CN114715410A - 一种航空空气系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种航空空气系统及其控制方法，所述航空空气系统包括引气系统、引气调节系统、燃料电池空气系统、通风调节系统和辅助冷却系统，所述燃料电池空气系统设置有连通至所述通风调节系统的第一旁路和第二旁路，用于向通风调节系统提供干燥或湿润的空气，从而提高座舱的舒适度，并且空气经过燃料电池空气系统、通风调节系统和辅助冷却系统利用后，根据不同的情况选择直接外排或利用涡轮回收能量后再外排。本发明提供的空气系统及控制方法能够充分利用飞行器排出体外的废弃能量回收，节约电气负载功耗，提高飞行推动力，同时提高安全性、改善人体舒适度。

Description

一种航空空气系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及航空技术领域，具体涉及航空空气系统及其控制方法。
背景技术
航空领域中，飞机是常见的飞行器，引气系统作为重要的气源，通常将空气提供给环控系统，进一步将空气用于各个辅助冷却、座舱通风等系统，经过一系列的消耗，将废弃的能量和空气排出体外。
随着燃料电池技术的不断发展，燃料电池开始应用于航空飞行器中。但是，随着海拔的升高，大气压力、温度的降低，通过燃料电池系统的气体流量是巨大的，如何对各个空气系统进行统筹控制、相互协调，提高乘员安全性和舒适性，并提高能量利用率，使其成为该领域研究的热点。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种航空空气系统及其控制方法，能够提高乘员安全性和舒适性，并提高能量利用率，节约电气负载功耗。
在本发明的第一个方面，本发明提供了一种航空空气系统，包括引气系统（1）、引气调节系统（2）、燃料电池空气系统、通风调节系统（4）和辅助冷却系统（5）。
应当理解，上述各个系统可以由一个或多个具体的装置组成，因此各个系统可以存在多个进口/出口，从而使各个系统构成整体的航空空气系统。以下对各个系统的构成和连接方式进行说明。
所述引气系统（1）用于从航空飞行器外部引入空气，主要包括涡轮增压式压气机；所述引气调节系统（2）包括压力调节装置和温度调节装置，用于调整所述引气系统提供的空气的压力和温度，并通过不同的输出端口独立的供应至所述燃料电池空气系统、通风调节系统（4）和辅助冷却系统（5）。
所述燃料电池空气系统主要包括空压机（3）、中冷器（6）、增湿器（7）和燃料电池电堆（8），所述中冷器（6）的出口管路上设置有与所述通风调节系统（4）连通的第一旁路，用于将中冷器（6）产生的相对干燥的空气的至少部分供应至通风调节系统（4），所述增湿器（7）的出口管路上设置有与所述通风调节系统（4）连通的第二旁路，用于将增湿器（7）产生的相对湿润的空气的至少部分供应至通风调节系统（4），所述第一旁路、第二旁路上均设置有控制阀。
所述通风调节系统（4）与航空飞行器的座舱连通，用于对座舱进行空气循环，所述通风调节系统（4）的入口管路上设置有压力传感器、温度传感器和湿度传感器，所述第一旁路、第二旁路上的控制阀根据传感器的监测结果选择性的开启或关闭。作为例举，当监测到湿度过低，则开启第二旁路，向通风调节系统（4）提供湿润空气以提高湿度。
所述辅助冷却系统（5）包括热交换设备，用于对航空飞行器的机电设备进行辅助冷却。所述热交换设备可以根据实际冷却需求分布在航空飞行器的多个部位，在此不作特殊的限制。
