ES2953612T3 - Sistema eléctrico de aire acondicionado para cabina de aeronave que comprende un motocompresor y una turbomáquina de ciclo de aire - Google Patents
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Abstract
Sistema de climatización eléctrico para climatizar una cabina (10) de una aeronave que comprende una fuente (11) de aire fresco, un conducto de circulación dinámica de aire (12), un compresor motorizado (13) que comprende una entrada de aire. conectado a dicha fuente de aire fresco, y una salida de aire conectada a un intercambiador de enfriamiento primario (PHx) alojado en dicho conducto de aire dinámico; una turbomáquina de ciclo de aire (14) que comprende al menos un primer compresor (15) y una primera turbina (17) que están acoplados mecánicamente entre sí, comprendiendo dicho primer compresor una entrada de aire que puede conectarse ya sea a dicho intercambiador de enfriamiento primario (PHx) o a dicha fuente (11) de aire fresco, y una salida de aire conectada a un intercambiador de enfriamiento principal (MHx) alojado en dicho conducto de aire dinámico, comprendiendo dicha primera turbina (17) una entrada de aire que puede conectarse ya sea a una descarga puerto (54) para descargar aire viciado desde dicha cabina o hacia dicho intercambiador de enfriamiento principal (MHx), y una salida de aire que puede conectarse a dicha cabina (10) o a un inyector de aire (52) que se abre hacia dicho conducto de aire dinámico. . (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Sistema eléctrico de aire acondicionado para cabina de aeronave que comprende un motocompresor y una turbomáquina de ciclo de aire
Campo técnico de la invención
La invención se refiere a un sistema eléctrico de aire acondicionado de una cabina de una aeronave. En particular, la invención se refiere a un sistema de aire acondicionado que comprende un motocompresor y una turbomáquina de ciclo de aire.
Antecedentes de la técnica
En todo el texto, el término "cabina" designa cualquier espacio interior de una aeronave cuya presión y/o temperatura del aire debe controlarse. Puede tratarse de una cabina para pasajeros, de la cabina de mando, de una bodega y, de manera general, de cualquier zona de la aeronave que necesita un aire a una presión y/o una temperatura controlada. Este aire a una presión y/o a una temperatura controlada es proporcionado por un sistema de aire acondicionado. En todo el texto, el término motocompresor designa un compresor equipado con un motor eléctrico. El compresor comprende una entrada de aire, una salida de aire y una rueda de paletas adaptada para poder ser atravesada por un fluido comprimible tal como el aire, dispuesta entre la entrada y la salida, y accionada en rotación por dicho motor eléctrico, para poder aspirar el aire en la entrada del compresor, modificar su presión, temperatura y/o velocidad, y entregarlo a la salida de aire.
Hay una serie de aviones en los que el control ambiental de las cabinas se realiza de forma totalmente neumática, es decir, por sistemas que funcionan con aire tomado de los compresores de los motores de propulsión de la aeronave y/o con aire exterior a presión dinámica, más o menos importante según el tipo de toma de aire exterior -toma de aire, entrada parietal, etc.- y más conocido por las siglas de aire RAM, cuando la aeronave está en vuelo.
El documento EP2998224 A1 describe un sistema eléctrico de aire acondicionado para una cabina de una aeronave. A lo largo del siguiente texto, el concepto de aire dinámico se refiere al aire tomado del exterior de la aeronave mediante todo tipo de medios conocidos, tal como una toma de aire, una entrada parietal más conocida por el nombre inglés de entrada "flush/NACA", etc.
El problema general que se plantea desde hace mucho tiempo con este tipo de sistema de aire acondicionado es minimizar la toma de aire de los compresores de los motores, para minimizar el impacto de esta toma de aire en el consumo de queroseno y en el rendimiento de los motores. Otro problema consiste en poder asegurar el control de la temperatura y la presión en cabina en todas las fases de funcionamiento de la aeronave, incluso en las fases de despegue, descenso y en tierra.
Las nuevas generaciones de aviones favorecen ahora los sistemas eléctricos de aire acondicionado para eliminar la necesidad de tomar el aire de los compresores de los motores de propulsión.
De este modo, ya se han propuesto sistemas eléctricos de aire acondicionado que comprenden varias turbomáquinas motorizadas que permiten generar el flujo y la presión de aire fresco necesario para la presurización de la cabina. Dada la gran diferencia de densidad en la succión de los compresores entre el funcionamiento en tierra y en vuelo, los sistemas eléctricos propuestos en la actualidad se basan en al menos dos turbomáquinas motorizadas de gran potencia organizadas de forma que una sola turbomáquina motorizada pueda utilizarse en tierra y las diferentes turbomáquinas motorizadas puedan utilizarse en vuelo para garantizar aire acondicionado en la cabina. Estos sistemas también están equipados con un ciclo de vapor que permite garantizar un complemento de potencia de frío cuando es necesario.
