CN114562444A - 一种高空宽工况变级式空气增压系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高空宽工况变级式空气增压系统，包括，第一空压机、第三排气阀、第二空压机、第四排气阀、第五排气阀、第三空压机、第六排气阀、中冷器依次串联；第一排气阀一端连接于第一空压机与第三排气阀之间，第一排气阀另一端连接于第六排气阀与中冷器之间；第二排气阀一端连接于第四排气阀与第五排气阀之间，第二排气阀另一端连接于第一排气阀与中冷器之间，且第二排气阀与第一排气阀并联；第七排气阀一端连接于第三排气阀与第二空压机之间；第八排气阀一端连接于第五排气阀与第三空压机之间。通过上述技术方案，能够有效解决在海拔高度变化的复杂工况环境下的变级式空气增压技术缺陷问题。

Description

一种高空宽工况变级式空气增压系统

技术领域

本发明涉及空气增压技术领域，特别涉及一种高空宽工况变级式空气增压系统。

背景技术

空气增压系统的主要工作是对空气等气体进行增压，以满足工业生产或机械动力需求，并被广泛应用于工业领域。

海拔高度的变化会直接影响空压机的正常运行，传统空气增压系统难以满足高空环境要求。我国幅员辽阔、地貌多样，海拔高度跨度巨大，随着海拔高度的提升，空气变得稀薄，空气压力及密度随之降低，使得空压机的压缩比增大、转速升高甚至超速，同时受高海拔下冷却效果变差的影响，空压机的电机温升增大，空压机的效率与寿命显著下降。因此传统空压机的运行条件必须限定在一定范围的海拔高度之内，或仅适用于普通地区，或特别针对高海拔区域设计，使用在海拔高度跨度大的环境下存在运行负载不匹配、损耗增加、效率低下等问题，无法满足高空复杂工况下的运行要求。

目前空压机在高空运行条件下仍存在着不足之处，传统基于单空压机的空气增压系统，在一个蜗壳内通过级联多个共轴的叶轮实现高压输出，增压比有限，限制了飞行高度。且由于工况设计点固定、可控量单一无法实现宽工况高效率运行，效率变化范围约30～70％，空压机低效率运行时损失了大量能量，同时需要更多的冷却能量，使系统重量增加、效率降低。

发明内容

为解决上述现有技术中所存在的传统空气增压系统固有的增压比有限、运行负载不匹配及海拔、气压变化致使运行效率降低等问题，本发明提供一种高空宽工况变级式空气增压系统及控制方法，能够有效解决在海拔高度变化的复杂工况环境下的变级式空气增压技术缺陷问题。

为了实现上述技术目的，本发明提供了如下技术方案：

一种高空宽工况变级式空气增压系统，包括：

空压机、排气阀及中冷器，其中所述空压机包括第一空压机、第二空压机、第三空压机，所述排气阀包括第一排气阀、第二排气阀、第三排气阀、第四排气阀、第五排气阀、第六排气阀、第七排气阀、第八排气阀；

所述第一空压机、第三排气阀、第二空压机、第四排气阀、第五排气阀、第三空压机、第六排气阀、中冷器依次串联；

所述第一排气阀一端连接于所述第一空压机与所述第三排气阀之间，所述第一排气阀另一端连接于第六排气阀与中冷器之间；

所述第二排气阀一端连接于所述第四排气阀与所述第五排气阀之间，所述第二排气阀另一端连接于所述第一排气阀与所述中冷器之间，且所述第二排气阀与第一排气阀并联；

所述第七排气阀一端连接于第三排气阀与第二空压机之间；

所述第八排气阀一端连接于第五排气阀与第三空压机之间。

可选的，所述系统还包括控制单元，所述控制单元用于对所述飞机运行阶段进行判断，并根据判断结果对所述排气阀进行控制以实现空压机的不同状态运行；其中所述飞机运行阶段包括滑行阶段、爬升阶段、巡航阶段及下降阶段。

可选的，当所述控制单元中判断结果为滑行阶段时，控制所述排气阀进行控制以实现空压机单独运行，其中空压机单独运行包括第一空压机单独运行、第二空压机单独运行及第三空压机单独运行；