进一步的，所述引气系统（1）的出口管路上设置有流量计；所述燃料电池空气系统的空压机（3）与所述引气调节系统（2）之间设置有回流旁路，用于将空压机（3）加压后的空气回流供应至所述所述引气调节系统（2）。因此，当监测到引气系统（1）异常时，则可以通过燃料电池空气系统的空压机（3）与所述引气调节系统（2）之间的回流旁路将空压机（3）产生的压缩空气供应至所述引气调节系统（2），并分配给通风调节系统（4）和/或辅助冷却系统（5）使用，优先保证通风调节系统（4）和辅助冷却系统（5）的正常工作。
进一步的，所述通风调节系统（4）和辅助冷却系统（5）的出口管路上连接有温度传感器、湿度传感器和三通阀，所述三通阀被配置为根据温度传感器和湿度传感器的监测结果，将通风调节系统（4）和辅助冷却系统（5）利用后的空气输送至外排装置（9），或者先输送至所述引气系统（1）中涡轮增压式压气机的涡轮端回收能量后再输送至外排装置（9）。其中，所述外排装置（9）可以是适用于将空气排放到飞行器外部的任何装置或结构，本发明对此不作特殊的限制。
进一步的，所述空压机（3）为涡轮增压式空压机，所述燃料电池电堆（8）的出口管路上连接有温度传感器、湿度传感器和三通阀，所述三通阀被配置为根据温度传感器和湿度传感器的监测结果，将燃料电池电堆（8）利用后的空气输送至外排装置（9），或者先输送至所述空压机（3）的涡轮端回收能量后再输送至外排装置（9）。
作为一种替代方案，所述燃料电池电堆（8）的出口管路上的三通阀也可以被配置为根据温度传感器和湿度传感器的监测结果，将燃料电池电堆（8）利用后的空气输送至外排装置（9），或者先输送至所述引气系统（1）中涡轮增压式压气机的涡轮端回收能量后再输送至外排装置（9）。
具体的，本发明中的温度传感器和湿度传感器可以单独设置，也可以使用一体化的温湿度传感器。
在本发明的第二个方面，本发明提供了上述航空空气系统的控制方法，所述控制方法包括：
通过引气系统（1）提供增压空气，并通过引气调节系统（2）调整空气的压力和温度，将空气独立的供应至燃料电池空气系统、通风调节系统（4）和辅助冷却系统（5）；
监测通风调节系统（4）入口管路中空气的压力、温度、湿度，当超出预设范围时，通过第一旁路或第二旁路将燃料电池空气系统产生的干燥空气或湿润空气提供至所述通风调节系统（4）中。
进一步的，所述控制方法还包括：监测引气系统（1）的工作状态，当出现异常时，通过燃料电池空气系统的空压机（3）与所述引气调节系统（2）之间的回流旁路将空压机（3）产生的压缩空气供应至所述引气调节系统（2），并分配给通风调节系统（4）和/或辅助冷却系统（5）使用。
进一步的，所述控制方法还包括：监测引气系统（1）提供的空气流量，当低于预设阈值，不满足燃料电池电堆（8）的需求时，停止向所述燃料电池空气系统供应空气，或者通过回流旁路将空压机（3）产生的压缩空气重新回流至所述引气调节系统（2），并分配给通风调节系统（4）和/或辅助冷却系统（5）使用。
进一步的，所述控制方法还包括：监测通风调节系统（4）和辅助冷却系统（5）的出口管路中空气的温度和湿度，若超出预设范围，则将通风调节系统（4）和辅助冷却系统（5）利用后的空气输送至外排装置（9）；若在预设范围内，则先输送至所述引气系统（1）中涡轮增压式压气机的涡轮端回收能量后再输送至外排装置（9）。
进一步的，所述控制方法还包括：监测燃料电池电堆（8）的出口管路中空气的温度和湿度，若超出预设范围，则将燃料电池电堆（8）利用后的空气输送至外排装置（9）；若在预设范围内，则先输送至燃料电池空气系统的空压机（3）涡轮端回收能量后再输送至外排装置（9）。
作为一种替代方案，所述控制方法监测燃料电池电堆（8）的出口管路中空气的温度和湿度，若超出预设范围，则将燃料电池电堆（8）利用后的空气输送至外排装置（9）；若在预设范围内，则先输送至所述引气系统（1）中涡轮增压式压气机的涡轮端回收能量后再输送至外排装置（9）。