Uno de los inconvenientes de estas soluciones eléctricas es su complejidad, en particular debido al gran número de turbomáquinas motorizadas necesarias y a la necesidad de disponer de un ciclo de vapor que complemente al ciclo de aire.
Por lo tanto, los inventores han buscado proponer una nueva arquitectura de un sistema de aire acondicionado que limite el número de turbomáquinas motorizadas necesarias y ya no requiera el uso de un ciclo de vapor.
Objetivos de la invención
La invención tiene como propósito proporcionar un sistema eléctrico de aire acondicionado de una cabina de una aeronave.
La invención tiene como propósito, en particular, proporcionar un sistema de aire acondicionado de este tipo que no requiera la presencia de un ciclo de vapor.
La invención también tiene como propósito proporcionar un sistema de aire acondicionado que comprenda solo una máquina eléctrica motorizada.
La invención también tiene como propósito proporcionar un sistema de aire acondicionado de este tipo que se beneficie de una integración optimizada y compacta, con una ganancia en masa y/o volumen.
La invención también tiene como propósito proporcionar un sistema de aire acondicionado de este tipo fiable, que permita limitar el rango de flujo reducido entre las condiciones de la aeronave en tierra o en vuelo.
La invención también tiene como propósito adaptar el comportamiento del sistema de aire acondicionado en función de las condiciones de vuelo de la aeronave, y en particular en función de su altitud.
La invención tiene como propósito, finalmente, proporcionar un procedimiento eléctrico de aire acondicionado de una cabina de una aeronave.
Descripción de la invención
Para ello, la invención se refiere a un sistema eléctrico de aire acondicionado de una cabina de una aeronave, que comprende una fuente de aire fresco, un canal de circulación de aire dinámico tomado del exterior de la aeronave, una red de tuberías y válvulas de regulación configuradas para poder regular el flujo de aire que circula por dichas tuberías en función de las condiciones de vuelo de la aeronave, un intercambiador de calor, denominado intercambiador primario de enfriamiento, alojado en dicho canal de circulación de aire dinámico, un intercambiador de calor, denominado intercambiador principal de enfriamiento, alojado en dicho canal de circulación de aire dinámico.
Un sistema eléctrico de aire acondicionado según la invención comprende:
- un inyector de aire que desemboca en dicho canal de aire dinámico aguas arriba de dichos intercambiadores de enfriamiento,
- un puerto de evacuación de aire viciado de dicha cabina,
- un motocompresor de accionamiento eléctrico que comprende una entrada de aire conectada fluídicamente a dicha fuente de aire fresco mediante dicha red de tuberías, y una salida de aire conectada a dicho intercambiador primario de enfriamiento (también designado a lo largo del texto mediante la sigla PHx), alojado en dicho canal de circulación de aire dinámico,
- una turbomáquina de ciclo de aire que comprende al menos un primer compresor y una primera turbina acoplados mecánicamente entre sí mediante un árbol mecánico,
o comprendiendo dicho primer compresor una entrada de aire adaptada para poder conectarse fluídicamente mediante dicha red de tuberías, bajo el control de dichas válvulas de regulación, ya sea a dicho intercambiado primario de enfriamiento, ya sea a dicha fuente de aire fresco, y una salida de aire conectada fluídicamente a dicho intercambiador principal de enfriamiento (también designado a lo largo del texto mediante la sigla MHx), alojado en dicho canal de circulación de aire dinámico tomado del exterior de la aeronave,
o comprendiendo dicha primera turbina una entrada de aire adaptada para poder conectarse fluídicamente mediante dicha red de tuberías, bajo el control de dichas válvulas de regulación, ya sea a dicho puerto de evacuación de aire viciado de dicha cabina, ya sea a dicho intercambiador principal de enfriamiento, y una salida de aire adaptada para conectarse fluídicamente, mediante dicha red de tuberías, bajo el control de dichas válvulas de regulación, ya sea a dicha cabina para poder alimentarla con aire a presión y temperatura controladas, ya sea a dicho inyector de aire que desemboca en dicho canal de circulación de aire, aguas arriba de dichos intercambiadores de enfriamiento.
Un sistema de aire acondicionado según la invención (también designado mediante los términos paquete de aire acondicionado) comprende por tanto una única máquina eléctrica (el motocompresor de accionamiento eléctrico) y una única máquina neumática (la turbomáquina de ciclo de aire).
La particular arquitectura de un sistema de aire acondicionado según la invención permite, en tierra, maximizar la potencia de frío producida por el ciclo de aire aumentando la presión de funcionamiento y la eficacia del ciclo mediante la realización de una compresión en dos etapas (obtenida por la compresión sucesiva del motocompresor y el primer compresor de la turbomáquina), seguida de un enfriamiento intermedio (obtenido por el intercambiador principal), y una expansión (obtenida al menos por la primera turbina de la turbomáquina de ciclo de aire). Por lo tanto, un sistema según la invención carece de ciclo de vapor.