所述第一空压机单独运行时，所述第一排气阀开启，所述第二排气阀、第三排气阀、第四排气阀、第五排气阀、第六排气阀、第七排气阀、第八排气阀关闭。

所述第二空压机单独运行时，所述第二排气阀、所述第四排气阀、所述第七排气阀开启，所述第一排气阀、第三排气阀、第五排气阀、第六排气阀、第八排气阀关闭。

所述第三空压机单独运行时，所述第六排气阀、所述第八排气阀开启，第一排气阀、第二排气阀、第三排气阀、第四排气阀、第五排气阀、第七排气阀关闭。

可选的，当所述控制单元中判断结果为爬升阶段时，控制所述排气阀开启关闭以实现空压机并联运行；所述并联运行包括第一空压机与所述第二空压机并联运行、第一空压机与所述第三空压机并联运行、第二空压机与所述第三空压机并联运行及第一空压机、所述第二空压机与所述第三空压机并联运行；

所述第一空压机与所述第二空压机并联运行时，第一排气阀、第二排气阀、第四排气阀、第七排气阀开启，第三排气阀、第五排气阀、第六排气阀、第八排气阀关闭；

所述第一空压机与所述第三空压机并联运行时，

第一排气阀、第六排气阀、第八排气阀开启，第二排气阀、第三排气阀、第四排气阀、第五排气阀、第七排气阀关闭；

所述第二空压机与所述第三空压机并联运行时，

第二排气阀、第四排气阀、第六排气阀、第七排气阀、第八排气阀开启，第一排气阀、第三排气阀、第五排气阀关闭；

所述第一空压机、所述第二空压机与所述第三空压机并联运行时，

第一排气阀、第二排气阀、第四排气阀、第六排气阀、第七排气阀、第八排气阀开启，第三排气阀、第五排气阀关闭。

可选的，当所述控制单元中判断结果为巡航阶段时，控制所述排气阀进行控制以实现空压机单独运行串联运行，其中串联运行包括第一空压机与所述第二空压机串联运行、第二空压机与所述第三空压机串联运行及第一空压机、所述第二空压机与所述第三空压机串联运行；

当所述第一空压机与所述第二空压机串联运行时，

第二排气阀、第三排气阀、第四排气阀开启，第一排气阀、第五排气阀、第六排气阀、第七排气阀、第八排气阀关闭；

当所述第二空压机与所述第三空压机串联运行时，

第四排气阀、第五排气阀、第六排气阀、第七排气阀开启，第一排气阀、第二排气阀、第三排气阀、第八排气阀关闭；

当所述第一空压机、所述第二空压机与所述第三空压机串联运行时，第三排气阀、第四排气阀、第五排气阀、第六排气阀开启，第一排气阀、第二排气阀、第七排气阀、第八排气阀关闭。

可选的，当所述控制单元中判断结果为下降阶段时，控制所述排气阀逐级减少串联运行空压机的个数。

可选的，所述空压机均为离心式空压机。

本发明具有如下技术效果：

本发明可适应跨海拔高度下宽工况运行。该变级式空气增压系统充分利用每个空压机的气压、流量和效率特性，满足不同高度和负载工况需求，可广泛应用于各种高空应用场合，且本发明的运行效率较普通增压系统有较大提升，同时在高空域的功率密度优势明显。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施的变级式空气增压系统结构示意图。

其中，1-第一空压机；2-第二空压机；3-第三空压机；4-第一排气阀；5-第二排气阀；6-第三排气阀；7-第四排气阀；8-第五排气阀；9-第六排气阀；10-第七排气阀；11-第八排气阀；12-中冷器。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

为解决传统空气增压系统固有的增压比有限、运行负载不匹配及海拔、气压变化致使运行效率降低的问题，本发明提供了一种高空宽工况变级式空气增压系统及控制方法，解决了国内在海拔高度变化的复杂工况环境下的变级式空气增压技术缺陷问题，可根据海拔高度变化调节空压机的工作模态，在不同负载需求下充分提升系统工作效能，可广泛应用于各类高空增压系统中，比如高空燃料电池、航空发动机等。

本发明所述的高空宽工况变级式空气增压系统具体包括：三级空压机、八个排气阀门、输气管道及其相应冷却加湿装置。所述的输气管道由一条主管道与一条副管道连接而成，同时具备3个进气口与1个排气口；所述的三个空压机分别为规格型号相同或不同的离心式空压机；所述的排气阀门为电子排气阀，其开关过程受驱动控制模块的调节。

进一步地，所述的输气管道副管道与主管道之间具备3个气体流通通道，前两个通道分别作为1、2级空气增压的进气口，第三个通道作为副管道的出气口，输气管道总体形成“∞”形连接结构。

