成在第一压力下接收所述传入空气并且在高于所述第一压力的第二压力下将所述加压空气提供给所述飞行器机舱内的所述高压环境；其中，所述涡轮机和所述压缩机被热耦合，使得在所述压缩机的压缩室内生成的热被传递到所述涡轮机的膨胀室。
条款8、根据条款1所述的能量收集系统，其中，所述能量收集机构包括：机械地联接到所述涡轮机轴的压缩机，所述压缩机被构造成在第一压力下接收所述传入空气并且在高于所述第一压力的第二压力下将所述加压空气提供给所述飞行器机舱内的所述高压环境；发电机，所述发电机联接到所述涡轮机轴并被构造成将所述旋转运动转换为电能；以及电输出，所述电输出被构造成将所述发电机电联接到电负载以将所述电能提供给所述电负载。
条款9、根据条款1所述的能量收集系统，其中，所述能量收集系统是环境控制系统“ECS”和通风系统中的一者。
条款10、一种从飞行器机舱加压系统收集能量的方法，该方法包括以下步骤：从飞行器机舱内的高压环境接收加压空气；借助用于向涡轮机轴施加旋转运动的涡轮机将所述加压空气释放到低压环境中；在能量收集机构处接收所述涡轮机轴的所述旋转运动；以及在所述能量收集机构处，利用所述涡轮机轴的所述旋转运动来压缩传入空气以创建用于所述飞行器机舱的加压空气，或者将所述旋转运动转换为电能并且将所述电能提供给电负载。
条款11、根据条款10所述的方法，其中，所述能量收集机构包括机械地联接到所述涡轮机轴的压缩机，将所述压缩机构造成利用所述涡轮机轴的所述旋转运动来压缩所述传入空气以创建所述加压空气。
条款12、根据条款11所述的方法，所述方法进一步包括：使所述涡轮机和所述压缩机热耦合，使得在所述压缩机的压缩室内生成的热被传递到所述涡轮机的膨胀室。
条款13、根据条款12所述的方法，其中，使所述涡轮机和所述压缩机热耦合的步骤包括：用导热材料将所述压缩室连接到所述膨胀室。
条款14、根据条款10所述的方法，其中，所述能量收集机构包括联接到所述涡轮机轴的发电机，使得所述发电机将所述旋转运动转换为电能并且将所述电能提供给所述电负载。
条款15、根据条款14所述的方法，所述方法进一步包括：将所述发电机的所述电能存储在电能存储装置中；其中，将所述电能提供给所述电负载的步骤包括：从所述电能存储装置提供所述电能。
条款16、根据条款14所述的方法，其中，所述电负载是电动机、电能存储装置、传感器、照明装置和加热装置中的至少一者。
条款17、根据条款14所述的方法，其中，当所述电负载是电动机时，所述方法进一步包括：使用所述电动机来驱动第二压缩机以创建加压空气；以及将所述加压空气提供给所述飞行器机舱的所述高压环境。
条款18、根据条款14所述的方法，其中，所述能量收集机构进一步包括压缩机，将所述压缩机构造成在第一压力下接收所述传入空气并且在高于所述第一压力的第二压力下将所述加压空气提供给所述飞行器机舱内的所述高压环境；并且其中，所述方法进一步包括：使所述涡轮机和所述压缩机热耦合，使得在所述压缩机的压缩室内生成的热被传递到所述涡轮机的膨胀室。
条款19、一种能量收集系统，该能量收集系统包括：飞行器机舱，所述飞行器机舱包围加压空气的高压环境，所述飞行器机舱包括构造成从低压环境接收传入空气的空气输入以及构造成从所述高压环境排放传出空气的空气输出；压缩机，所述压缩机被构造成在第一压力下接收所述传入空气并且在高于所述第一压力的第二压力下将所述加压空气提供给所述飞行器机舱内的所述高压环境；涡轮机，所述涡轮机具有涡轮机轴并被构造成接收从所述飞行器机舱排放的所述加压空气并且利用所述加压空气在涡轮机轴上产生旋转运动；以及能量收集机构，所述能量收集机构联接到所述涡轮机轴并被构造成利用所述涡轮机轴的所述旋转运动来压缩所述传入空气或者为电负载创建电能，其中，所述涡轮机和所述压缩机被热耦合，使得在所述压缩机的压缩室内生成的热被传递到所述涡轮机的膨胀室。
条款20、根据条款19所述的能量收集系统，其中，所述电负载包括电动机、电能存储装置、传感器、照明装置和加热装置中的至少一者，所述电动机可操作成驱动第二压缩机，所述第二压缩机被构造成从所述低压环境接收传入空气并且将加压空气提供给所述飞行器机舱内的所述高压环境。
基于上述内容，应当理解的是，本文中提供了供飞行器机舱加压系统使用的能量收集系统以及利用能量收集系统来收集能量的对应方法的技术。上述主题仅通过图示的方式提供并且不应当被视为限制性的。在不遵循图示和描述的示例实施方式和应用、且在不脱离以下权利要求书中所阐述的本公开的真实精神和范围的情况下，可对本文中描述的主题做出各种修改和变型。

Claims (10)