La particular arquitectura del sistema de aire acondicionado según la invención también permite, en vuelo, una generación del flujo de aire fresco complementario mediante la recuperación de la energía del aire viciado evacuado de la cabina para alimentar al menos una turbina de expansión de la turbomáquina de ciclo de aire, que acciona
entonces en rotación al menos el primer compresor de la turbomáquina para que pueda comprimir el aire fresco suministrado por la fuente de aire fresco. Este flujo de aire fresco producido por la turbomáquina de ciclo de aire permite reducir el flujo del motocompresor.
La arquitectura de un sistema de aire acondicionado según la invención permite además que, en vuelo, el enfriamiento del aire dinámico en el canal de aire dinámico esté asegurado por el inyector de aire que desemboca aguas arriba de los intercambiadores de enfriamiento y alimentado por el aire procedente de la turbina de la turbomáquina. Esto permite limitar la resistencia aerodinámica de la aeronave al reducir el consumo de aire exterior.
El paso del modo tierra al modo vuelo y viceversa se obtiene controlando las válvulas de regulación dispuestas en la red de tuberías que conectan los distintos elementos del sistema de aire acondicionado según la invención.
Este control de las válvulas depende de las condiciones de vuelo, que pueden, por ejemplo, estar representadas por información relativa al peso cargado sobre las ruedas o la velocidad de la aeronave.
Un sistema de aire acondicionado según la invención también permite gestionar de manera óptima todos los puntos de funcionamiento en un campo de compresor con difusor variable. En otras palabras, es posible acercar el punto de funcionamiento del compresor en tierra al punto de funcionamiento del compresor en vuelo.
Todas estas ventajas también permiten una integración optimizada y compacta, en particular, una ganancia de masa y volumen ocupado, realizando las funciones de aire acondicionado con un número limitado de equipos al tiempo que se mantiene una gran flexibilidad.
Además, la invención permite obtener un sistema de aire acondicionado fiable, flexible y que puede adaptarse a las diferentes condiciones de vuelo de la aeronave, y en particular en función su altitud.
Ventajosamente y según la invención, dicha turbomáquina de ciclo de aire comprende al menos un segundo compresor y una segunda turbina acoplados mecánicamente a dicho primer compresor y a dicha primera turbina mediante dicho árbol mecánico,
- comprendiendo dicho segundo compresor una entrada de aire conectada fluídicamente a dicha fuente de aire fresco, y una salida de aire adaptada para poder conectarse fluídicamente, bajo el control de dichas válvulas de regulación, ya sea dicha entrada de aire de dicho primer compresor, ya sea a una tobera de aire que desemboca en dicho canal de aire dinámico aguas abajo de dichos intercambiadores de enfriamiento,
- comprendiendo dicha segunda turbina una entrada de aire adaptada para poder conectarse fluídicamente, bajo el control de dichas válvulas de regulación, ya sea a dicho intercambiado principal de enfriamiento, ya sea a dicho puerto de evacuación de aire viciado de dicha cabina, y una salida de aire adaptada para poder conectarse fluídicamente, bajo el control de dichas válvulas de regulación, ya sea a dicha entrada de aire de dicha primera turbina, ya sea a dicho inyector que desemboca en dicho canal de aire dinámico aguas arriba de dichos intercambiadores de enfriamiento.
Según esta variante ventajosa, la turbomáquina de ciclo de aire es una máquina de cuatro ruedas, con dos compresores y dos turbinas montados en el mismo árbol mecánico.
Esta variante ventajosa permite, en particular en tierra, asegurar la circulación de aire dinámico en el canal de circulación de aire mediante la tobera de aire que desemboca en el canal de circulación de aire dinámico alimentado por la salida del segundo compresor, alimentado en la entrada por el aire fresco procedente de la fuente de aire fresco.
Esta variante ventajosa también permite, en tierra, asegurar una doble expansión mediante las dos turbinas alimentadas en serie antes de alimentar la cabina.
Esta variante ventajosa también permite, en vuelo, una compresión en dos etapas asegurada por los dos compresores de la turbomáquina de ciclo de aire alimentados en serie por la fuente de aire fresco.
Esta variante ventajosa también permite, en vuelo, asegurar la rotación de los dos compresores, mediante las dos turbinas alimentadas en paralelo por el aire viciado evacuado de la cabina.
Según este aspecto de la invención, el aire que sale de la cabina de la aeronave, designado con el término aire viciado, es recuperado para alimentar la entrada de las dos turbinas del sistema de aire acondicionado. Esto permite recuperar energía para poder accionar en rotación los compresores de la turbomáquina.