与现有技术相比，本发明提供的航空空气系统充分利用了燃料电池空气系统，根据实际需要利用燃料电池空气系统向座舱补充提供干燥空气或湿润空气，提高了乘员安全性和舒适性，还利用燃料电池空气系统的空压机为引气系统提供了替代措施，提高了系统的可靠性和安全性；而且进一步的，该系统能够合理回收排外能量，减少飞行器中压气机的电气功耗，提高飞行推动力。
提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了本发明实施例一的航空空气系统示意图；
图2示出了本发明实施例一的航空空气系统的控制流程图；
图3示出了本发明实施例二的航空空气系统示意图；
图4示出了本发明实施例二的航空空气系统的控制流程图。
附图标记说明：1-引气系统；2-引气调节系统；3-空压机；4-通风调节系统；5-辅助冷却系统；6-中冷器；7-增湿器；8-燃料电池电堆；9-外排装置。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
实施例一
如图1所示，本实施例提供了一种航空空气系统，包括引气系统（1）、引气调节系统（2）、燃料电池空气系统、通风调节系统（4）和辅助冷却系统（5）。
其中，引气系统（1）包括涡轮增压式压气机，其中涡轮端的空气来自于通风调节系统（4）和辅助冷却系统（5），经过涡轮端回收能量后，空气通过外排装置（9）排放到飞行器体外。在引气系统（1）的出口管路上设置有流量计，用于实时监测引气系统（1）的输出流量。
引气调节系统（2）用于接收并调节引气系统（1）引入的空气，并通过不同的端口独立的向燃料电池空气系统、通风调节系统（4）和辅助冷却系统（5）提供空气供应。引气调节系统（2）和燃料电池空气系统的空压机（3）之间设置有回流旁路，以便在引气系统（1）异常时允许将燃料电池空气系统的空压机（3）输送至引气调节系统（2），进而提供给通风调节系统（4）和辅助冷却系统（5）使用。
燃料电池空气系统主要包括依次连接的空压机（3）、中冷器（6）、增湿器（7）和燃料电池电堆（8），燃料电池空气系统的其他组成部分在此不作赘述。
空压机（3）具体为涡轮增压式空压机，涡轮端的空气来自于燃料电池电堆（8）排出的空气，经过涡轮端回收能量后，空气通过外排装置（9）排放到飞行器体外。
中冷器（6）的出口管路上设置有与所述通风调节系统（4）连通的第一旁路，用于将中冷器（6）产生的干燥空气的至少部分供应至通风调节系统（4）。
增湿器（7）的出口管路上设置有与所述通风调节系统（4）连通的第二旁路，用于将增湿器（7）产生的湿润空气的至少部分供应至通风调节系统（4），所述第一旁路、第二旁路上均设置有单向电磁阀作为控制阀。
燃料电池电堆（8）的的出口管路上连接有温湿度传感器和三通阀；三通阀用于根据传感器的监测结果，将燃料电池电堆（8）利用后的空气输送至外排装置（9），或者先输送至所述空压机（3）的涡轮端回收能量后再输送至外排装置（9）。
通风调节系统（4）与航空飞行器的座舱连通，用于对座舱进行空气循环，并将循环后的空气从座舱中排出。通风调节系统（4）的入口管路上设置有压力传感器、温湿度传感器。根据传感器的监测结果，通风调节系统（4）可以选择性的从燃料电池空气系统通过第一旁路接收干燥空气，或者通过第二旁路接收湿润空气，从而调整座舱的舒适度。
在通风调节系统（4）和辅助冷却系统（5）的出口管路上连接有温湿度传感器和三通阀，所述三通阀用于根据传感器的监测结果，将利用后的空气直接输送至外排装置（9），或者先输送至所述引气系统（1）中涡轮增压式压气机的涡轮端回收能量后再输送至外排装置（9）。
结合图2所示的控制流程图，实施例1的航空空气系统在启动后的控制过程中至少包括以下步骤：
S1：监测引气系统（1）的输出流量是否满足燃料电池电堆（8）需求。如果输入电堆的空气流量过低，则电堆的寿命将受到影响。因此，当引气系统（1）的输出流量不满足电堆需求时，将引气系统（1）引入的空气输送至通风调节系统（4）和辅助冷却系统（5）；当满足电堆需求时，则同时向燃料电池空气系统的空压机（3）供应空气。
