CN109665106A - 由放出空气和机舱空气驱动的补充组件 - Google Patents

Abstract

提供了一种飞机。所述飞机包括组件。所述组件包括轴、压缩机和经由所述轴联接到所述压缩机的涡轮机。所述涡轮机接收并膨胀第一介质以经由所述轴向所述压缩机提供动力。所述压缩机根据由所述涡轮机经由所述轴提供的动力接收并压缩第二介质。所述涡轮机流体联接到空气调节系统的热交换器。

Description

由放出空气和机舱空气驱动的补充组件

背景技术

一般来讲，在巡航时传统的飞机空气调节系统被以约30磅/平方英寸(psig)至35psig的压力供应放出空气。用于使飞机通风的每分钟每一磅的放出空气对整个飞机运行范围中的飞机性能造成损失。

发明内容

根据一个或多个实施方案，提供了一种组件(pack)。所述组件包括轴、压缩机和经由轴联接到压缩机的涡轮机。涡轮机接收并膨胀第一介质以经由轴向压缩机提供动力。压缩机根据由涡轮机经由轴提供的动力接收并压缩第二介质。涡轮机流体联接到空气调节系统的热交换器。

根据一个或多个实施方案或上述组件实施方案，组件可包括经由轴联接到压缩机的第二涡轮机。

根据一个或多个实施方案或上述任一个组件实施方案，第二涡轮机可接收并膨胀第三介质以经由轴向压缩机提供动力。

根据一个或多个实施方案或上述任一个组件实施方案，组件可包括联接到轴的第二压缩机。

根据一个或多个实施方案或上述任一个组件实施方案，第二压缩机可提供第二介质的第二压缩级。

根据一个或多个实施方案或上述任一个组件实施方案，第一介质可以是放出空气，并且第二介质可以是新鲜空气。

根据一个或多个实施方案或上述任一个组件实施方案，组件可被配置成以第一模式或第二模式操作。

根据一个或多个实施方案或上述任一个组件实施方案，第一模式可用于低海拔或地面操作。

根据一个或多个实施方案或上述任一个组件实施方案，第二模式可用于高海拔操作。

根据一个或多个实施方案，提供了一种系统。所述系统包括空气调节组件，所述空气调节组件包括热交换器。所述系统包括补充组件，所述补充组件包括轴、压缩机和经由轴联接到压缩机的涡轮机以及至少一个热交换器。涡轮机流体联接到热交换器。涡轮机从热交换器接收并膨胀第一介质。涡轮机基于第一介质的膨胀经由轴向压缩机提供动力。压缩机根据由涡轮机经由轴提供的动力接收并压缩第二介质。

根据一个或多个实施方案或上述系统实施方案，组件可包括经由轴联接到压缩机的第二涡轮机，并且第二涡轮机可接收并膨胀第三介质以经由轴向压缩机提供动力。

根据一个或多个实施方案或上述任一个系统实施方案，组件可包括联接到轴的第二压缩机，并且第二压缩机可提供第二介质的第二压缩级。

根据一个或多个实施方案或上述任一个系统实施方案，第一介质可以是放出空气，并且第二介质可以是新鲜空气。

根据一个或多个实施方案或上述任一个系统实施方案，组件可被配置成以第一模式或第二模式操作。

根据一个或多个实施方案或上述任一个系统实施方案，第一模式可用于低海拔或地面操作，并且第二模式可用于高海拔操作。

附图说明

在本说明结尾处的权利要求书中具体指出并明确要求保护本主题。根据以下结合附图进行的详细描述，前述和其他特征以及它们的优点是显而易见的，在附图中：

图1是根据一个或多个实施方案的组合式组件架构的示意图；

图2是根据一个或多个实施方案的补充组件的示意图；

图3是根据一个或多个实施方案的补充组件的示意图；

图4是根据一个或多个实施方案的补充组件的示意图；并且

图5是根据一个或多个实施方案的补充组件的示意图。

具体实施方式

参考附图，以示例而非限制的方式在本文呈现了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了一种组合式组件架构，所述组合式组件架构具有一个或多个空气调节组件和一个或多个补充组件。通过利用通过涡轮机膨胀的机舱排出空气向新鲜冲压空气压缩机提供动力和/或利用通过涡轮机的放出空气向新鲜冲压空气压缩机提供动力，一个或多个补充组件可以提供显著的放出空气流量减少。上述补充组件的技术效果和益处包括来自发动机的放出空气的减少和/或由空气调节组件使用的冲压空气的减少（例如，通过减少与由于向冲压回路供应排放气体而导致的冲压空气流量减少相关联的阻力损失，提供飞机燃油消耗的进一步减少）。

