CN108688818A - 涡轮辅助式机舱空气压缩机 - Google Patents

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Abstract

提供一种飞机。所述飞机包括一个电机驱动的压缩机组装件。所述电机驱动的压缩机组装件包括轴、电机、压缩机以及通过所述轴联接到所述压缩机的涡轮。所述电机通过所述轴向所述压缩机提供第一功率。所述涡轮接收并膨胀第二介质以通过所述轴向所述压缩机提供第二功率。所述压缩机根据由所述涡轮提供的所述第一功率和由所述电机提供的所述第二功率接收并压缩第一介质。

Description

涡轮辅助式机舱空气压缩机
背景技术
在常规的电气环境控制系统(CECS)中，在飞机的最大巡航高度期间将空气递送到飞机的机舱需要最大功率条件。在最大巡航高度处，CECS的压缩机的压力比取决于以下需要：将来自环境的压力(例如，在这种情况下，大约为3 psia)增加到高得足以对机舱加压的值，克服关于压缩热的压力损失，将空气输送到机舱，以及(在空气循环ECS的情况下)在热天条件下进行制冷。为了提供这个值，CECS要求压缩机功率的100%来自电机和电气系统。这种最大功率条件可增加发电机和电机控制器的大小，并限定电机和电机控制器冷却要求。
发明内容
根据一个或多个实施方案，提供一种电机驱动的压缩机组装件。所述电机驱动的压缩机组装件包括轴、电机、压缩机以及通过所述轴联接到所述压缩机的涡轮。所述电机通过所述轴向所述压缩机提供第一功率。所述涡轮接收并膨胀第二介质以通过所述轴向所述压缩机提供第二功率。所述压缩机根据由所述电机提供的所述第一功率和由所述涡轮提供的所述第二功率接收并压缩第一介质。
根据一个或多个实施方案或以上的电机驱动的压缩机组装件实施方案，所述电机驱动的压缩机组装件可包括被配置来冷却所述第二介质的至少一个热交换器。
根据一个或多个实施方案或以上的电机驱动的压缩机组装件实施方案中的任一个，所述至少一个热交换器可被配置来通过利用所述第一介质来冷却所述第二介质。
根据一个或多个实施方案或以上的电机驱动的压缩机组装件实施方案中的任一个，所述至少一个热交换器可被配置来在所述第二介质的流动路径上位于所述涡轮的下游。
根据一个或多个实施方案或以上的电机驱动的压缩机组装件实施方案中的任一个，所述至少一个热交换器可被配置来在所述第一介质的流动路径上位于所述压缩机的下游。
根据一个或多个实施方案或以上的电机驱动的压缩机组装件实施方案中的任一个，所述第一介质可以是新鲜空气并且所述第二介质可以是机舱排气。
根据一个或多个实施方案或以上的电机驱动的压缩机组装件实施方案中的任一个，所述第二介质可流动到冲压回路或在离开所述电机驱动的压缩机组装件之后流动到机外。
根据一个或多个实施方案或以上的电机驱动的压缩机组装件实施方案中的任一个，飞机的环境控制系统可包括所述电机驱动的压缩机组装件。
根据一个或多个实施方案或以上的电机驱动的压缩机组装件实施方案中的任一个，所述环境控制系统可还包括至少一个空调组件。
根据一个或多个实施方案，提供一种环境控制系统。所述环境控制系统包括：空调组件；混合回路；以及电机驱动的压缩机组装件，其包括轴、电机、压缩机以及通过所述轴联接到所述压缩机的涡轮，其中所述电机通过所述轴向所述压缩机提供第一功率，其中所述涡轮接收并膨胀第二介质以通过所述轴向所述压缩机提供第二功率，其中所述压缩机根据由所述电机提供的所述第一功率和由所述涡轮提供的所述第二功率接收并压缩第一介质。
根据一个或多个实施方案或以上的环境控制系统实施方案，所述电机驱动的压缩机组装件可包括被配置来冷却所述第二介质的至少一个热交换器。
根据一个或多个实施方案或以上的环境控制系统实施方案中的任一个，所述至少一个热交换器可被配置来通过利用所述第一介质来冷却所述第二介质。