Según otra variante, la circulación de aire en el canal de circulación de aire dinámico puede estar asegurada por un ventilador eléctrico o por un ventilador montado en el árbol de la turbomáquina de ciclo de aire.
Ventajosamente, un sistema según la invención comprende además un circuito de extracción de agua adaptado para poder conectarse fluídicamente mediante dicha red de tuberías, bajo el control de una válvula de altitud, a dicho
intercambiador principal de enfriamiento y a al menos una turbina de dicha turbomáquina de ciclo de aire, para poder extraer el agua presente en el aire entregado por dicho intercambiador principal de enfriamiento antes de ser entregado a esta turbina de expansión.
El sistema según la invención permite, por lo tanto, cuando las condiciones de vuelo lo requieran, por debajo de una altitud predeterminada, secar el aire mediante el circuito de extracción de agua, antes de alimentar las turbinas de expansión de la turbomáquina de ciclo de aire. Un sistema según la invención también permite, más allá de esta altitud predeterminada, eludir el circuito de extracción de agua, cuando el aire está lo suficientemente seco y fresco para poder alimentar la cabina de la aeronave.
Ventajosamente y según la invención, dichas válvulas de regulación se controlan para permitir al menos los siguientes modos de funcionamiento:
- un modo de funcionamiento, denominado modo tierra, en el que dicho motocompresor es alimentado por la fuente de aire fresco para poder comprimir este aire, que luego se dirige, tras el enfriamiento mediante dicho intercambiador primario de enfriamiento, hacia el primer compresor de dicha turbomáquina de ciclo de aire para experimentar en el mismo una segunda compresión, luego hacia dicho circuito de extracción de agua y dichas turbinas de la turbomáquina alimentadas en serie para experimentar en las mismas una doble expansión antes de alimentar dicha cabina de la aeronave, y en el que dicho segundo compresor de dicha turbomáquina es alimentado además por dicha fuente de aire fresco, que luego es dirigido, tras la compresión, hacia dicha tobera de aire dispuesta aguas abajo de los intercambiadores de enfriamiento para asegurar la circulación de aire dinámico en dicho canal de aire dinámico,
- un modo de funcionamiento, denominado modo vuelo, en el que dicha fuente de aire fresco alimenta en paralelo dicho motocompresor y dichos compresores de dicha turbomáquina alimentados en serie, poder experimentar en los mismos una doble compresión antes de ser enfriado respectivamente por dicho intercambiador primario de enfriamiento y dicho intercambiador principal de enfriamiento, y unirse en un flujo de aire común dirigido hacia dicha cabina poniendo en cortocircuito dicho circuito de extracción, y en dichas turbinas de la turbomáquina de ciclo de aire se alimentan en paralelo por aire viciado evacuado de la cabina para poder proporcionar potencia mecánica para el accionamiento de los compresores de la turbomáquina de ciclo de aire, alimentando dichas turbinas en la salida dicho inyector de aire que desemboca en dicho canal de circulación de aire aguas arriba de dichos intercambiadores de enfriamiento.
Por lo tanto, un sistema según esta variante está configurado para poder presentar al menos un modo vuelo y al menos un modo tierra, siendo cada modo el resultado del control de las válvulas de regulación asociadas a la red de tuberías que conectan los diversos elementos del sistema según la invención.
El modo tierra permite que, en tierra, y en particular en tiempo caluroso, el motocompresor comprima el aire exterior formando la fuente de aire fresco. Este aire luego es enfriado por el intercambiador primario de enfriamiento, también denominado intercambiador PHx y dirigido hacia la entrada del primer compresor de la turbomáquina, también designada como turbomáquina ACM, para ser comprimido en la misma por segunda vez (formando así un "boost" a presión según la terminología inglesa). Este aire comprimido es luego enfriado por el intercambiador principal de enfriamiento, también denominado intercambiador MHx, luego dirigido al circuito de extracción de agua y a la segunda turbina de la turbomáquina ACM. El aire seco finalmente se expande a través de la primera turbina de la turbomáquina ACM para producir la máxima potencia de frío. La ventilación del canal de aire dinámico (que forma el paso de frío de los intercambiadores PHx y MHx) está asegurada por la tobera de aire alimentada por el segundo compresor de la turbomáquina ACM, que comprime el aire ambiente.
El modo vuelo permite que, a partir de una altitud predeterminada, un primer flujo de aire fresco sea comprimido por el motocompresor, y luego enfriado por el intercambiador PHx. Un segundo flujo de aire comprimido es generado por los compresores de la turbomáquina ACM y enfriado por el intercambiador MHx. Los dos flujos de aire se juntan en la salida del MHx para dirigirse hacia la cabina, evitando el circuito de extracción de agua. Las turbinas primera y segunda de la turbomáquina ACM son alimentadas por un flujo de aire viciado evacuado de la cabina, lo que permite accionar en rotación los compresores primero y segundo de la turbomáquina montados en el mismo árbol mecánico que las turbinas. El flujo de aire frío producido por las dos turbinas de la turbomáquina ACM se inyecta en el canal de circulación de aire dinámico, aguas arriba de los intercambiadores MHx y PHx por medio del inyector de aire.
