CN110901925A - 一种直升机多舱双制式环境控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直升机多舱双制式环境控制系统，能够实现直升机电子设备舱制冷及座舱制冷、制热的转换，并包含非发动机引气的座舱增压系统，降低了环境控制系统对动力源的影响，提高直升机的机动性能。本发明采用压缩机中间补气技术，一次节流后，部分冷媒流入电子设备舱进行吸热降温，然后以补气方式进入压缩机；剩余冷媒继续节流至更低压力，流入座舱侧蒸发器（制冷时）或环境侧蒸发器（制热时）进行吸热，然后流入压缩机吸气端；可使压缩机排气温度降低，实现高温环境下制冷系统的正常工作，保证环控系统可在全天候、宽工况的环境下有效运行；并回收利用滑油热量和电子设备散热量，实现全机能量实时综合管理，提高了制热效率。
Description
技术领域
本发明属于航空系统技术领域，涉及一种直升机空调系统，特别涉及一种直升机多舱双制式环境控制系统。
背景技术
近年来，直升机在救援、执法、农业、军事、交通运输等军民领域的应用越来越广泛。这是由于其是依靠由涡轴发动机以旋转输出轴的形式提供动力并通过机械传动系统直接驱动旋翼产生升力和推进力的航空器。能完成垂直起落、空中悬停、原地旋转、多方向飞行等多种常规固定翼飞机无法完成的飞行动作。此外发动机停车时它还能利用旋翼自转特性实现安全降落，因此使用起来非常安全。
伴随着直升机的发展，特别是现代军民用直升机，为提高本机的性能，大量采用大功率、高集成度航空电子设备，这些设备工作时要放出大量热量，要保证电子设备正常工作，必须及时将这些热量散发出去，同时，人员对直升机座舱乘座舒适性的期望也越来越高，且直升机常常需要在高温、高湿的恶劣气候条件下飞行，直升机环境控制系统的重要性越来越突出。
20世纪60年代初，直升机上开始安装制冷循环系统，其制冷循环系统主要包括蒸发循环系统和空气循环系统。当时发动机引气的空气循环系统是固定翼飞机环控系统普遍采用的解决方案，重量也比蒸发循环系统轻。因此，在研制直升机环控系统时，人们通常考虑采用空气循环系统。但是相对于蒸发制冷循环，空气循环制冷系统代偿损失大、效率低。随着机载蒸发循环制冷技术近年来的不断发展，系统冷媒泄漏和可靠性较差等问题得到了较好解决，蒸发循环制冷方案以其制冷量大、效率高等优势更适用于直升机机载制冷系统。除此之外，目前直升机上大多利用发动机引气来实现制热，这明显会增加系统的代偿损失。目前的直升机由于飞行高度低，座舱不密闭，不需要座舱增压，固定翼飞机中解决座舱增压的方案主要是空气循环系统，但该系统需要提取大量发动机引气，消耗大量发动机功率。
而未来直升机，尤其是军用直升机，逐渐向着高速、高空、宽工况方向发展，需在座舱密闭时，保证司乘人员的生理需求。另外，为提高直升机机动性能，环境控制系统需尽可能提高效率、减小代偿损失。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供了一种直升机多舱双制式环境控制系统。
本发明是这样实现的：
一种直升机多舱双制式环境控制系统，包含四通换向阀、压缩机、第一风冷换热器、第一风机、板式换热器、滑油泵、第一节流器、第一控制阀、第二风冷换热器、第二风机、第二控制阀、第三控制阀、第二节流器、第三风冷换热器、第三风机、电动压气机、排气活门；
所述四通换向阀包含第一至第四接口，用于使得第一接口和第二接口导通、第三接口和第四接口导通，或使得第一接口和第三接口导通、第二接口和第四接口导通；所述压缩机包含低压吸气入口、中压吸气入口、排气口；所述板式换热器包含冷媒通道、滑油通道；