根据一个或多个实施方案或以上的环境控制系统实施方案中的任一个，所述至少一个热交换器可以在所述第二介质的流动路径上位于所述涡轮的下游。
根据一个或多个实施方案或以上的环境控制系统实施方案中的任一个，所述至少一个热交换器可以在所述第一介质的流动路径上位于所述压缩机的下游。
根据一个或多个实施方案或以上的环境控制系统实施方案中的任一个，所述第一介质可以是新鲜空气并且所述第二介质是机舱排气。
附图说明
本主题在本说明书的结束处的权利要求书中特别指出并且明确要求保护。所述主题的前述和其他特征以及优点从以下结合附图进行的详细描述中显而易见，在附图中：
图1是根据一个或多个实施方案的环境控制系统的示意图；
图2是根据一个或多个实施方案的环境控制系统的示意图；并且
图3是根据一个或多个实施方案的环境控制系统的示意图。
具体实施方式
本文参考附图通过举例而非限制的方式呈现所公开的设备和方法的一个或多个实施方案的详细描述。
本文的实施方案提供一种电机驱动的压缩机组装件，所述压缩机组装件包括由离开机舱的空气提供动力的涡轮，所述涡轮从机舱压力与环境压力之间的压力差汲取其功率。因此，尽管电机驱动的压缩机组装件的压缩机所需的功率不变，但通过涡轮的功率减少了电动机的输入功率。以上电机驱动的压缩机组装件的技术效应和益处包括降低功率水平，这为电机控制器提供了更为高效的冷却方式，并相对于CECS减小了电机控制器、发电机和馈线的大小。
现在转到图1，根据一个或多个实施方案描绘环境控制系统100的示意图。环境控制系统100包括体积102、电机驱动的压缩机组装件120、空调组件130和混合回路140。
环境控制系统100是飞机的环境控制系统的实例，其调节并混合来自不同源(例如，箭头A和B)的介质，并且使用不同的能量源来为环境控制系统提供动力并在高电效率下提供机舱加压和冷却(例如，向体积102提供加压的介质)。介质总体上可以是空气，而其他实例包括气体、液体、液化固体或浆料。
环境控制系统100的元件通过阀、管件、管道等连接。阀(例如，流量调节装置或质量流量阀)是通过打开、闭合或部分地阻碍环境控制系统100的管件、管道等内的各种通道来调节、引导和/或控制介质流量的装置。阀可通过致动器来操作，以使得环境控制系统100的任何部分中的介质的流量可被调节到所需值。
根据非限制性实施方案描绘环境控制系统100的示意图，如同它可安装在飞机上那样。由于考虑到另选的实施方案，因此飞机实例不意图进行限制
鉴于以上的飞机实施方案，第一介质可以是新鲜空气(例如，箭头A)，其可以是肯定会进入体积102的外部空气。外部空气可由一个或多个舀取机构(诸如冲刷勺或洗刷勺)获得。这些舀取机构可被视为新鲜空气或外部空气入口。一般来讲，本文所述的新鲜空气处于相对于高度的飞机外部的环境压力下。
第二介质可从体积102(例如，箭头B)获得。也就是说，第三介质可以是机舱排气，其可以是离开体积102并且倾倒/排放到机外的空气。例如，机舱排气可被供应到目的地(诸如出口)。出口的实例可包括但不限于冲压回路(其排出机外)和/或机外。
混合回路140是机械配置，其接收从空调组件130和电机驱动的压缩机组装件120流出的调节后介质，并将所得的介质提供到体积102。
空调组件130可执行来自以上介质的功或从以上介质提取功，以实现不同高度处需要的某些操作。空调组件130可包括冲压回路，所述冲压回路包括包封一个或多个热交换器的外壳。外壳可接收介质(诸如本文所述的冲压空气)并引导其通过它的对应的组件。一个或多个热交换器是为了从一种介质向另一种介质进行高效热传递而构建的装置。热交换器的实例包括套管式、壳管式、板式、板壳式、绝热轮式、板翅式、枕板式以及流体热交换器。由外壳包封的一个或多个热交换器可称为冲压式热交换器。