进一步地，所述的空压机分别作为系统的1、2、3级增压环节安装在主输气管道的入口后、中间段与出口前三处。

进一步地，所述的电子排气阀门分别安装在副管道的前两级进气口处、主管道的后两级进气口处、主管道的1、2级增压环节末端以及第2级空压机和第3级空压机之后。

本实例涉及航空机载空气增压技术领域，提供了一种高空变级式空气增压系统结构，如图1所示。该空气增压系统中包括三个空压机：第一空压机1、第二空压机2、第三空压机3，通过八个排气阀门第一排气阀4、第二排气阀5、第三排气阀6、第四排气阀7、第五排气阀8、第六排气阀9、第七排气阀10、第八排气阀11组合切换实现空压机的串、并联工作方式，构成三级式结构。根据不同的串、并联工作方式划分，该系统具有10种工作模态，即第一空压机1单独运行、第二空压机2单独运行、第三空压机3单独运行、第一空压机1与第二空压机2并联运行、第一空压机1与第三空压机3并联运行、第二空压机2与第三空压机3并联运行、第一空压机1与第二空压机2与第三空压机3同时并联运行、第一空压机1与第二空压机2串联运行、第二空压机2与第三空压机3串联运行、第一空压机1与第二空压机2与第三空压机3依次串联运行。10种工作模态的运行特性均不相同，以适应不同高度、负载工况条件需求的气压和流量。此外，三个空压机互为余度，其中一个空压机故障，空气增压系统通过另外两个空压机的串、并联，仍具有一定的气压和流量输出能力，在损失部分性能的情况下保障机载动力系统稳定工作。

第一空压机1后串联有第二空压机2，同时并联输气管道；第二空压机2后串联有第三空压机3，同时并联输气管道；第三空压机3与前两级空压机的输气管道并联后，串连接中冷器12后输出系统。另外配置有控制单元可控制排气阀关闭或开启以及控制相应的阀门开启角度，实现串、并联工作方式的切换。本发明根据每个模态下空气增压系统的运行特性，结合其高度-转速-气压-效率云图以及稳定运行包线变化规律，使整个增压系统工作在最优工作模态下，并不断调节空压机的转速和阀门开度使每个空压机均工作于高效率区间。

当航空飞机处于地面滑行阶段，负载需求功率较小，负载对气压和流量需求小，空气增压系统运行于单个空压机独立运行模态，具体包括：低压级空压机第一空压机1单独运行、中压级空压机第二空压机2单独运行、高压级空压机第三空压机3独立运行三种运行方式，其中优先低压级空压机1单独运行方式。

进一步地，第一空压机1单独运行时，第一排气阀4处于开启状态，通过控制单元可调节其阀门开度，其余排气阀：第二排气阀5、第三排气阀6、第四排气阀7、第五排气阀8、第六排气阀9、第七排气阀10、第八排气阀11均处于关闭状态；第二空压机2独立运行时，第二排气阀5、第四排气阀7、第七排气阀10处于开启状态，通过控制单元可调节第二排气阀5的阀门开度，其余排气阀：第一排气阀4、第三排气阀6、第五排气阀8、第六排气阀9、第八排气阀11均处于关闭状态；第三空压机3独立运行时，第六排气阀9、第八排气阀11处于开启状态，通过控制单元可调节第六排气阀9的阀门开度，其余第一排气阀4、第二排气阀5、第三排气阀6、第四排气阀7、第五排气阀8、第七排气阀10均处于关闭状态。

当飞机处于起飞、低空爬升阶段负载需求功率增大，由于该阶段的海拔高度相对较低，空气增压系统工作在多个空压机并联模态，根据可实现的空气增压比从小到大具体包括：第一空压机1与第二空压机2并联运行、第一空压机1与第三空压机3并联运行、第二空压机2与第三空压机3并联运行、第一空压机1、第二空压机2与第三空压机3同时并联运行四种运行方式，在满足设备负载需求的条件下，优先使用低、中压级空压机并联运行方式进行工作，其余工作方式可作为后备使用。