所述四通换向阀第一接口通过管道和所述第三风冷换热器的一端连接、第二接口通过管道与所述压缩机的低压吸气入口连接、第三接口通过管道和所述压缩机的排气口连接、第四接口通过管道分别和所述第三控制阀的一端、第一风冷换热器的一端连接；
所述压缩机中压吸气入口通过管道和所述第二控制阀的一端连接；
所述第一风冷换热器的另一端通过管道与所述板式换热器冷媒通道的一端连接；所述第一风机设置在所述第一风冷换热器处，用于强化外界环境空气与所述第一风冷换热器中冷媒的换热；
所述板式换热器冷媒通道的另一端通过管道和所述第一节流器的一端连接，板式换热器的滑油通道的一端通过管道依次连接至滑油泵、直升机发动机的齿轮箱、板式换热器滑油通道的另一端；
所述第一节流器的另一端通过管道分别和所述第一控制阀的一端、第三控制阀的一端连接；
所述第一控制阀的另一端通过管道和所述第二风冷换热器的一端连接；
所述第二风冷换热器设置在直升机的电子设备舱内，其另一端通过管道分别和所述第二控制阀的另一端、所述第三控制阀的另一端连接；所述第二风机设置在所述第二风冷换热器处，用于强化电子设备舱内空气与所述第二风冷换热器中冷媒的换热；
所述第三控制阀的另一端通过管道和所述第三风冷换热器的另一端连接；
所述第三风冷换热器设置在直升机座舱内；所述第三风机设置在所述第三风冷换热器处，用于强化座舱内空气与所述第三风冷换热器中冷媒的换热；
所述电动压气机用于将直升机的环境引气压缩至预设的第一压力阈值后、排至座舱；
所述排气活门连接在座舱上，用于在座舱内压力大于预设的第二压力值时打开、将座舱内的空气排至机外。
本发明的有益效果如下：
1. 综合了制冷系统、制热系统及增压系统，可以实现电子设备舱制冷及座舱制冷、制热的转换，并包含非发动机引气的座舱增压系统，降低了环境控制系统对动力源的影响，提高直升机的机动性能；
2. 利用压缩机中间补气技术，一次节流后，部分冷媒流入电子设备舱进行吸热降温，然后以补气方式进入压缩机；剩余冷媒继续节流至更低压力，流入座舱侧蒸发器（制冷时）或环境侧蒸发器（制热时）进行吸热，然后流入压缩机吸气端；可使压缩机排气温度降低，实现高温环境下制冷系统的正常工作，保证环控系统可在全天候、宽工况的环境下有效运行；
3. 回收利用滑油热量和电子设备散热量，实现全机能量实时综合管理。
附图说明
图1为一种直升机多舱双制式环境控制系统制冷模式示意图；
图2为一种直升机多舱双制式环境控制系统制热模式示意图。
图中，1-四通换向阀，2-压缩机，3-第一风冷换热器，4-第一风机，5-板式换热器，6-滑油泵，7-第一节流器，8-第一控制阀，9-第二风冷换热器，10-第二风机，11-第二控制阀，12-第三控制阀，13-第二节流器，14-第三风冷换热器，15-第三风机，16-电动压气机，17-排气活门。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述。以下所述仅为本发明一部分实施例，非全部实施例。基于本发明实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明公开了一种直升机多舱双制式环境控制系统，包含四通换向阀、压缩机、第一风冷换热器、第一风机、板式换热器、滑油泵、第一节流器、第一控制阀、第二风冷换热器、第二风机、第二控制阀、第三控制阀、第二节流器、第三风冷换热器、第三风机、电动压气机、排气活门；
所述四通换向阀包含第一至第四接口，用于使得第一接口和第二接口导通、第三接口和第四接口导通，或使得第一接口和第三接口导通、第二接口和第四接口导通；所述压缩机包含低压吸气入口、中压吸气入口、排气口；所述板式换热器包含冷媒通道、滑油通道；
所述四通换向阀第一接口通过管道和所述第三风冷换热器的一端连接、第二接口通过管道与所述压缩机的低压吸气入口连接、第三接口通过管道和所述压缩机的排气口连接、第四接口通过管道分别和所述第三控制阀的一端、第一风冷换热器的一端连接；
