CN113353268B - 采用离心压气机增压冲压空气补气的半闭式空气循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种采用离心压气机增压冲压空气补气的半闭式空气循环系统，主要由动力涡轮、第一级压气机、第二级压气机、冷却涡轮、三股流换热器、回热器、冷凝器、水分离器等组成；该系统利用发动机引气直接驱动动力涡轮输出轴功带动半闭式系统工作，取消了经典引气系统的预冷和减压部件，相同制冷能力下减少了发动机引气量和系统整体重量；实现了发动机引气系统与空气循环系统隔离，隔绝了发动机功率状态变化对空气循环系统的影响，提高了空气循环系统的可靠性；座舱供气采用开式系统，由舱外冲压空气为座舱补气，减少了进入座舱空气的污染环节，提高了舱内的空气品质，依据舱内热负荷适时调节空气循环系统的制冷量，可以进一步减少发动机引气量。

Description

采用离心压气机增压冲压空气补气的半闭式空气循环系统

技术领域

本发明涉及一种采用冲压空气补气的半闭式空气循环系统，属于飞行器环境控制领域。

背景技术

目前，飞机上采用的空气循环系统中的制冷组件主要有简单通风式，二轮升压式，三轮升压式和四轮升压式等，由发动机直接引气，引气经过制冷组件后为座舱和电子设备舱提供冷量，主要存在以下问题：

（1）大多数发动机功率状态下，发动机引气的温度和压力较高，引气系统中一般设置预冷器、绝对压力调节器等部件，对引气进行降温、降压处理以适应空气循环系统的使用，这会造成引气能量的无谓浪费，发动机有效功率得不到充分利用，代偿损失较大。

（2）发动机引气存在被滑油蒸气污染的可能，被污染的引气经空气循环系统进入座舱，会导致座舱空气品质变差，影响机上人员身体健康及工作效率。

（3）在发动机功率状态发生剧烈变化时，空气循环系统进口空气压力会产生较大波动，从而对空气循环系统运行造成冲击，降低空气循环系统产品的可靠性。

（4）经典的空气循环系统一般为开式系统，制冷后的空气进入座舱和电子设备舱后直接排出机外，引气消耗大。

发明内容

本发明是为了解决现有空气循环系统所存在的不足而提出一种采用离心压气机增压冲压空气补气的半闭式空气循环系统。该系统利用发动机引气来驱动动力涡轮带动压气机工作，提高了发动机引气能量利用效率，降低引气量；采用冲压空气补气，实现了发动机引气和空气循环系统隔绝，保障座舱内较高的空气品质，提高系统的可靠性；电子设备舱采用闭式循环，增加了冷量回收环节，提高能量利用率；在高空飞行时，以冲压空气为热沉由三股流换热器为电子设备舱提供冷量，降低制冷能耗。

本发明采用如下技术方案：

一种采用离心压气机增压冲压空气补气的半闭式空气循环系统，包括动力涡轮、第一级压气机、第二级压气机和冷却涡轮；

所述的动力涡轮利用发动机引气驱动，进出口管路上分别设置第一阀门和第二阀门；

所述的第一级压气机进口与冲压空气连接，采用冲压空气补气；第一级压气机出口设置冷路和热路；冷路上依次设置第三阀门、初级换热器、第二级压气机、次级换热器、回热器、冷凝器和水分离器；

所述回热器的出口与冷却涡轮连接，所述冷却涡轮的出口与所述冷凝器连接；

所述冷凝器的出口分别与三股流换热器和座舱连接；冷路中经过三股流换热器后的回风与经过初级换热器后的新风混合进入第二级压气机，之后空气进入所述次级换热器降温，之后经过所述回热器与所述水分离器出口的空气换热；再经过所述冷凝器与所述冷却涡轮出口的空气换热；然后进入所述水分离器进行除水，然后与所述回热器进行换热后进入所述冷却涡轮；