空调组件130可包括压缩装置，所述压缩装置包括压缩机、涡轮、风扇和轴的各种组合。压缩装置是机械装置，其包括用于对介质执行热力学功的部件。压缩装置的实例包括空气循环机、三轮空气循环机、四轮空气循环机等。空调组件130还可包括脱水器、冷凝器等。
电机驱动的压缩机组装件130可包括压缩机和热交换器的不同布置，其可用于减少总体功率需求。现将相对于图2-3来描述示例性布置。
图2是根据一个或多个实施方案的环境控制系统200的示意图。为了便于解释，环境控制系统200的与环境控制系统100类似的部件已通过使用相同的标识符而被重复使用，并且不再重复介绍。环境控制系统200包括第一电机驱动的压缩机组装件201和第二电机驱动的压缩机组装件202。应注意，虽然示出了两个组装件201和202，但是根据一个或多个实施方案，环境控制系统200可包括一个、三个或更多个组装件。
第一电机驱动的压缩机组装件201包括压缩机210、电机212、涡轮214以及轴216。第二电机驱动的压缩机组装件201包括压缩机220、电机222、涡轮224以及轴226。另外，环境控制系统200还包括阀V1、V2、V3、V4、V5和V6连同介质230、231、232、233、240、241、250和251。
在环境控制系统200的示例性操作中，压缩机210根据电机212提供的第一功率接收并压缩介质230(例如，新鲜空气)。此外，通过介质240膨胀穿过涡轮214，介质240(例如，机舱排气)向涡轮214提供功率源。继而，压缩机210根据涡轮214提供的第二功率接收并压缩介质230(例如，新鲜空气)。压缩机210可以基于第一功率、第二功率或其组合来压缩介质230。应注意，巡航中的飞机外部的环境压力(例如，在这种情况下，大约为3 psia)与飞机内部的机舱压力(例如，在这种情况下，大约为11 psia)之间的压力差导致穿过涡轮214的压降，这推动介质240通过涡轮214。
此外，压缩机220根据电机222提供的第一功率接收并压缩介质230(例如，新鲜空气)。此外，通过介质250膨胀穿过涡轮224，介质250(例如，机舱排气)向涡轮224提供功率源。继而，压缩机220根据涡轮224提供的第二功率接收并压缩介质230(例如，新鲜空气)。压缩机220可以基于第一功率、第二功率或其组合来压缩介质230。应注意，巡航中的飞机外部的环境压力(例如，在这种情况下，大约为3 psia)与飞机内部的机舱压力(例如，在这种情况下，大约为11 psia)之间的压力差导致穿过涡轮224的压降，这推动介质250通过涡轮224。
图3是根据一个或多个实施方案的环境控制系统300的示意图。为了便于解释，环境控制系统300的与环境控制系统100和200类似的部件已通过使用相同的标识符而被重复使用，并且不再重复介绍。环境控制系统300包括第一电机驱动的压缩机组装件301和第二电机驱动的压缩机组装件302。应注意，虽然示出了两个组装件301和302，但是环境控制系统300可包括根据一个或多个实施方案的一个、三个或更多个组装件。在两个组装件301和302中，添加热交换器318和328以利用涡轮214和224的排气来冷却压缩机210和221的排气。热交换器318和328分别在介质240和250的流动路径上位于涡轮214和224的下游。热交换器318和328也在介质230的流动路径上位于压缩机210和221的下游。环境控制系统200分别描绘了离开热交换器318和328的介质350和351。介质350和351可因此在飞机的其他地方重复使用。
本文参考根据实施方案的方法、设备和/或系统的流程图解、示意图和/或方框图描述实施方案的各方面。此外，各种实施方案的描述已出于说明目的而呈现，但是并不意图是详尽的或受限于所公开的实施方案。在不脱离所描述实施方案的范围和精神的情况下，许多修改和变化对本领域的普通技术人员来说将是明显的。选择本文中所使用的术语来最好地解释实施方案的原理、对在市场中所见技术的实际应用或技术改进，或使本领域的其他普通技术人员能够理解本文所公开的实施方案。