所述压缩机中压吸气入口通过管道和所述第二控制阀的一端连接；
所述第一风冷换热器的另一端通过管道与所述板式换热器冷媒通道的一端连接；所述第一风机设置在所述第一风冷换热器处，用于强化外界环境空气与所述第一风冷换热器中冷媒的换热；
所述板式换热器冷媒通道的另一端通过管道和所述第一节流器的一端连接，板式换热器的滑油通道的一端通过管道依次连接至滑油泵、直升机发动机的齿轮箱、板式换热器滑油通道的另一端；
所述第一节流器的另一端通过管道分别和所述第一控制阀的一端、第三控制阀的一端连接；
所述第一控制阀的另一端通过管道和所述第二风冷换热器的一端连接；
所述第二风冷换热器设置在直升机的电子设备舱内，其另一端通过管道分别和所述第二控制阀的另一端、所述第三控制阀的另一端连接；所述第二风机设置在所述第二风冷换热器处，用于强化电子设备舱内空气与所述第二风冷换热器中冷媒的换热；
所述第三控制阀的另一端通过管道和所述第三风冷换热器的另一端连接；
所述第三风冷换热器设置在直升机座舱内；所述第三风机设置在所述第三风冷换热器处，用于强化座舱内空气与所述第三风冷换热器中冷媒的换热；
所述电动压气机用于将直升机的环境引气压缩至预设的第一压力阈值后、排至座舱；
所述排气活门连接在座舱上，用于在座舱内压力大于预设的第二压力值时打开、将座舱内的空气排至机外。
图1是本发明制冷模式的工作流程，具体如下：
1）制冷过程
制冷模式时，第二风冷换热器9、第三风冷换热器14为蒸发器，第一风冷换热器3为冷凝器，14第一节流器7、第一控制阀8、第二控制阀11、第二节流器13打开，第三控制阀12关闭，压缩机2、第一风机4、第二风机10、第三风机15、电动压气机16工作，滑油泵6不工作。
采用压缩机中间补气技术，将座舱蒸发温度设置低于电子设备舱蒸发温度，第三风冷换热器14的冷媒由四通换向阀1第一接口流入四通换向阀1后，由四通换向阀1第二接口流出进入压缩机2的低压吸气口，部分压缩后在压缩机2的中压吸气口与第二风冷换热器9的冷媒汇合，控制第二风冷换热器9的冷媒状态，可有效降低混合后冷媒的过热度，使排气温度在环境温度较高时，仍处于压缩机可运行工况范围内，保证系统正常工作；
压缩机2的排气口冷媒流入四通换向阀1第三接口后，由四通换向阀1第四接口流出至第一风冷换热器3，在第一风冷换热器3中将热量传给外界空气热沉；
第一风冷换热器3出口的冷媒首先进入第一节流器7中初步节流，然后分成两路，其一路流经第一控制阀8后，流入第二风冷换热器9，在第二风冷换热器9中吸收电子设备舱空气的热量，电子设备舱内空气作为冷源吸收电子设备舱的热负荷后，由第二风机10作为动力回到第二风冷换热器9进行再循环；其二路继续在第二节流器13中节流至更低压力，然后流入第三风冷换热器14，在第三风冷换热器14中吸收座舱空气的热量，座舱内空气作为冷源吸收座舱的热负荷后，由第三风机15作为动力回到第三风冷换热器14进行再循环；
两路冷媒吸热后再分别流回压缩机，实现制冷循环。
2）座舱增压过程
非发动机引气的座舱增压系统主要由环境引气、电动压气机16、排气活门17、座舱压力调节器组成，通过电动压气机16从环境空气引气增压，在座舱回气处与循坏空气汇合后，通过第三风机15流过第三风冷换热器14后，再由座舱压力调节器依据座舱压力制度设定的座舱高度，由排气活门17将全部或部分增压空气排至舱外。
如图2所示，本发明还能够以制热模式工作，与制冷模式不同的是，冷媒的流动方向不同，制热模式时，第三风冷换热器14为冷凝器，第一风冷换热器3、第二风冷换热器9为蒸发器，系统可利用的热源包括：舱外空气、电子设备散热、滑油热量。制热模式的具体流程如下：