现在转向图1，根据一个或多个实施方案描绘了组合式组件架构100的示意图。组合式组件架构100包括容积102、第一空气调节组件107、第二空气调节组件109、至少一个补充组件（由第一补充组件111和第二补充组件113表示），以及混合回路140。

组合式组件架构100是飞机的环境控制系统的示例，所述环境控制系统调节和混合来自不同源的介质（例如，箭头源1和源n，其中‘n’是大于1的整数）并且使用不同的能量源向环境控制系统提供动力并以高燃油消耗效率提供机舱加压和冷却（例如，向容积102提供混合介质）。介质通常可以是空气，而其他示例包括气体和液体。

组合式组件架构100的元件经由阀、管、管道等连接。阀（例如，流量调整装置或质量流量阀）是通过打开、闭合或部分地阻塞组合式组件架构100的管、管道等内的各种通道来调整、引导和/或控制介质流动的装置。阀可由致动器操作，使得组合式组件架构100的任何部分中的介质的流速可被调整至期望值。

根据非限制性实施方案描绘了组合式组件架构100的示意图，如其可以安装在飞机上那样。飞机示例不旨在是限制性的，因为可设想替代的实施方案。

鉴于上述飞机实施方案，第一介质可以是放出空气，所述放出空气是供应到或来源于（从其“放出的”）飞机的发动机或辅助动力单元的加压空气。注意，放出空气的温度、湿度和压力根据压缩机级和发动机的每分钟转数可广泛地变化。通常，本文所述的放出空气是低压空气。容积102可以是飞机机舱内的加压空气或组合式驾驶舱和飞机机舱。通常，本文所述的加压空气处于为飞机上的人员创造安全且舒适的环境的压力下。如图1所示，第一空气调节组件107可以流体连接到第一补充组件111。就这一点而言，可以将由第一空气调节组件107从一个或多个源接收的放出空气供应到第一补充组件111（例如，参见箭头A.1）。此外，第二空气调节组件109可以流体连接到第二补充组件113。就这一点而言，可以将由第二空气调节组件109从一个或多个源接收的放出空气供应到第二补充组件113（例如，参见箭头A.2）。

第二介质可以是新鲜空气，所述新鲜空气可以是被指定进入容积102的外部空气。新鲜空气可由一个或多个斗式机构（诸如冲击斗或冲刷斗）获得。这些斗式机构可被认为是新鲜空气或外部空气入口。通常，本文所述的新鲜空气相对于海拔处于飞机外部的环境压力下。如图1所示，第一补充组件111和第二补充组件113可以流体连接到一个或多个斗式机构（例如，参见圆圈B1和B2）以接收新鲜空气。

可以从容积102获得第三介质。也就是说，第三介质可以是机舱排出空气，所述机舱排出空气可以是离开容积102并倾倒到/排出机外的空气。例如，可以将机舱排出空气供应到目的地，诸如出口。出口的示例可包括但不限于离开组件和/或冲压回路（其设置在机外）后的机外。如图1所示，第一补充组件111和第二补充组件113可以流体连接到容积102（例如，参见圆圈C1和C2）以接收机舱排出空气。

混合回路140是机械配置，所述机械配置组合从第一空气调节组件107和第二空气调节组件109以及从补充组件111和1113流动的条件介质，以将所得组合式条件介质提供给容积102。

第一空气调节组件107和第二空气调节组件109可以单独地执行或从上述介质中提取功以实现不同海拔处所需的某些操作。第一空气调节组件107和第二空气调节组件109可包括冲压回路，所述冲压回路包括包围一个或多个热交换器的壳体。壳体可通过其对应的组件接收并引导介质（诸如本文所述的冲压空气）。一个或多个热交换器是针对从一种介质到另一种介质的高效传热而构造的装置。热交换器的示例包括套管式、壳管式、板式、板壳式、绝热轮式、板翅式、枕板式和流体式换热器。由壳体包围的一个或多个热交换器可称为冲压热交换器。

第一空气调节组件107和第二空气调节组件109可包括压缩装置，所述压缩装置包括压缩机、涡轮机、风扇和轴的各种组合。压缩装置是机械装置，所述机械装置包括用于在介质上执行热力学功的部件。压缩装置的示例包括空气循环机、三轮空气循环机、四轮空气循环机等。第一空气调节组件107和第二空气调节组件109还可包括脱水器、冷凝器等。