本文所使用的术语仅仅出于描述具体实施方案的目的，并且不意图是限制性的。如本文所使用，除非上下文另外明确指示，否则单数形式“一(a/an)”和“所述(the)”也意图包括复数形式。应进一步理解，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”在本说明书中使用时指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。
本文描绘的流程图仅仅是一个实例。在不脱离本文实施方案的精神的情况下，可存在对本文所描述的这个图或步骤(或操作)的许多变化。例如，可按不同顺序执行所述步骤，或者可增添、删除或修改步骤。所有这些变化被视为权利要求书的一部分。
虽然已经描述了优选实施方案，但应理解，现在和将来的本领域的技术人员都可以做出落入以下权利要求书的范围内的各种改进和增强。这些权利要求应被解释为维持适当保护。

Claims (15)

1.一种电机驱动的压缩机组装件，其包括：
轴；
电机；
压缩机；以及
涡轮，其通过所述轴联接到所述压缩机，
其中所述电机通过所述轴向所述压缩机提供第一功率，
其中所述涡轮接收并膨胀第二介质以通过所述轴向所述压缩机提供第二功率，
其中所述压缩机根据由所述电机提供的所述第一功率和由所述涡轮提供的所述第二功率接收并压缩第一介质。
2.如权利要求1所述的电机驱动的压缩机组装件，其中所述电机驱动的压缩机组装件包括被配置来冷却所述第二介质的至少一个热交换器。
3.如权利要求2所述的电机驱动的压缩机组装件，其中所述至少一个热交换器被配置来通过利用所述第一介质来冷却所述第二介质。
4.如权利要求2所述的电机驱动的压缩机组装件，其中所述至少一个热交换器在所述第二介质的流动路径上位于所述涡轮的下游。
5.如权利要求2所述的电机驱动的压缩机组装件，其中所述至少一个热交换器在所述第一介质的流动路径上位于所述压缩机的下游。
6.如权利要求1所述的电机驱动的压缩机组装件，其中所述第一介质是新鲜空气并且所述第二介质是机舱排气。
7.如权利要求1所述的电机驱动的压缩机组装件，其中所述第二介质流动到冲压回路或在离开所述电机驱动的压缩机组装件之后直接流动到机外。
8.如权利要求1所述的电机驱动的压缩机组装件，其中飞机的环境控制系统包括所述电机驱动的压缩机组装件。
9.如权利要求8所述的电机驱动的压缩机组装件，其中所述环境控制系统还包括至少一个空调组件。
10.一种环境控制系统，其包括：
空调组件；
混合回路；以及
电机驱动的压缩机组装件，其包括轴、电机、压缩机以及通过所述轴联接到所述压缩机的涡轮，
其中所述电机通过所述轴向所述压缩机提供第一功率，
其中所述涡轮接收并膨胀第二介质以通过所述轴向所述压缩机提供第二功率，
其中所述压缩机根据由所述电机提供的所述第一功率和由所述涡轮提供的所述第二功率接收并压缩第一介质。
11.如权利要求10所述的环境控制系统，其中所述电机驱动的压缩机组装件包括被配置来冷却所述第二介质的至少一个热交换器。
12.如权利要求11所述的环境控制系统，其中所述至少一个热交换器被配置来通过利用所述第一介质来冷却所述第二介质。
13.如权利要求11所述的环境控制系统，其中所述至少一个热交换器在所述第二介质的流动路径上位于所述涡轮的下游。
14.如权利要求11所述的环境控制系统，其中所述至少一个热交换器在所述第一介质的流动路径上位于所述压缩机的下游。
15.如权利要求10所述的环境控制系统，其中所述第一介质是新鲜空气并且所述第二介质是机舱排气。
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