1）制热过程
制热过程可分为三种模式：
a.如座舱加热量需求较小，冷媒仅需在第二风冷换热器9中吸收电子设备舱的热量，通过制冷循环，在第三风冷换热器14中将热量传给座舱；
此时，第二节流器13、第一控制阀8、第三控制阀12打开，第一节流器7、第二控制阀11关闭，压缩机2、第二风机10、第三风机15、电动压气机16工作，第一风机4、滑油泵6不工作；
第二风冷换热器9的冷媒流经第三控制阀12后，由四通换向阀1第四接口流入四通换向阀1，由四通换向阀1第二接口流出进入压缩机2的低压吸气口，经压缩机2压缩后，压缩机2的排气口冷媒流入四通换向阀1第三接口，再由四通换向阀1第一接口流出至第三风冷换热器14，在第三风冷换热器14中将热量传给座舱空气，升温后的冷媒在第二节流器13中节流后，流回第二风冷换热器9，实现制热循环；
b.如座舱加热量需求较大，冷媒在第一风冷换热器3中吸收环境空气的热量，在第二风冷换热器9中吸收电子设备舱的热量，通过制冷循环，在第三风冷换热器14中将热量传给座舱；
此时，第一节流器7、第二节流器13、第一控制阀8、第二控制阀11打开，第三控制阀12关闭，压缩机2、第一风机4、第二风机10、第三风机15、电动压气机16工作，滑油泵6不工作；
第一风冷换热器3的冷媒由四通换向阀1第四接口流入四通换向阀1后，由四通换向阀1第二接口流出进入压缩机2的低压吸气口，部分压缩后在压缩机2的中压吸气口与第二风冷换热器9的冷媒汇合，控制第二风冷换热器9的冷媒状态，可有效降低混合后冷媒的过热度，使排气温度在环境温度较高时，仍处于压缩机可运行工况范围内，保证系统正常工作；
压缩机2的排气口冷媒流入四通换向阀1第三接口后，由四通换向阀1第一接口流出至第三风冷换热器14，在第三风冷换热器14中将热量传给座舱空气，升温后的冷媒首先进入第二节流器13中初步节流，然后分成两路，其一路流经第一控制阀8后，流入第二风冷换热器9，在第二风冷换热器9中吸收电子设备舱空气的热量，电子设备舱内空气作为冷源吸收电子设备舱的热负荷后，由第二风机10作为动力回到第二风冷换热器9进行再循环；其二路继续在第一节流器7中节流至更低压力，然后流经板式换热器5后，流入第一风冷换热器3，在第一风冷换热器3中吸收外界环境空气的热量，外界环境空气由第一风机4提供动力；实现制热循环；
c.当环境温度较低时，制热循环的能效比较小，启动滑油泵6，滑油热循环开启，冷媒在在第一风冷换热器3中吸收环境空气的热量，板式换热器5中吸收滑油的热量，在第二风冷换热器9中吸收电子设备舱的热量，通过蒸发循环系统，在第三风冷换热器14中将热量传给座舱；
此时，第一节流器7、第二节流器13、第一控制阀8、第二控制阀11打开，第三控制阀12关闭，压缩机2、第一风机4、第二风机10、第三风机16、电动压气机17、滑油泵6工作；
第一风冷换热器3的冷媒由四通换向阀1第四接口流入四通换向阀1后，由四通换向阀1第二接口流出进入压缩机2的低压吸气口，部分压缩后在压缩机2的中压吸气口与第二风冷换热器9的冷媒汇合，控制第二风冷换热器9的冷媒状态，可有效降低混合后冷媒的过热度，使排气温度在环境温度较高时，仍处于压缩机可运行工况范围内，保证系统正常工作；
压缩机2的排气口冷媒流入四通换向阀1第三接口后，由四通换向阀1第一接口流出至第三风冷换热器14，在第三风冷换热器14中将热量传给座舱空气，升温后的冷媒首先进入第二节流器13中初步节流，然后分成两路，其一路流经第一控制阀8后，流入第二风冷换热器9，在第二风冷换热器9中吸收电子设备舱空气的热量，电子设备舱内空气作为冷源吸收电子设备舱的热负荷后，由第二风机10作为动力回到第二风冷换热器9进行再循环；其二路继续在第一节流器7中节流至更低压力，然后流入板式换热器5，在板式换热器5中吸收滑油的热量，再流入第一风冷换热器3，在第一风冷换热器3中吸收外界环境空气的热量，外界环境空气由第一风机4提供动力；实现制热循环；