热路上设置第四阀门，热路出口与座舱连接；进入座舱的空气直接排出，排气管上设置第五阀门；

所述冷凝器与三股流换热器连接管路上设置第六阀门，与座舱连接管路上设置第七阀门；

所述的初级换热器、次级换热器和三股流换热器位于冷风道中，冷风道上设置可调风门；

所述的三股流换热器用于实现冷却空气、冲压空气和电子设备载冷剂三股流体直接换热。

进一步的，所述的动力涡轮、第一级压气机、第二级压气机和冷却涡轮同轴设置，且采用空气动压轴承。

进一步的，所述的动力涡轮设置可调节喷嘴环，所述的第一级压气机和第二级压气机设置可调扩压器。

进一步的，所述的动力涡轮连接有引射器，所述引射器设置在冷风道中。

本发明具有如下有益效果：

（1）利用发动机引气驱动动力涡轮，避免了预冷器、减压阀带来的能量损失，提高了发动机引气能量利用效率，降低引气量；

（2）采用冲压空气补气，实现了发动机引气和空气循环系统隔离，保障座舱内较高的空气品质，且提高空气循环系统的可靠性；

（3）座舱采用开式系统，保障空气品质；电子设备舱采用闭式循环，制冷量大、除水量小，且可充分利用回风中的冷量，提高了能量利用效率；

（4）利用三股流换热器，可实现空气循环制冷和大气环境供冷两种模式；当地面及低空飞行时，利用空气循环为电子设备制冷；高空飞行时，低温的冲压空气为电子设备载冷剂供冷，降低制冷能耗；

（5）动力涡轮具有可调节喷嘴面，压气机具有可调扩压器，依据热负荷和座舱压力制度可实现离心压气机压比和流量的匹配，提供系统调节性能；

（6）动力涡轮后设置引射器，既充分利用发动机引气能量，又解决了地面冷风道空气流量的问题。

附图说明

图1为本发明的结构原理图；

图2为地面及低空飞行座舱及电子设备均需制冷时运行原理图；

图3为高空飞行座舱需加热、电子设备需制冷时运行原理图；

图4为动力涡轮和冷却涡轮分体设计原理图；

图5为电机驱动的半闭式空气循环系统原理图；

图6为座舱回风的半闭式空气循环系统原理图；

图7为独立的开式循环与闭式循环系统原理图；

图中：

1－第一阀门；2－第二阀门；3－动力涡轮；4－第四阀门；5－第一级压气机；6－初级换热器；7－第二级压气机；8－次级换热器；9－回热器；10－冷凝器；11－水分离器；12－冷却涡轮；13－第六阀门；14－三股流换热器；15－第七阀门；16－第五阀门；17－可调风门；18－座舱；19－第三阀门；20－引射器；21－电机；22－风扇。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1为本发明的结构原理图，如图1所示，本实施例提供一种采用离心压气机增压冲压空气补气的半闭式空气循环系统，整个系统包括动力涡轮3、第一级压气机5、第二级压气机7和冷却涡轮12。

动力涡轮3利用发动机引气驱动，进出口管路上分别设置第一阀门1和第二阀门2；所述的第一级压气机5进口与冲压空气连接，采用新鲜的冲压空气补气，保障座舱内空气新鲜；第一级压气机5出口设置冷路和热路；冷路上依次设置阀门19、初级换热器6、第二级压气机7、次级换热器8、回热器9、冷凝器10和水分离器11；冷路出口分别与三股流换热器14和座舱18连接；冷路与三股流换热器14连接管路上设置第六阀门13，与座舱18连接管路上设置第七阀门15；冷路中经过三股流换热器14后的回风与经过初级换热器6后的新风混合进入第二级压气机7；热路上设置第四阀门4，热路出口与座舱18连接；进入座舱18的空气直接排出，排气管上设置第五阀门16；所述的初级换热器6、次级换热器8和三股流换热器14位于冷风道中，冷风道上设置可调风门17。

如图2所示，该系统在地面及低空飞行时座舱及电子设备都需要制冷，此时第四阀门4关闭，热路断开。发动机引气经过第一阀门1后进入动力涡轮3，之后通过第二阀门2排入大气。外界的新鲜冲压空气进入由动力涡轮3驱动的第一级压气机5增压，之后通过第三阀门19后进入初级换热器6进行降温。初级换热器6出口的新鲜空气与来自三股流换热器14的回风混合进入第二级压气机7增压，之后空气进入次级换热器8降温。之后经过回热器9与水分离器11出口的空气换热；再经过冷凝器10与冷却涡轮12出口的空气换热；然后进入水分离器11进行除水，之后与回热器9进行换热后，进入冷却涡轮12，防止冷却涡轮12发生液击。冷却涡轮12出口进入冷凝器10之后分为两路，一路通过第七阀门15进入座舱18进行制冷，之后通过第五阀门16排出；另一路经过第六阀门13在三股流换热器14中冷却电子设备载冷剂，出口回风与初级换热器6出口的空气混合重进循环。此时，三股流换热器14所处的冷风道中的可调风门17关闭，防止冷量散入冷风道的冲压空气中。