El flujo de aire fresco producido por la turbomáquina ACM permite reducir el flujo del motocompresor, lo cual es favorable para la optimización del punto de funcionamiento aerodinámico en la medida en que los puntos de tierra y de vuelo del campo de compresor se aproximan.
El modo tierra se activa, por ejemplo, cuando la aeronave está en tierra y a baja altitud (por ejemplo, por debajo de 15000 pies (=4572 m) de altitud) para poder generar la máxima potencia de frío por el "boost" de presión obtenido por la conexión en serie del motocompresor y el primer compresor de la turbomáquina ACM, y la separación del agua obtenida por la conexión con el circuito de extracción de agua.
Cuando la aeronave se encuentra a una altitud media o alta (por ejemplo, por encima de 15000 pies (=4572 m) en un
día caluroso o por encima de 25000 pies (=7620 m) en un día frío), la separación de agua ya no es necesaria y se vuelve inactiva al evitarse el circuito de extracción de agua (por ejemplo, abriendo una válvula de desvío o una válvula de derivación asociada a este circuito de extracción de agua). Además, la turbomáquina ACM produce un flujo de aire fresco, lo que permite reducir el flujo del motocompresor.
Ventajosamente y según la invención, al menos una válvula de regulación es una válvula controlada por un módulo de control en función de las condiciones de vuelo de la aeronave.
Según la invención, las válvulas de regulación que permiten cambiar de modo tierra a modo vuelo y viceversa, dirigiendo los flujos de aire en la entrada y la salida de los compresores y las turbinas de la turbomáquina ACM, pueden ser ya sea válvulas de altitud que cambian espontáneamente de una posición abierta a una posición cerrada en función de un parámetro representativo de la altitud de la aeronave, ya sea controladas por un módulo de control configurado para actuar sobre los actuadores de estas válvulas en función de las condiciones de vuelo.
Ventajosamente y según la invención, dicha fuente de aire fresco comprende un dispositivo de toma de aire dinámico en una toma de aire de la aeronave.
La invención también se refiere a una aeronave que comprende una cabina y un sistema de aire acondicionado para esta cabina, caracterizada por que dicho sistema de aire acondicionado de la cabina es un sistema según la invención.
Las ventajas y los efectos técnicos de un sistema de aire acondicionado según la invención se aplican mutatis mutandis a una aeronave según la invención.
La invención también se refiere a un procedimiento de aire acondicionado de una cabina de una aeronave que comprende una fuente de aire fresco, un canal de circulación de aire dinámico tomado del exterior de la aeronave, un intercambiador de enfriamiento, denominado primario, alojado en dicho canal de circulación de aire dinámico, un intercambiador de enfriamiento, denominado principal, alojado en dicho canal de circulación de aire dinámico, un motocompresor de accionamiento eléctrico, una turbomáquina de ciclo de aire que comprende al menos un primer compresor y una primera turbina conectados mecánicamente entre sí, y una red de tuberías y válvulas de regulación.
Un procedimiento según la invención comprende las etapas siguientes:
- el aire fresco es comprimido por dicho motocompresor,
- el aire comprimido por dicho motocompresor es conducido mediante dicha red de tuberías hacia dicho intercambiador primario de enfriamiento (PHx),
- el aire enfriado por dicho intercambiador primario de enfriamiento es transportado mediante dicha red de tuberías, en función de las condiciones de vuelo, ya sea hacia dicho primer compresor de dicha turbomáquina de ciclo de aire para experimentar en el mismo una segunda compresión, ya sea hacia dicha cabina,
- cuando las condiciones de vuelo lo requieran, el aire conducido hacia dicho primer compresor es luego enfriado por dicho intercambiador principal de enfriamiento antes de ser expandido por al menos dicha primera turbina y conducido mediante dicha red de tuberías hacia dicha cabina,
- dicha primera turbina de dicha turbomáquina de ciclo de aire es alimentada, en función de las condiciones de vuelo, ya sea mediante aire viciado evacuado de dicha cabina, ya sea mediante el aire enfriado por dicho intercambiador principal de enfriamiento para poder accionar al menos dicho primer compresor en rotación,
- dicha primera turbina de dicha turbomáquina de ciclo de aire alimenta, en función de las condiciones de vuelo, ya sea dicha cabina, ya sea un inyector de aire que desemboca en dicho canal de circulación de aire dinámico aguas arriba de dichos intercambiadores de enfriamiento.