2）座舱增压过程
非发动机引气的座舱增压系统主要由环境引气、电动压气机16、排气活门17、座舱压力调节器组成，通过电动压气机16从环境空气引气增压，在座舱回气处与循坏空气汇合后，通过第三风机15流过第三风冷换热器14后，再由座舱压力调节器依据座舱压力制度设定的座舱高度，由排气活门17将全部或部分增压空气排至舱外。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种直升机多舱双制式环境控制系统，其特征在于，包含四通换向阀（1）、压缩机（2）、第一风冷换热器（3）、第一风机（4）、板式换热器（5）、滑油泵（6）、第一节流器（7）、第一控制阀（8）、第二风冷换热器（9）、第二风机（10）、第二控制阀（11）、第三控制阀（12）、第二节流器（13）、第三风冷换热器（14）、第三风机（15）、电动压气机（16）、排气活门（17）；
所述四通换向阀（1）包含第一至第四接口，用于使得第一接口和第二接口导通、第三接口和第四接口导通，或使得第一接口和第三接口导通、第二接口和第四接口导通；所述压缩机（2）包含低压吸气入口、中压吸气入口、排气口；所述板式换热器（5）包含冷媒通道、滑油通道；
所述四通换向阀（1）第一接口通过管道和所述第三风冷换热器（14）的一端连接、第二接口通过管道与所述压缩机（2）的低压吸气入口连接、第三接口通过管道和所述压缩机（2）的排气口连接、第四接口通过管道分别和所述第三控制阀（12）的一端、第一风冷换热器（3）的一端连接；
所述压缩机（2）中压吸气入口通过管道和所述第二控制阀（11）的一端连接；
所述第一风冷换热器（3）的另一端通过管道与所述板式换热器（5）冷媒通道的一端连接；所述第一风机（4）设置在所述第一风冷换热器（3）处，用于强化外界环境空气与所述第一风冷换热器（3）中冷媒的换热；
所述板式换热器（5）冷媒通道的另一端通过管道和所述第一节流器（7）的一端连接，板式换热器（5）的滑油通道的一端通过管道依次连接至滑油泵（6）、直升机发动机的齿轮箱、板式换热器（5）滑油通道的另一端；
所述第一节流器（7）的另一端通过管道分别和所述第一控制阀（8）的一端、第三控制阀（13）的一端连接；
所述第一控制阀（8）的另一端通过管道和所述第二风冷换热器（9）的一端连接；
所述第二风冷换热器（9）设置在直升机的电子设备舱内，其另一端通过管道分别和所述第二控制阀（11）的另一端、所述第三控制阀（12）的另一端连接；所述第二风机（10）设置在所述第二风冷换热器（9）处，用于强化电子设备舱内空气与所述第二风冷换热器（9）中冷媒的换热；
所述第三控制阀（13）的另一端通过管道和所述第三风冷换热器（14）的另一端连接；
所述第三风冷换热器（14）设置在直升机座舱内；所述第三风机（15）设置在所述第三风冷换热器（14）处，用于强化座舱内空气与所述第三风冷换热器（14）中冷媒的换热；
所述电动压气机（16）用于将直升机的环境引气压缩至预设的第一压力阈值后、排至座舱；
所述排气活门（17）连接在座舱上，用于在座舱内压力大于预设的第二压力值时打开、将座舱内的空气排至机外。
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- 2019-10-16 CN CN201910981724.1A patent/CN110901925B/zh active Active
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