另外，当该系统高空飞行时，座舱需要加热，电子设备需要制冷时，此时第六阀门13、第七阀门15、第三阀门19关闭，第四阀门4打开，工作原理如图3所示。此时，外界的冲压空气进入由动力涡轮3驱动的第一级压气机5增压升温，之后经过第四阀门4进入座舱18为座舱加热，之后通过第五阀门16排出。此时，空气循环制冷系统关闭，第二级压气机7和冷却涡轮12停止工作。此时，三股流换热器14所处的冷风道中的可调风门17打开，外界低温的冲压空气在三股流换热器14中直接冷却电子设备载冷剂，实现了自然制冷。

进一步地，动力涡轮3、第一级压气机5、第二级压气机7和冷却涡轮12也可以非同轴/分体设计，降低系统匹配的难度。此时，动力涡轮3和第一级压气机5同轴，第二级压气机7和冷却涡轮12同轴设置，如图4所示。此种形式适用于对已有空气循环制冷系统的改造升级，只需要在原开式三轮升压系统（冷却涡轮-压气机-风扇）基础上，加装动力涡轮-压气机即可。

如图5所示此种采用离心压气机增压冲压空气补气的半闭式空气循环系统还可以采用高速电机驱动。取消动力涡轮3，利用高速电机21驱动压气机进行制冷循环。此时，需要加装电动风扇22，解决地面空气流量不足问题。

如图6所示，可将该系统应用于运输机/客机等以座舱制冷为主的飞机上，此时，将座舱设置为半闭式空气循环系统，座舱排气的小部分通过第五阀门16排出机外，大部分通过第六阀门13回风，回风与新风混合进入二级压气机7。此时，冲压空气补充的新风只需要满足座舱人员最低新风要求和座舱漏气即可，需要的新风量/冲压空气量少，空气循环系统制冷量大、除水量小，制冷能耗低。

如图7所示，上述的半闭式循环也两个独立的循环：一个开式循环为座舱补充新风，一个闭式循环为座舱和电子设备制冷，此时，闭式循环效率高、制冷量大、无需除水。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种采用离心压气机增压冲压空气补气的半闭式空气循环系统，其特征在于：包括动力涡轮（3）、第一级压气机（5）、第二级压气机（7）和冷却涡轮（12）；

所述的动力涡轮（3）利用发动机引气驱动，进出口管路上分别设置第一阀门（1）和第二阀门（2）；

所述的第一级压气机（5）进口与冲压空气连接，采用冲压空气补气；第一级压气机（5）出口设置冷路和热路；冷路上依次设置第三阀门（19）、初级换热器（6）、第二级压气机（7）、次级换热器（8）、回热器（9）、冷凝器（10）和水分离器（11）；

所述回热器（9）的出口与冷却涡轮（12）连接，所述冷却涡轮（12）的出口与所述冷凝器（10）连接；

所述冷凝器（10）的出口分别与三股流换热器（14）和座舱（18）连接；冷路中经过三股流换热器（14）后的回风与经过初级换热器（6）后的新风混合进入第二级压气机（7），之后空气进入所述次级换热器（8）降温，之后经过所述回热器（9）与所述水分离器（11）出口的空气换热；再经过所述冷凝器（10）与所述冷却涡轮（12）出口的空气换热；然后进入所述水分离器（11）进行除水，然后与所述回热器（9）进行换热后进入所述冷却涡轮（12）；

热路上设置第四阀门（4），热路出口与座舱（18）连接；进入座舱（18）的空气直接排出，排气管上设置第五阀门（16）；

所述冷凝器（10）与三股流换热器（14）连接管路上设置第六阀门（13），与座舱（18）连接管路上设置第七阀门（15）；

所述的初级换热器（6）、次级换热器（8）和三股流换热器（14）位于冷风道中，冷风道上设置可调风门（17）；

所述的三股流换热器（14）用于实现冷却空气、冲压空气和电子设备载冷剂三股流体直接换热。

2.如权利要求1所述的一种采用离心压气机增压冲压空气补气的半闭式空气循环系统，其特征在于，所述的动力涡轮（3）、第一级压气机（5）、第二级压气机（7）和冷却涡轮（12）同轴设置，且采用空气动压轴承。

3.如权利要求1所述的一种采用离心压气机增压冲压空气补气的半闭式空气循环系统，其特征在于，所述的动力涡轮（3）设置可调节喷嘴环，所述的第一级压气机（5）和第二级压气机（7）设置可调扩压器。

4.如权利要求1所述的一种采用离心压气机增压冲压空气补气的半闭式空气循环系统，其特征在于，所述的动力涡轮（3）连接有引射器（20），所述引射器（20）设置在冷风道中。

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