CN109367791B - 一种多电飞机电动环境控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于多电飞机环境控制领域，涉及一种多电飞机的电动环境控制系统，包括电动增压气源子系统、蒸发循环制冷子系统和液体循环冷却子系统。该方案利用电动压气机为飞机提供气源，结合蒸发循环制冷技术和液体循环冷却技术，满足飞机座舱增压、供气、加热、设备冷却的需求，具有无需发动机引气、制冷量大、冷却热流密度高、运行效率优等特点，能够保障机上人员安全舒适和电子设备可靠运行。
Description
技术领域
本发明属于多电飞机环境控制领域，具体涉及一种多电飞机的电动环境控制系统。
背景技术
多电飞机以电力作为飞机主要二次能源，具有能量利用率高、污染物排放少、系统维护性好、运营成本低等优点。传统飞机利用液压、气压、机械等多种二次能源系统来保障飞行，多能源共存导致了飞机和发动机结构复杂、能源效率低、可靠性差等问题。多电飞机引入无引气、电驱动的先进技术，采用无引气发动机、无引气APU、起动/发电机、电动环境控制等系统取代传统飞机液压、引气、热气防冰等系统，实现了飞机二次能源的统一。多电飞机技术取消了液压和引气管路、飞附机匣等部件，简化了飞机和发动机结构，提高了能源利用率，优化了机载系统维护性，可大大降低民用飞机制造和运营成本。
电动环境控制系统是多电飞机重要的机电系统，其利用电力能源驱动环境控制系统工作，能够显著降低发动机燃油消耗量，节约飞机运营成本。电动环境控制系统取消了发动机引气系统，降低了发动机推力损失，减少了产品数量和重量，降低了污染物排放。因此，设计一种适用于多电飞机的电动环境控制系统具有重要应用价值。
发明内容
本发明的目的是提出一种多电飞机电动环境控制系统，包括电动增压气源子系统、蒸发循环制冷子系统和液体循环冷却子系统，该方案具有无需发动机引气、制冷量大、冷却热流密度高、运行效率优等特点，能够保障机上人员安全舒适和电子设备可靠运行。
本发明的技术解决方案如图1所示。
一种多电飞机的电动环境控制系统，包括电动增压气源子系统、蒸发循环制冷子系统和液体循环冷却子系统。
一种多电飞机的电动环境控制系统，
电动增压气源子系统包括冲压进气装置1、电动压气机3、电机4、加热/防喘活门5、逆流截止活门6、臭氧转换器7、散热器8、温度控制活门9和电动风扇13；其中，冲压进气装置1从外界吸取外部环境空气，并防止外部异物随外部环境空气进入飞机进气道；电动压气机3在电机4的驱动下利用离心作用对低压环境的外部环境空气进行增压以获得高压空气气源，将高压空气气源发送到散热器8；散热器8利用外部冲压空气对电动压气机3出口高温空气进行冷却，冷却后空气进入驾驶舱蒸发器10、乘客舱蒸发器11；
蒸发循环制冷子系统包括制冷压缩机14、冷凝器15、干燥/过滤器16、闪发器17、电子膨胀阀18、驾驶舱蒸发器10、乘客舱蒸发器11、液冷蒸发器12；制冷剂在驾驶舱蒸发器10、乘客舱蒸发器11、液冷蒸发器12中对空气和液体载冷剂进行冷却，吸收热量后汇流并进入制冷压缩机14，制冷压缩机14将制冷剂增压升温后进入冷凝器15向外界环境空气散热；制冷剂散热后依次经过干燥/过滤器16和闪发器17，制冷剂在闪发器17发生部分蒸发，蒸发产生的气体进入制冷压缩机14中间级，未蒸发的液体分别通过电子膨胀阀18膨胀降压后再次进入驾驶舱蒸发器10、乘客舱蒸发器11、液冷蒸发器12，开始下一次循环；