Un procedimiento de aire acondicionado según la invención se implementa ventajosamente mediante un sistema de aire acondicionado según la invención, y un sistema de aire acondicionado según la invención implementa ventajosamente un procedimiento según la invención.
De este modo, las ventajas y los efectos técnicos de un sistema de aire acondicionado según la invención se aplican mutatis mutandis a un procedimiento según la invención.
La invención también se refiere a un sistema de aire acondicionado, a un procedimiento de aire acondicionado, y a una aeronave que comprende un sistema de aire acondicionado de este tipo.
Lista de figuras
Otros objetivos, características y ventajas de la invención se pondrán de manifiesto con la lectura de la siguiente descripción aportada a título únicamente no limitativo y que hace referencia a las figuras adjuntas, en las que:
[Fig. 1] es una vista esquemática de un sistema de aire acondicionado según un modo de realización de la invención,
[Fig. 2] es una vista esquemática del sistema de aire acondicionado de la figura 1 en modo tierra,
[Fig. 3] es una vista esquemática del sistema de aire acondicionado de la figura 1 en modo vuelo.
Descripción detallada de un modo de realización de la invención
En las figuras, las escalas y las proporciones no se respetan estrictamente a efectos de ilustración y de claridad.
Además, los elementos idénticos, similares o análogos se designan con las mismas referencias en todas las figuras.
La figura 1 describe un sistema eléctrico de aire acondicionado para una cabina 10 de una aeronave que comprende una fuente de aire fresco 11, un canal de circulación de aire dinámico 12 tomado del exterior de la aeronave, y una red de tuberías 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 y válvulas de regulación 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 configuradas para poder regular el flujo de aire que circula por las tuberías en función de las condiciones de vuelo de la aeronave.
Un sistema de aire acondicionado según la invención también comprende un motocompresor 13 de accionamiento eléctrico que comprende una entrada de aire 13a conectada fluídicamente mediante la tubería 45 de la red de tuberías a la fuente de aire fresco 11, y una salida de aire 13b conectada a un intercambiador primario de enfriamiento PHx alojado en el canal de circulación de aire dinámico 12 mediante la tubería 31 de la red de tuberías equipada con la válvula de regulación 28.
El sistema de aire acondicionado según el modo de realización de las figuras también comprende una turbomáquina 14 de ciclo de aire que comprende un primer compresor 15, un segundo compresor 16, una primera turbina 17 y una segunda turbina 18 acoplados mecánicamente entre sí mediante un árbol mecánico 19.
El primer compresor 15 comprende una entrada de aire 15a conectada al intercambiador PHx por medio de las tuberías 42 y 32 de la red de tuberías dotada de la válvula de regulación 21. De este modo, en caso de apertura de la válvula de regulación 21, el compresor 15 puede ser alimentado por el aire en la salida del intercambiador PHx.
La entrada 15a del compresor 15 también está conectada a la salida 16b del segundo compresor 16 por medio de las tuberías 42 y 41 equipadas con la válvula de regulación 20, que es una válvula de tres vías. La salida 16b del compresor 16 también está conectada a una tobera de aire 51 que desemboca en el canal de aire dinámico 12 por medio de las tuberías 40, 41 equipadas con la válvula de tres vías 20.
La salida de aire 15b del compresor 15 está conectada a un intercambiador principal de enfriamiento MHx, alojado en el canal de circulación de aire dinámico 12 tomado del exterior de la aeronave, por medio de una tubería 33.
La válvula de regulación 20 permite, cuando es controlada, ya sea entregar el aire comprimido por el compresor 16 hacia la entrada del compresor 15, ya sea alimentar la tobera de aire 51 que desemboca en el canal de circulación de aire 12 aguas abajo de los intercambiadores de enfriamiento MHx y PHx.
El compresor 16 también comprende una entrada 16a conectada a la fuente de aire fresco 11.
Además, la primera turbina 17 comprende una entrada de aire 17a conectada a un puerto de evacuación 54 de aire viciado de la cabina 10 por medio de la tubería 38 de la red de tuberías equipada con una válvula de regulación de tres vías 27.
La entrada 17a de la turbina 17 también se puede conectar a un condensador 60 de un circuito de extracción de agua por medio de las tuberías 38 y 44 equipadas con una válvula de tres vías 27, conectada a su vez a la salida 18b de la turbina 18 por medio de la tubería 39 equipada con la válvula 25.
La entrada 18a de la turbina 18 está conectada al puerto de evacuación 54 de aire viciado de la cabina 10 por medio de la tubería 47 de la red de tuberías equipada con la válvula de tres vías 23.
La entrada 18a de la turbina 18 también está conectada a un calentador 61 por medio de la tubería 43 de la red de tuberías. El calentador 61 está conectado a un separador de agua 62 por medio de la tubería 35. El separador de agua 62 está conectado al condensador y al calentador 61, conectado a su vez al intercambiador MHx por medio de la tubería 46 equipada con la válvula 22.