进一步地，第一空压机1与第二空压机2并联运行时，第一排气阀4、第二排气阀5、第四排气阀7、第七排气阀10处于开启状态，通过控制单元可调节第一排气阀4和第二排气阀5的阀门开度，其余排气阀：第三排气阀6、第五排气阀8、第六排气阀9、第八排气阀11均处于关闭状态；第一空压机1与第三空压机3并联运行时，第一排气阀4、第六排气阀9、第八排气阀11处于开启状态，通过控制单元可调节第一排气阀4和第六排气阀9的阀门开度，其余排气阀：第二排气阀5、第三排气阀6、第四排气阀7、第五排气阀8、第七排气阀10均处于关闭状态；第二空压机2与第三空压机3并联运行时，第二排气阀5、第四排气阀7、第六排气阀9、第七排气阀10、第八排气阀11处于开启状态，通过控制单元可调节第二排气阀5和第六排气阀9的阀门开度，其余排气阀：第一排气阀4、第三排气阀6、第五排气阀8均处于关闭状态；第一空压机1、第二空压机2与第三空压机3同时并联运行时，第一排气阀4、第二排气阀5、第四排气阀7、第六排气阀9、第七排气阀10、第八排气阀11处于开启状态，通过控制单元可调节第一排气阀4、第二排气阀5和第六排气阀9的阀门开度，其余排气阀：第三排气阀6、第五排气阀8处于关闭状态。

当飞机处于高空巡航阶段，环境气压小、飞行需求功率减小，空气增压系统工作在多个空压机串联模态：第一空压机1与第二空压机2串联运行、第二空压机2与第三空压机3串联运行、第一空压机1、第二空压机2与第三空压机3依次串联运行三种运行方式，分别适用于飞机巡海海拔相对较低、海拔相对较高、海拔极高的三类空域。

进一步地，第一空压机1与第二空压机2串联运行时，第二排气阀5、第三排气阀6、第四排气阀7处于开启状态，通过控制单元可调节第二排气阀5的阀门开度，其余排气阀：第一排气阀4、第五排气阀8、第六排气阀9、第七排气阀10、第八排气阀11均处于关闭状态；第二空压机2与第三空压机3串联运行时，第四排气阀7、第五排气阀8、第六排气阀9、第七排气阀10处于开启状态，通过控制单元可调节第六排气阀9的阀门开度，其余排气阀：第一排气阀4、第二排气阀5、第三排气阀6、第八排气阀11均处于关闭状态；第一空压机1、第二空压机2与第三空压机3依次串联运行时，第三排气阀6、第四排气阀7、第五排气阀8、第六排气阀9处于开启状态，通过控制单元可调节第六排气阀9的阀门开度，其余排气阀：第一排气阀4、第二排气阀5、第七排气阀10、第八排气阀11均处于关闭状态。

当飞机处于下降返航阶段，空气增压系统逐级减少串联空压机个数。

本发明可适应跨海拔高度下宽工况运行。该变级式空气增压系统充分利用每个空压机的气压、流量和效率特性，满足不同高度和负载工况需求，可广泛应用于各种高空应用场合。以航空燃料电池空气增压系统为例，飞机在地面滑行阶段，负载需求功率较小，负载对气压和流量需求小，变级式供气增压系统运行于单空压机运行模态；起飞、低空爬升阶段负载需求功率增大，由于高度相对较低，空气增压系统工作在多个空压机并联模态，满足负载的大流量空气供给需求；在高空巡航阶段，环境气压小、飞行需求功率减小，空气增压系统工作在多个空压机串联模态，维持负载需求的气压。在下降返航阶段，空气增压系统通过逐级减少串联空压机个数，满足气压和流量的需求。

本发明的运行效率较普通增压系统有较大提升。相较于传统基于单个空压机的空气增压系统，其具有在超出其工况设计点运行时效率显著降低的缺陷，致使效率波动范围大，负载需求无法满足，变级式空气增压系统通过模态切换，在不同高度和负载工况下可充分利用每个空压机的效能。同时，空压机效率的提升减小了冷却系统的能量消耗，且空压机之间的管道具有冷却高压气体的作用，从而减小后级串联空压机的消耗功率，进一步提升空气增压系统效率。

本发明在高空域的功率密度优势明显。与传统结构相比，变级式空气增压系统结构增加了蜗壳、管道和阀门等部件数量，在海拔高度较低的地面或低空空气特性变化不大的运行条件下，变级式空气增压系统增加了结构重量，功率密度相对较小。随着高度的增加，由于变级式空气增压系统的宽工况高效率运行特性，其功率需求比单空压机结构减小，且需要的散热结构更小，因此，随着高度的升高其功率密度的优势更加明显。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种高空宽工况变级式空气增压系统，其特征在于，包括：

空压机、排气阀及中冷器，其中所述空压机包括第一空压机、第二空压机、第三空压机，所述排气阀包括第一排气阀、第二排气阀、第三排气阀、第四排气阀、第五排气阀、第六排气阀、第七排气阀、第八排气阀；