液体循环冷却子系统包括液体冷却泵20、过滤器21、旁通活门22、电子设备冷板换热器23、储液器24；液体载冷剂在液体冷却泵20的驱动下，经过过滤器21对液体载冷剂中杂质进行过滤后，进入液冷蒸发器12与蒸发循环制冷子系统中的制冷剂进行换热降温，液体载冷剂温度降低后进入电子设备冷板换热器23对飞机机载电子设备进行冷却，保证机载电子设备安全可靠运行，载冷剂在电子设备冷板换热器23中吸热后返回储液器24，进入下一次液体循环冷却；旁通活门22位于液冷蒸发器12的出口和进口之间，用来将液冷蒸发器12的一部分出口液体直接导入到液冷蒸发器12的进口，精确控制电子设备冷板换热器23的换热量。
一种多电飞机的电动环境控制系统，
还包括加热/防喘活门5，加热/防喘活门5串联在电动压气机3进口和出口之间，在电动压气机3进口温度较低时，旁通压气机出口高温空气，以达到空气加温和喘振防护的作用。
一种多电飞机的电动环境控制系统，
还包括：逆流截止活门6和臭氧转换器7；
逆流截止活门6和臭氧转换器7位于电动压气机3出口与散热器8之间，逆流截止活门6将高压空气气源发送给臭氧转换器7，并防止电动压气机工作时发生气流逆向流动；臭氧转换器7利用催化作用将空气中的臭氧进行转换，净化空气。
一种多电飞机的电动环境控制系统，
温度控制活门9跨接在散热器8两端，温度控制活门9旁通部分电动压气机3出口高温空气以实现气源温度控制。
一种多电飞机的电动环境控制系统，
还包括电动风扇13，抽吸外部冲压空气以保证飞机在地面停机或低速飞行时散热器冷边有足够的冷却空气。
一种多电飞机的电动环境控制系统，
还包括变扩压器机构2，与电动压气机3连接，扩大电动压气机3工作边界。
一种多电飞机的电动环境控制系统，
还包括再循环风扇19，将乘客舱中的空气抽取输送到乘客舱蒸发器11，进行空气循环，节省能量。
本发明的主要技术特点如下：
采用电动增压气源、蒸发循环制冷、液体循环冷却相结合的飞机环境控制系统构架，为多电飞机提供了经济、高效、环保的座舱和电子设备舱环境控制方案；
采用大功率高速电机驱动的单级离心压气机对飞机外部环境空气进行增压，为飞机空气调节提供高压气源；
电动压气机采用可变扩压器技术，通过作动器调节扩压器叶片攻角以避免电动压气机在运行过程中发生喘振；
蒸发循环制冷子系统利用闪发器对制冷压缩机进行中间补气的技术，提升了系统的制冷性能系数；
蒸发循环制冷子系统采用多台蒸发器并联的方式，分别实现驾驶舱空气调节、乘客舱空气调节和飞机综合热管理；
附图说明
图1为本发明多电飞机电动环境控制系统原理图。
具体实施方式
本发明的技术解决方案如图1所示。
一种多电飞机的电动环境控制系统，包括电动增压气源子系统、蒸发循环制冷子系统和液体循环冷却子系统；
其中，电动增压气源子系统包括冲压进气装置1、电动压气机3、电机4、加热/防喘活门5、逆流截止活门6、臭氧转换器7、散热器8、温度控制活门9和电动风扇13。电动增压气源子系统主要功能是抽吸外部环境空气并对其进行增压。其中，冲压进气装置1从外界吸取外部环境空气，并防止外部异物随外部环境空气进入飞机进气道；电动压气机3为系统核心部件，在电机4的驱动下利用离心作用对低压环境的外部环境空气进行增压以获得高压空气气源，将高压空气气源发送到散热器8；加热/防喘活门5串联在电动压气机3进口和出口之间，在电动压气机3进口温度较低时，旁通压气机出口高温空气，以达到空气加温和喘振防护的作用；逆流截止活门6和臭氧转换器7位于电动压气机3出口与散热器8之间，逆流截止活门6将高压空气气源发送给臭氧转换器7，并防止电动压气机工作时发生气流逆向流动；臭氧转换器7利用催化作用将空气中的臭氧进行转换，以起到净化空气的作用。散热器8利用外部冲压空气对电动压气机3出口高温空气进行冷却，冷却后空气进入驾驶舱蒸发器10、乘客舱蒸发器11；温度控制活门9旁通部分电动压气机出口高温空气以实现气源温度控制，电动风扇13抽吸外部冲压空气以保证飞机在地面停机或低速飞行时散热器冷边有足够的冷却空气。还包括变扩压器机构2，与电动压气机3连接，扩大电动压气机3工作边界。