第一补充组件111和第二补充组件113可包括压缩机、涡轮机和热交换器的不同布置，所述布置可用于减少第一空气调节组件107和第二空气调节组件109的整体放出空气损失，同时满足飞机的机舱流入要求。现在将参照图2-5描述示例性布置。

图2是根据一个或多个实施方案的补充组件200（例如，图1的第一补充组件111和第二补充组件113中的一个）的示意图。为了便于解释，通过使用相同的标识符，已经重复使用与图1的组合式组件架构100相似的组件200的部件，并且不再作介绍。补充组件200包括涡轮机211、压缩机213（例如，新鲜冲压空气压缩机）和涡轮机215，其中的每一个通过轴219连接。补充组件200包括热交换器217、臭氧转换器221和热交换器222（例如，流出热交换器）。

补充组件200可包括由实线箭头指示的第一介质流动路径。第一介质流动路径可以被认为是放出空气流动路径。根据一个或多个实施方案，放出空气可以从空气调节组件出口231（例如，从图1的第一空气调节组件107和第二空气调节组件109中的一个的涡轮机）流到补充组件出口232（例如，到图1的组合式组件架构100的容积102）。此外，放出空气也可以从空气调节组件出口233（例如，从图1的第一空气调节组件107和第二空气调节组件109中的一个的主热交换器）通过阀235供应到涡轮机211，所述涡轮机211将放出空气提供给补充组件出口232。就这一点而言，例如，涡轮机211流体联接到图1的第一空气调节组件107和第二空气调节组件109中的一个的主热交换器。

补充组件200可包括由虚线箭头指示的第二介质流动路径。第二介质流动路径可被认为是新鲜空气流动路径。根据一个或多个实施方案，新鲜空气可以从外部空气入口241（例如，从一个或多个斗式机构）通过阀243流到压缩机213。新鲜空气可以进一步从压缩机213通过臭氧转换器221和热交换器222和217流到补充组件出口232（经由如图所示的放出空气流动路径）。此外，新鲜空气可以进一步从压缩机213通过阀245流动并返回到压缩机213。

补充组件200可包括由虚线箭头指示的第三介质流动路径。第三介质流动路径可被认为是机舱排出空气流动路径。根据一个或多个实施方案，机舱排出空气从容积102通过阀251流到热交换器222。机舱排出空气可以进一步从热交换器222流到涡轮机215，所述涡轮机215将机舱排出空气提供给热交换器217。此外，机舱排出空气可以进一步从热交换器222通过阀253直接流到热交换器217。注意，机舱排出空气从热交换器217排到补充组件出口255，所述补充组件出口255可以流体联接到排放到机外的冲压回路。

现在将参照模式描述图1的组合式组件架构100和图2的补充组件200的示例性操作。例如，图1的组合式组件架构100和图2的补充组件200可以第一模式或第二模式操作。第一模式可用于低海拔和/或地面操作。当利用第一模式时的状态的其他示例包括诸如地面慢车、滑行、起飞和待机状态的状态。第二模式可用于高海拔操作。当利用第二操作模式时的状态的其他示例包括诸如高海拔巡航、上升和下降飞行状态的状态。

在补充组件200的低海拔操作和/或地面操作中（例如，第一模式），来自飞机的发动机或辅助动力单元的高压高温放出空气进入图1的第一空气调节组件107和第二空气调节组件109中的一个的主热交换器。高压高温放出空气通过冲压空气冷却以产生暖高压放出空气。然后，暖高压放出空气进入图1的第一空气调节组件107和第二空气调节组件109中的一个的空气循环机的离心式压缩机。离心式压缩机进一步对暖高压放出空气加压，并在此过程中对其加热以产生加热加压的放出空气。然后，加热加压的放出空气进入图1的第一空气调节组件107和第二空气调节组件109中的一个的空气循环机的次热交换器，并且通过冲压空气冷却到大约环境温度，所述环境温度产生冷高压空气。这种冷高压空气进入图1的第一空气调节组件107和第二空气调节组件109中的一个的高压水分离器，其中其穿过：再热器，其在再热器处被冷却；冷凝器，其在冷凝器处被来自空气循环机的第一涡轮机的空气冷却；脱水器，其在脱水器处被去除湿气；以及再热器，其在再热器处被加热回与当冷高压空气进入高压水分离器时几乎相同的温度。在离开高压水分离器时，放出空气被认为是暖高压和干燥空气。暖高压和空气进入空气循环机的第一涡轮机，其在所述第一涡轮机处膨胀并提取功，所述第一涡轮机产生随后的放出空气。然后，随后的放出空气进入高压水分离器的冷凝器的冷侧并被加热以产生加热的放出空气。然后，这种加热的放出空气进入空气循环机的第二涡轮机并且被膨胀。注意，来自空气循环机的第一涡轮机和第二涡轮机的功驱动离心式压缩机和空气循环机的风扇两者，所述风扇用于推动冲压空气流过主热交换器和次热交换器。在离开第二涡轮机后，其与再循环空气混合并且然后被送至调节机舱和驾驶舱。在第一模式中，第一补充组件111和第二补充组件113的使用可以是可选的。例如，根据一个或多个实施方案，第一补充组件111和第二补充组件113中的一个或多个可以被关闭或者可以用于将新鲜空气带入机舱中以增加组件出口流量。