S2：监测引气系统（1）是否正常工作。如果引气系统（1）不能正常工作，会导致飞行器座舱内的氧浓度不足，损害人身安全。当引气系统（1）出现故障时，将空压机（3）产生的压缩空气通过回流旁路回流至所述引气调节系统（2），并输送至通风调节系统（4）供座舱使用；在引气系统（1）工作正常的情况下，空压机（3）产生的压缩空气继续经过中冷器（6）和增湿器（7）。
S3：监测座舱空气参数是否正常。通过通风调节系统（4）的入口管路上的压力传感器、温湿度传感器可以得到座舱空气的压力、温度、湿度等参数，这些空气参数对于乘员的舒适度有直接影响。当相关参数超出预设范围时，将中冷器（6）和增湿器（7）产生的干燥空气或湿润空气相应的供应至飞行器座舱；当相关参数处于正常范围时，将符合电堆需求的空气输入燃料电池电堆（8）进行电化学反应。
S4：监测出气的参数是否适合能量回收。经过通风调节系统（4）、辅助冷却系统（5）、燃料电池空气系统利用后的空气通常携带有多余的能量，但并非在任何情况下都适合进行能量回收。例如当湿度过大，流经的气体阻力会很大，造成噪声过大，不利于进行能量回收。监测通风调节系统（4）和辅助冷却系统（5）的出口管路中空气的温度和湿度，以及燃料电池电堆（8）的出口管路中空气的温度和湿度，若超出预设范围，则直接输送至外排装置（9）；若在预设范围内，则先进行能量回收再输送至外排装置（9）：将经过通风调节系统（4）、辅助冷却系统（5）利用后的空气输送到引气系统（1）中涡轮增压式压气机的涡轮端；将经过燃料电池电堆（8）排出的空气输送到空压机（3）的涡轮端。
实施例二
图3、图4给出了本申请的另一具体实施例的航空空气系统及控制过程。与实施例一相比，区别仅在于该实施例中利用引气系统（1）中的涡轮增压式压气机同时完成对通风调节系统（4）和辅助冷却系统（5）、燃料电池电堆（8）的空气能量回收，其他技术内容与实施例一相同，本发明在此不作赘述。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种航空空气系统，其特征在于，包括引气系统（1）、引气调节系统（2）、燃料电池空气系统、通风调节系统（4）和辅助冷却系统（5）；
所述引气系统（1）包括涡轮增压式压气机，用于从航空飞行器外部引入空气并增压；
所述引气调节系统（2）包括压力调节装置和温度调节装置，用于调整所述引气系统提供的空气的压力和温度，并供应至所述燃料电池空气系统、通风调节系统（4）和辅助冷却系统（5）；
所述燃料电池空气系统包括空压机（3）、中冷器（6）、增湿器（7）和燃料电池电堆（8），所述中冷器（6）的出口管路上设置有与所述通风调节系统（4）连通的第一旁路，用于将中冷器（6）产生的干燥空气的至少部分供应至通风调节系统（4），所述增湿器（7）的出口管路上设置有与所述通风调节系统（4）连通的第二旁路，用于将增湿器（7）产生的湿润空气的至少部分供应至通风调节系统（4），所述第一旁路、第二旁路上均设置有控制阀；
所述通风调节系统（4）与航空飞行器的座舱连通，用于对座舱进行空气循环，所述通风调节系统（4）的入口管路上设置有压力传感器、温度传感器和湿度传感器，所述第一旁路、第二旁路上的控制阀根据传感器的监测结果选择性的开启或关闭；
所述辅助冷却系统（5）包括热交换设备，用于对航空飞行器的机电设备进行辅助冷却。
2.根据权利要求1所述的一种航空空气系统，其特征在于，所述引气系统（1）的出口管路上设置有流量计；所述燃料电池空气系统的空压机（3）与所述引气调节系统（2）之间设置有回流旁路，用于将空压机（3）加压后的空气回流供应至所述所述引气调节系统（2）。