La turbina 17 también comprende una salida de aire 17b conectada a la cabina 10 por medio de la tubería 37 equipada con la válvula de tres vías 26 para poder alimentarle aire a presión y temperatura controladas.
La salida 17b también está conectada a un inyector de aire 52 que desemboca en el canal de circulación de aire 12, aguas arriba de dichos intercambiadores de enfriamiento MHx, PHx por medio de la tubería 36 equipada con la válvula de tres vías 26.
De este modo, el aire del intercambiador MHx puede pasar por el circuito de extracción de agua formado por el
calentador 61, el condensador 60 y el separador de agua 62 antes de alimentar la entrada 18a de la turbina 18 para una primera expansión, seguida de una segunda expansión por la turbina 17 antes de alimentar la cabina 10.
Un sistema de aire acondicionado según la invención permite, por tanto, mediante el control de las válvulas de regulación 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 asociadas a las tuberías 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, presentar al menos un modo de funcionamiento en tierra y un modo de funcionamiento en vuelo.
La figura 2 ilustra esquemáticamente el modo de funcionamiento en tierra. Las líneas en negrita (en las Figuras 2 y 3) ilustran la trayectoria del aire dentro del sistema entre la fuente de aire fresco 11 y la cabina 10, permitida mediante el control de las válvulas de regulación del sistema. Las flechas dibujadas en la proximidad de las tuberías de circulación representadas en líneas en negrita en las figuras 2 y 3 ilustran el sentido de circulación del aire en las tuberías correspondientes.
En el modo de funcionamiento de la Figura 2, el motocompresor 13 es alimentado por la fuente de aire fresco 11. Este aire es comprimido por el motocompresor 13, luego dirigido mediante la tubería 31 hacia el intercambiador PHx. En la salida del PHx, este aire se dirige al primer compresor 15 por medio de las tuberías 32 y 42 para experimentar en el mismo una segunda compresión. El aire que sale del compresor 15 se dirige luego al intercambiador MHx mediante la tubería 33 para ser enfriado en el mismo. El aire enfriado por el intercambiador MHx pasa, a continuación, por el circuito de extracción de agua formado por el calentador 61, el condensador 60 y el separador de agua 62.
En la salida del circuito de extracción de agua, el aire es expandido sucesivamente por las turbinas 17 y 18, antes de alimentar la cabina 10 por medio de la tubería 37.
Según este modo de realización, el aire procedente de la fuente de aire fresco 11 también alimenta el compresor 16 mediante la tubería 30 que comprime el aire, que luego se dirige a la tobera de aire 51 que desemboca en el canal de circulación de aire 12 aguas abajo de los intercambiadores MHx y PHx para garantizar la circulación de aire en el canal de aire dinámico 12.
Para asegurar la circulación de aire en el canal de aire dinámico, es posible, según otro modo de realización, reemplazar la tobera de aire 51 por un ventilador eléctrico o un ventilador accionado por la turbomáquina.
Este modo de funcionamiento se activa, por ejemplo, cuando la aeronave está en tierra y a baja altitud (por ejemplo, por debajo de 15000 pies de altitud) para poder generar la máxima potencia de frío por el "boost" de presión obtenido por la conexión en serie del motocompresor y el primer compresor de la turbomáquina ACM, y la separación del agua obtenida por la conexión con el circuito de extracción de agua.
La figura 3 ilustra esquemáticamente el modo de funcionamiento en vuelo definido como vuelo más allá de una altitud predeterminada, que se establece, por ejemplo, en 15000 pies (=4572 m).
Las líneas en negrita ilustran la trayectoria del aire dentro del sistema entre la fuente de aire fresco 11 y la cabina 10, permitida mediante el control de las válvulas de regulación del sistema.
En vuelo, la fuente de aire fresco 11 alimenta al motocompresor 13, que comprime el aire y lo dirige al intercambiador primario PHx por medio de la tubería 31. La fuente de aire fresco 11 también alimenta el compresor 16 por medio de la tubería 30. Este compresor 16 comprime el aire y lo dirige a continuación al compresor 15, por medio de las tuberías 41 y 42, para una segunda compresión. El aire comprimido que sale del compresor 15 se dirige hacia el intercambiador principal de enfriamiento MHx por medio de la tubería 33.
Los flujos de aire procedentes del motocompresor 13 y de la doble compresión por los compresores 16 y 15 se juntan en la salida de los intercambiadores en el nodo con la referencia 70. El flujo de aire resultante se dirige directamente hacia la cabina 10 mediante las tuberías 46 y 34. Para ello, se evita el circuito de extracción de agua mediante el control de la válvula 22.
En el modo vuelo, el aire viciado evacuado de la cabina a través del puerto 54 alimenta directamente las turbinas 17 y 18 para recuperar la energía de este aire para asegurar el accionamiento de los compresores 16, 15 montados en el mismo árbol 19 que las turbinas.