蒸发循环制冷子系统包括制冷压缩机14、冷凝器15、干燥/过滤器16、闪发器17、电子膨胀阀18、驾驶舱蒸发器10、乘客舱蒸发器11、液冷蒸发器12。制冷剂在驾驶舱蒸发器10、乘客舱蒸发器11、液冷蒸发器12中对空气和液体载冷剂进行冷却，吸收热量后汇流并进入制冷压缩机14，制冷压缩机14将制冷剂增压升温后进入冷凝器15向外界环境空气散热。制冷剂散热后依次经过干燥/过滤器16和闪发器17，制冷剂在闪发器17发生部分蒸发，蒸发产生的气体进入制冷压缩机14中间级，未蒸发的液体分别通过电子膨胀阀18膨胀降压后再次进入驾驶舱蒸发器10、乘客舱蒸发器11、液冷蒸发器12，开始下一次循环。还包括再循环风扇19，将乘客舱中的空气抽取输送到乘客舱蒸发器11，进行空气循环，节省能量。
液体循环冷却子系统包括液体冷却泵20、过滤器21、旁通活门22、电子设备冷板换热器23、储液器24。液体载冷剂在液体冷却泵20的驱动下，经过过滤器21对液体载冷剂中杂质进行过滤后，进入液冷蒸发器12与蒸发循环制冷子系统中的制冷剂进行换热降温，液体载冷剂温度降低后进入电子设备冷板换热器23对飞机机载电子设备进行冷却，保证机载电子设备安全可靠运行，载冷剂在电子设备冷板换热器23中吸热后返回储液器24，进入下一次液体循环冷却。旁通活门22位于液冷蒸发器12的出口和进口之间，用来将液冷蒸发器12的一部分出口液体直接导入到液冷蒸发器12的进口，精确控制电子设备冷板换热器23的换热量。
本发明中多电飞机电动环境控制系统方案的具体实施方式通过热天地面工作和冷天高空巡航两个飞行工况进行说明。
当多电飞机在热天条件下地面待机工作时，冲压进气装置1空气风门打开，防止外界环境异物被吸入飞机内部造成机上设备损坏。电动压气机3在高速电机4驱动下高速旋转，利用离心力作用驱动飞机外部环境空气进入飞机座舱，空气经散热器8预冷却后进入驾驶舱蒸发器10、乘客舱蒸发器11进行再冷却，以满足分别满足驾驶舱和乘客舱内部冷却需求，同时为机上人员提供足够的新鲜空气。同时，蒸发循环制冷子系统利用制冷剂相变换热原理对液冷蒸发器12中载冷剂进行冷却，为机载电子设备提供低温冷却介质。
当多电飞机在冷天条件下高空巡航工作时，冲压进气装置1空气风门关闭，飞机外部环境空气在冲压作用下进入电动压气机3，电动压气机3在高速电机驱动下利用叶轮高速旋转产生的离心力对空气进行增压，满足飞机在高空飞行时的座舱压力控制需求。同时，加温/防喘活门5打开，电动压气机3出口空气经加温/防喘活门5回流至电动压气机3进口，使电动压气机3进口温度升高以避免压气机发生喘振，电动压气机3进口温度升高会进一步提高电动压气机3出口温度，满足飞机驾驶舱和乘客舱加温需求。
Claims (8)
1.一种多电飞机的电动环境控制系统，其特征在于，包括电动增压气源子系统、蒸发循环制冷子系统和液体循环冷却子系统，所述电动增压气源子系统用于为飞机座舱提供新鲜空气，进行座舱加温和座舱增压；
电动增压气源子系统包括冲压进气装置(1)、电动压气机(3)、电机(4)、加热/防喘活门(5)和散热器(8)，蒸发循环制冷子系统包括驾驶舱蒸发器(10)和乘客舱蒸发器(11)，
当多电飞机在热天条件下地面待机工作时，电动压气机(3)在高速电机(4)驱动下高速旋转，利用离心力作用驱动飞机外部环境空气进入飞机座舱，空气经散热器(8)预冷却后进入驾驶舱蒸发器(10)、乘客舱蒸发器(11)进行再冷却；
当多电飞机在冷天条件下高空巡航工作时，冲压进气装置(1)空气风门关闭，飞机外部环境空气在冲压作用下进入电动压气机(3)，电动压气机(3)在高速电机驱动下利用叶轮高速旋转产生的离心力对空气进行增压，加温/防喘活门(5)打开，电动压气机(3)出口空气经加温/防喘活门(5)回流至电动压气机(3)进口，使电动压气机(3)进口温度升高，电动压气机(3)进口温度升高会进一步提高电动压气机(3)出口温度。