1.一种能量收集系统（120），该能量收集系统包括：
飞行器机舱（110），所述飞行器机舱包围加压空气（112）的高压环境（140），所述飞行器机舱包括构造成从低压环境（130）接收传入空气（108）的空气输入（104）以及构造成从所述高压环境（140）排放传出空气（118）的空气输出（106）；
涡轮机（202），所述涡轮机包括膨胀室（406），该膨胀室（406）被构造成接收从所述飞行器机舱（110）排放的所述加压空气（112）并且利用所述加压空气（112）在涡轮机轴（204）上产生旋转运动，以便在所述加压空气（112）膨胀到所述低压环境（130）中时捕获所述加压空气（112）的能量；以及
能量收集机构（200），所述能量收集机构联接到所述涡轮机轴（204）并被构造成利用所述涡轮机轴（204）的所述旋转运动来压缩所述传入空气（108）或者创建电能（304），所述能量收集机构包括机械地联接到所述涡轮机轴的压缩机（206），所述压缩机被构造成在第一压力下接收所述传入空气并且在高于所述第一压力的第二压力下将所述加压空气提供给所述飞行器机舱内的所述高压环境，
其中，所述膨胀室（406）和所述压缩机（206）的压缩室（402）被热耦合，使得在所述压缩室（402）内生成的热被传递到所述膨胀室（406）。
2.根据权利要求1所述的能量收集系统，其中，所述能量收集机构包括：
发电机（302），所述发电机联接到所述涡轮机轴并被构造成将所述旋转运动转换为电能；以及
电输出，所述电输出被构造成将所述发电机电联接到电负载（306）以将所述电能提供给所述电负载。
3.根据权利要求2所述的能量收集系统，其中，满足以下中的至少一者：
所述电负载包括电动机，所述电动机可操作成驱动压缩机，所述压缩机被构造成在第一压力下接收所述传入空气并且在高于所述第一压力的第二压力下将所述加压空气提供给所述飞行器机舱内的所述高压环境；以及
所述电负载包括电动机、电能存储装置、传感器、照明装置和加热装置中的至少一者。
4.根据权利要求1所述的能量收集系统，其中，所述能量收集系统是环境控制系统“ECS”和通风系统中的一者。
5.一种从飞行器机舱加压系统（100）收集能量的方法（500），该方法包括以下步骤：
从飞行器机舱（110）内的高压环境（140）接收加压空气（112）（502）；
借助用于向涡轮机轴（204）施加旋转运动的涡轮机（202）的膨胀室（406）将所述加压空气（112）释放到低压环境（130）中（504）；
在能量收集机构（200）处接收所述涡轮机轴（204）的所述旋转运动（506）；以及
在所述能量收集机构（200）处，
利用所述涡轮机轴的所述旋转运动通过机械地联接到所述涡轮机轴的压缩机（206）来压缩传入空气（108）以创建所述飞行器机舱（110）的加压空气（112）（508），
所述方法进一步包括：使所述膨胀室（406）和所述压缩机（206）的压缩室（402）热耦合，使得在所述压缩室（402）内生成的热被传递到所述膨胀室（406）。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，使所述膨胀室（406）和所述压缩室（402）热耦合的步骤包括：用导热材料将所述压缩室连接到所述膨胀室。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述能量收集机构包括联接到所述涡轮机轴的发电机（302），使得所述发电机将所述旋转运动转换为电能并且将所述电能提供给电负载。
8.根据权利要求7所述的方法，所述方法进一步包括：将所述发电机的所述电能存储在电能存储装置中；其中，将所述电能提供给所述电负载的步骤包括：从所述电能存储装置提供所述电能。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，满足以下中的至少一者：
所述电负载是电动机、电能存储装置、传感器、照明装置和加热装置中的至少一者；以及
将所述压缩机构造成在第一压力下接收所述传入空气并且在高于所述第一压力的第二压力下将所述加压空气提供给所述飞行器机舱内的所述高压环境。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，当所述电负载是电动机时，所述方法进一步包括：
使用所述电动机来驱动第二压缩机以创建加压空气；以及
将所述加压空气提供给所述飞行器机舱的所述高压环境。
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