在高海拔操作（例如，第二模式）中，图1的第一空气调节组件107和第二空气调节组件109可以与第一模式中的方式大致相同的方式操作。在高海拔操作中，补充组件200可用于提供机舱流入（例如，到容积102的新鲜空气部件）。补充组件200可包括两个能量源：来自空气调节组件出口233的放出空气（例如，来自图1的第一空气调节组件107和第二空气调节组件109中的一个的主热交换器）和来自外部空气入口241（例如，来自一个或多个斗式机构）的机舱排出空气。此外，压缩机213可由放出空气和机舱排出空气涡轮机（例如，涡轮机211和215）两者驱动。压缩机213接收、压缩并加热新鲜空气。加压的外部空气在热交换器222中被冷却并且在热交换器217中被进一步冷却，所述热交换器217接收来自机舱排出涡轮机（例如，涡轮机215）的机舱排出空气。然后，将冷却的外部压力空气供应到机舱（例如，容积102）。来自空气调节组件出口233的放出空气（例如，来自图1的第一空气调节组件107和第二空气调节组件109中的一个的主热交换器）被提供给放出涡轮机（例如，涡轮机211），其在所述放出涡轮机处被膨胀并提取能量。空气在提取能量的过程中被冷却，并且将这种冷却的放出空气供应到机舱（例如，容积102）。另外，机舱排出空气经过流出热交换器并被加热。然后，加热的机舱排出空气由机舱排出涡轮机膨胀并冷却并用于进一步冷却压缩的外部空气。然后，将这种机舱排出空气倾倒到机外或倾倒进冲压空气入口中。取决于海拔，图1的第一空气调节组件107和第二空气调节组件109所需的放出空气量减少40%至60%。

图3是根据一个或多个实施方案的补充组件300（例如，图1的第一补充组件111和第二补充组件113中的一个）的示意图。为了便于解释，通过使用相同的标识符，已经重复使用与图1的组合式组件架构100和/或图2的补充组件200相似的组件300的部件，并且不再作介绍。补充组件300包括第一介质流动路径（例如，放出空气流动路径）上的阀337。因此，补充组件300包括机舱空气排出涡轮机（例如，涡轮机215）和放出涡轮机（例如，涡轮机211）两者。此外，当仅机舱空气排出涡轮机为压缩机213提供动力时，补充组件300可在100%新鲜空气模式下操作。

根据一个或多个实施方案，从空气调节组件出口233（例如，从图1的第一空气调节组件107和第二空气调节组件109中的一个的主热交换器）供应的补充组件300的放出空气流过阀235到涡轮机211。涡轮211可将放出空气提供给阀337。阀337可将放出空气提供给补充组件出口232和/或机舱排出空气流动路径。如图3所示，可在涡轮机215的下游提供放出空气。

图4是根据一个或多个实施方案的补充组件400（例如，图1的第一补充组件111和第二补充组件113中的一个）的示意图。为了便于解释，通过使用相同的标识符，已经重复使用与图1的组合式组件架构100和/或图2的补充组件200及图3的补充组件300相似的组件400的部件，并且不再作介绍。补充组件400包括轴219上的压缩机418，所述轴219是第二介质流动路径（例如，新鲜空气流动路径）的一部分。注意，补充组件400包括机舱空气排出涡轮机（例如，涡轮机215）和放出涡轮机（例如，涡轮机211）两者；可以100%新鲜空气模式运行；并且可提供两个压缩级（例如，经由压缩机213和压缩机418）。

根据一个或多个实施方案，补充组件400的新鲜空气从外部空气入口241（例如，从一个或多个斗式机构）通过阀243供应到压缩机213。压缩机213可将新鲜空气提供给压缩机418。压缩机418可通过臭氧转换器221和热交换器222和217将新鲜空气提供给补充组件出口232（经由如图所示的放出空气流动路径）。此外，新鲜空气可以进一步从压缩机418流过阀245并返回到压缩机213。