2.如权利要求1所述的一种多电飞机的电动环境控制系统，其特征在于，
电动增压气源子系统包括逆流截止活门(6)、臭氧转换器(7)、温度控制活门(9)和电动风扇(13)；其中，冲压进气装置(1)从外界吸取外部环境空气，并防止外部异物随外部环境空气进入飞机进气道；电动压气机(3)在电机(4)的驱动下利用离心作用对低压环境的外部环境空气进行增压以获得高压空气气源，将高压空气气源发送到散热器(8)；散热器(8)利用外部冲压空气对电动压气机(3)出口高温空气进行冷却，冷却后空气进入驾驶舱蒸发器(10)、乘客舱蒸发器(11)；
蒸发循环制冷子系统包括制冷压缩机(14)、冷凝器(15)、干燥/过滤器(16)、闪发器(17)、电子膨胀阀(18)和液冷蒸发器(12)；制冷剂在驾驶舱蒸发器(10)、乘客舱蒸发器(11)、液冷蒸发器(12)中对空气和液体载冷剂进行冷却，吸收热量后汇流并进入制冷压缩机(14)，制冷压缩机(14)将制冷剂增压升温后进入冷凝器(15)向外界环境空气散热；制冷剂散热后依次经过干燥/过滤器(16)和闪发器(17)，制冷剂在闪发器(17)发生部分蒸发，蒸发产生的气体进入制冷压缩机(14)中间级，未蒸发的液体分别通过电子膨胀阀(18)膨胀降压后再次进入驾驶舱蒸发器(10)、乘客舱蒸发器(11)、液冷蒸发器(12)，开始下一次循环；
液体循环冷却子系统包括液体冷却泵(20)、过滤器(21)、旁通活门(22)、电子设备冷板换热器(23)、储液器(24)；液体载冷剂在液体冷却泵(20)的驱动下，经过过滤器(21)对液体载冷剂中杂质进行过滤后，进入液冷蒸发器(12)与蒸发循环制冷子系统中的制冷剂进行换热降温，液体载冷剂温度降低后进入电子设备冷板换热器(23)对飞机机载电子设备进行冷却，保证机载电子设备安全可靠运行，载冷剂在电子设备冷板换热器(23)中吸热后返回储液器(24)，进入下一次液体循环冷却；旁通活门(22)位于液冷蒸发器(12)的出口和进口之间，用来将液冷蒸发器(12)的一部分出口液体直接导入到液冷蒸发器(12)的进口，精确控制电子设备冷板换热器(23)的换热量。
3.如权利要求2所述的一种多电飞机的电动环境控制系统，其特征在于，
加热/防喘活门(5)串联在电动压气机(3)进口和出口之间，在电动压气机(3)进口温度较低时，旁通压气机出口高温空气。
4.如权利要求2所述的一种多电飞机的电动环境控制系统，其特征在于，
逆流截止活门(6)和臭氧转换器(7)位于电动压气机(3)出口与散热器(8)之间，逆流截止活门(6)将高压空气气源发送给臭氧转换器(7)，并防止电动压气机工作时发生气流逆向流动；臭氧转换器(7)利用催化作用将空气中的臭氧进行转换，净化空气。
5.如权利要求2所述的一种多电飞机的电动环境控制系统，其特征在于，
温度控制活门(9)跨接在散热器(8)两端，温度控制活门(9)旁通部分电动压气机(3)出口高温空气以实现气源温度控制。
6.如权利要求2所述的一种多电飞机的电动环境控制系统，其特征在于，
还包括电动风扇(13)，抽吸外部冲压空气以保证飞机在地面停机或低速飞行时散热器冷边的冷却空气。
7.如权利要求2所述的一种多电飞机的电动环境控制系统，其特征在于，
还包括变扩压器机构(2)，与电动压气机(3)连接，扩大电动压气机(3)工作边界。
8.如权利要求2所述的一种多电飞机的电动环境控制系统，其特征在于，
还包括再循环风扇(19)，将乘客舱中的空气抽取输送到乘客舱蒸发器(11)，进行空气循环。
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