所述第一空压机、第三排气阀、第二空压机、第四排气阀、第五排气阀、第三空压机、第六排气阀、中冷器依次串联；

所述第一排气阀一端连接于所述第一空压机与所述第三排气阀之间，所述第一排气阀另一端连接于第六排气阀与中冷器之间；

所述第二排气阀一端连接于所述第四排气阀与所述第五排气阀之间，所述第二排气阀另一端连接于所述第一排气阀与所述中冷器之间，且所述第二排气阀与第一排气阀并联；

所述第七排气阀一端连接于第三排气阀与第二空压机之间；

所述第八排气阀一端连接于第五排气阀与第三空压机之间。

2.根据权利要求1所述高空宽工况变级式空气增压系统，其特征在于：

所述系统还包括控制单元，所述控制单元用于对飞机运行阶段进行判断，并根据判断结果对所述排气阀进行控制以实现空压机的不同状态运行；其中所述飞机运行阶段包括滑行阶段、爬升阶段、巡航阶段及下降阶段。

3.根据权利要求2所述高空宽工况变级式空气增压系统，其特征在于：

当所述控制单元中判断结果为滑行阶段时，控制所述排气阀开启关闭以实现空压机单独运行，其中空压机单独运行包括第一空压机单独运行、第二空压机单独运行及第三空压机单独运行；

所述第一空压机单独运行时，所述第一排气阀开启，所述第二排气阀、第三排气阀、第四排气阀、第五排气阀、第六排气阀、第七排气阀、第八排气阀关闭；

所述第二空压机单独运行时，所述第二排气阀、所述第四排气阀、所述第七排气阀开启，所述第一排气阀、第三排气阀、第五排气阀、第六排气阀、第八排气阀关闭；

所述第三空压机单独运行时，所述第六排气阀、所述第八排气阀开启，第一排气阀、第二排气阀、第三排气阀、第四排气阀、第五排气阀、第七排气阀关闭。

4.根据权利要求2所述高空宽工况变级式空气增压系统，其特征在于：

当所述控制单元中判断结果为爬升阶段时，控制所述排气阀进行控制以实现空压机并联运行；所述并联运行包括第一空压机与所述第二空压机并联运行、第一空压机与所述第三空压机并联运行、第二空压机与所述第三空压机并联运行及第一空压机、所述第二空压机与所述第三空压机并联运行；

所述第一空压机与所述第二空压机并联运行时，第一排气阀、第二排气阀、第四排气阀、第七排气阀开启，第三排气阀、第五排气阀、第六排气阀、第八排气阀关闭；

所述第一空压机与所述第三空压机并联运行时，

第一排气阀、第六排气阀、第八排气阀开启，第二排气阀、第三排气阀、第四排气阀、第五排气阀、第七排气阀关闭；

所述第二空压机与所述第三空压机并联运行时，

第二排气阀、第四排气阀、第六排气阀、第七排气阀、第八排气阀开启，第一排气阀、第三排气阀、第五排气阀关闭；

所述第一空压机、所述第二空压机与所述第三空压机并联运行时，

第一排气阀、第二排气阀、第四排气阀、第六排气阀、第七排气阀、第八排气阀开启，第三排气阀、第五排气阀关闭。

5.根据权利要求2所述高空宽工况变级式空气增压系统，其特征在于：

当所述控制单元中判断结果为巡航阶段时，控制所述排气阀进行控制以实现空压机单独运行串联运行，其中串联运行包括第一空压机与所述第二空压机串联运行、第二空压机与所述第三空压机串联运行及第一空压机、所述第二空压机与所述第三空压机串联运行；

当所述第一空压机与所述第二空压机串联运行时，

第二排气阀、第三排气阀、第四排气阀开启，第一排气阀、第五排气阀、第六排气阀、第七排气阀、第八排气阀关闭；

当所述第二空压机与所述第三空压机串联运行时，

第四排气阀、第五排气阀、第六排气阀、第七排气阀开启，第一排气阀、第二排气阀、第三排气阀、第八排气阀关闭；

当所述第一空压机、所述第二空压机与所述第三空压机串联运行时，第三排气阀、第四排气阀、第五排气阀、第六排气阀开启，第一排气阀、第二排气阀、第七排气阀、第八排气阀关闭。

6.根据权利要求2所述高空宽工况变级式空气增压系统，其特征在于：

当所述控制单元中判断结果为下降阶段时，控制所述排气阀逐级减少串联运行空压机的个数。

7.根据权利要求1所述高空宽工况变级式空气增压系统，其特征在于：

所述空压机均为离心式空压机。

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