3.根据权利要求1所述的一种航空空气系统，其特征在于，所述通风调节系统（4）和辅助冷却系统（5）的出口管路上连接有温度传感器、湿度传感器和三通阀，所述三通阀被配置为根据温度传感器和湿度传感器的监测结果，将通风调节系统（4）和辅助冷却系统（5）利用后的空气输送至外排装置（9），或者先输送至所述引气系统（1）中涡轮增压式压气机的涡轮端回收能量后再输送至外排装置（9）。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种航空空气系统，其特征在于，所述空压机（3）为涡轮增压式空压机，所述燃料电池电堆（8）的出口管路上连接有温度传感器、湿度传感器和三通阀，所述三通阀被配置为根据温度传感器和湿度传感器的监测结果，将燃料电池电堆（8）利用后的空气输送至外排装置（9），或者先输送至所述空压机（3）的涡轮端回收能量后再输送至外排装置（9）。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种航空空气系统，其特征在于，所述燃料电池电堆（8）的出口管路上连接有温度传感器、湿度传感器和三通阀，所述三通阀被配置为根据温度传感器和湿度传感器的监测结果，将燃料电池电堆（8）利用后的空气输送至外排装置（9），或者先输送至所述引气系统（1）中涡轮增压式压气机的涡轮端回收能量后再输送至外排装置（9）。
6.一种航空空气系统的控制方法，其特征在于，航空空气系统选自权利要求1-5任一项所述的航空空气系统，所述控制方法包括：
通过引气系统（1）提供增压空气，并通过引气调节系统（2）调整空气的压力和温度，并将空气供应至燃料电池空气系统、通风调节系统（4）和辅助冷却系统（5）；
监测通风调节系统（4）入口管路中空气的压力、温度、湿度，当超出预设范围时，通过第一旁路或第二旁路将燃料电池空气系统产生的干燥空气或湿润空气提供至所述通风调节系统（4）中。
7.根据权利要求6所述的一种航空空气系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
监测引气系统（1）的工作状态，当出现异常时，通过燃料电池空气系统的空压机（3）与所述引气调节系统（2）之间的回流旁路将空压机（3）产生的压缩空气供应至所述引气调节系统（2），并分配给通风调节系统（4）和/或辅助冷却系统（5）使用。
8.根据权利要求6所述的一种航空空气系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
监测通风调节系统（4）和辅助冷却系统（5）的出口管路中空气的温度和湿度，若超出预设范围，则将通风调节系统（4）和辅助冷却系统（5）利用后的空气输送至外排装置（9）；若在预设范围内，则先输送至所述引气系统（1）中涡轮增压式压气机的涡轮端回收能量后再输送至外排装置（9）。
9.根据权利要求6所述的一种航空空气系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
监测燃料电池电堆（8）的出口管路中空气的温度和湿度，若超出预设范围，则将燃料电池电堆（8）利用后的空气输送至外排装置（9）；若在预设范围内，则先输送至所述燃料电池空气系统的空压机（3）的涡轮端回收能量后再输送至外排装置（9）。
10.根据权利要求6所述的一种航空空气系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
监测燃料电池电堆（8）的出口管路中空气的温度和湿度，若超出预设范围，则将燃料电池电堆（8）利用后的空气输送至外排装置（9）；若在预设范围内，则先输送至引气系统（1）中涡轮增压式压气机的涡轮端回收能量后再输送至外排装置（9）。
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