图5是根据一个或多个实施方案的补充组件500（例如，图1的第一补充组件111和第二补充组件113中的一个）的示意图。为了便于解释，通过使用相同的标识符，已经重复使用与图1的组合式组件架构100和/或图2的补充组件200、图3的补充组件300及图4的补充组件400相似的组件500的部件，并且不再作介绍。注意，补充组件500不包括联接到任何空气调节组件出口（例如，从图1的第一空气调节组件107和第二空气调节组件109中的一个的主热交换器）的涡轮机。注意，补充组件500确实包括在轴219上的压缩机418，所述轴219是第二介质流动路径（例如，新鲜空气流动路径）的一部分。就这一点而言，补充组件500包括两个压缩级（例如，经由压缩机213和压缩机418）。

根据一个或多个实施方案，马达可以替换图2的补充组件200、图3的补充组件300、图4的补充组件400、图5的补充组件500中的任一个的任何涡轮机211和215。马达可以是用于经由轴219为新鲜空气的压缩提供动力的任何机电装置。

本文参考根据实施方案的方法、设备和/或系统的流程图说明、示意图和/或框图描述了实施方案的各方面。此外，已出于说明目的而呈现了对各个实施方案的描述，但是这些描述并非旨在是详尽的或限于所公开的实施方案。在不脱离所描述的实施方案的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。选择本文使用的术语来最好地解释实施方案的原理、对市场中发现的技术的实际应用或技术改进，或使本领域其他普通技术人员能够理解本文公开的实施方案。

本文使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的，而不旨在是限制性的。如本文所用，除非在上下文另外明确指出，否则单数形式“一个”、“一种”和“该/所述”也旨在包括复数形式。还应理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是并不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件部件和/或它们的组的存在或添加。

本文所描绘的流程图只是一个示例。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种图或步骤（或操作）的许多变化。例如，可以按不同顺序执行所述步骤，或可以增添、删除或修改步骤。所有的这些变化被认为是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)

1.一种组件，其包括：

轴；

压缩机；和

涡轮机，所述涡轮机经由所述轴联接到所述压缩机，

其中所述涡轮机接收并膨胀第一介质以经由所述轴向所述压缩机提供动力，

其中所述压缩机根据由所述涡轮机经由所述轴提供的所述动力接收并压缩第二介质，

其中所述涡轮机流体联接到空气调节系统的热交换器。

2.根据权利要求1所述的组件，其中所述组件包括经由所述轴联接到所述压缩机的第二涡轮机。

3.根据权利要求2所述的组件，其中所述第二涡轮机接收并膨胀第三介质以经由所述轴向所述压缩机提供动力。

4.根据权利要求1所述的组件，其中所述组件包括联接到所述轴的第二压缩机。

5.根据权利要求4所述的组件，其中所述第二压缩机提供所述第二介质的第二压缩级。

6.根据权利要求1所述的组件，其中所述第一介质包括放出空气，

其中所述第二介质包括新鲜空气。

7.根据权利要求1所述的组件，其中所述组件被配置成以第一模式或第二模式操作。

8.根据权利要求7所述的组件，其中所述第一模式用于低海拔或地面操作。

9.根据权利要求7所述的组件，其中所述第二模式用于高海拔操作。

10. 一种系统，其包括：

空气调节组件，所述空气调节组件包括热交换器；和

补充组件，所述补充组件包括轴、压缩机和经由所述轴联接到所述压缩机的涡轮机以及至少一个热交换器，

其中所述涡轮机流体联接到所述热交换器，

其中所述涡轮机接收并膨胀来自所述热交换器的第一介质，

其中所述涡轮机基于所述第一介质的所述膨胀经由所述轴向所述压缩机提供动力，

其中所述压缩机根据由所述涡轮机经由所述轴提供的所述动力接收并压缩第二介质。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述组件包括经由所述轴联接到所述压缩机的第二涡轮机，

其中所述第二涡轮机接收并膨胀第三介质以经由所述轴向所述压缩机提供动力。

12.根据权利要求10所述的系统，其中所述组件包括联接到所述轴的第二压缩机，

其中所述第二压缩机提供所述第二介质的第二压缩级。

13.根据权利要求10所述的系统，其中所述第一介质包括放出空气，

其中所述第二介质包括新鲜空气。

14.根据权利要求10所述的系统，其中所述组件被配置成以第一模式或第二模式操作。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述第一模式用于低海拔或地面操作，

其中所述第二模式用于高海拔操作。