Además, el flujo de aire en la salida de la turbina 17 y el flujo de aire en la salida de la turbina 18 se juntan en el nodo con la referencia 72, y luego el flujo de aire resultante se dirige a dicho inyector de aire 52 por medio de la tubería 36 aguas arriba de los intercambiadores MHx y PHx.
El modo vuelo se activa cuando la aeronave se encuentra a una altitud media o alta (por ejemplo, más de 15000 pies (=4572 m) en un día caluroso o más de 25000 pies (=7620 m) en un día frío). A estas altitudes, la separación del agua ya no es necesaria y se vuelve inactiva al rodear el circuito de extracción de agua. Además, la turbomáquina ACM produce un flujo de aire fresco, lo que permite reducir el flujo del motocompresor.
Se ha descrito un modo de realización del sistema de aire acondicionado según la invención con una turbomáquina de cuatro ruedas (dos compresores y dos turbinas). Siendo esto así, según otros modos de realización, la turbomáquina puede ser una turbomáquina de tres ruedas (dos compresores y una turbina o un compresor y dos turbinas) o una máquina de dos ruedas (un compresor y una turbina).
Claims (8)
1. Sistema eléctrico de aire acondicionado para una cabina (10) de una aeronave, que comprende una fuente de aire fresco (11), un canal de circulación de aire dinámico (12) tomado del exterior de la aeronave, una red de tuberías (30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47) y válvulas de regulación (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28) configuradas para poder regular el flujo de aire que circula por dichas tuberías en función de las condiciones de vuelo de la aeronave, un intercambiador de calor, denominado intercambiador primario de enfriamiento (PHx), alojado en dicho canal de circulación de aire dinámico, un intercambiador de calor, denominado intercambiador principal de enfriamiento (MHx), alojado en dicho canal de circulación de aire dinámico, el sistema comprende además:
- un inyector de aire (52) que desemboca en dicho canal de aire dinámico aguas arriba de dichos intercambiadores de enfriamiento,
- un puerto de evacuación (54) de aire viciado de dicha cabina,
- un motocompresor (13) de accionamiento eléctrico que comprende una entrada de aire (13a) conectada fluídicamente mediante dicha red de tuberías a dicha fuente de aire fresco (11), y una salida de aire (13b) conectada a dicho intercambiador primario de enfriamiento (PHx), alojado en dicho canal de circulación de aire dinámico (12),
- una turbomáquina (14) de ciclo de aire que comprende al menos un primer compresor (15) y una primera turbina (17) acoplados mecánicamente entre sí mediante un árbol mecánico (19),
- comprendiendo dicho primer compresor (15) una entrada de aire (15a) adaptada para poder conectarse fluídicamente mediante dicha red de tuberías, bajo el control de dichas válvulas de regulación, ya sea a dicho intercambiado primario de enfriamiento (PHx), ya sea a dicha fuente de aire fresco (11), y una salida de aire (15b) conectada fluídicamente a dicho intercambiador principal de enfriamiento (MHx), alojado en dicho canal de circulación de aire dinámico (12) tomado del exterior de la aeronave,
- comprendiendo dicha primera turbina (17) una entrada de aire (17a) adaptada para poder conectarse fluídicamente, mediante dicha red de tuberías, bajo el control de dichas válvulas de regulación, ya sea a dicho puerto de evacuación (54) de aire viciado de dicha cabina (10), ya sea a dicho intercambiador principal de enfriamiento (MHx), y una salida de aire (17b) adaptada para poder conectarse fluídicamente mediante dicha red de tuberías, bajo el control de dichas válvulas de regulación, ya sea a dicha cabina (10) para poder alimentarla con aire a presión y temperatura controladas, ya sea a dicho inyector de aire (52) que desemboca en dicho canal (12) de circulación de aire, aguas arriba de dichos intercambiadores de enfriamiento (MHx, PHx).
2. Sistema eléctrico de aire acondicionado según la reivindicación 1, caracterizado por que dicha turbomáquina (14) de ciclo de aire comprende al menos un segundo compresor (16) y una segunda turbina (18) acoplados mecánicamente a dicho primer compresor (15) y a dicha primera turbina (17) mediante dicho árbol mecánico (19),
- comprendiendo dicho segundo compresor (16) una entrada de aire (16a) conectada fluídicamente a dicha fuente de aire fresco (11), y una salida de aire (16b) adaptada para poder conectarse fluídicamente, bajo el control de dichas válvulas de regulación, ya sea dicha entrada de aire (15a) de dicho primer compresor (15), ya sea a una tobera de aire (51) que desemboca en dicho canal (12) de aire dinámico aguas abajo de dichos intercambiadores de enfriamiento (PHx, MHx),
- comprendiendo dicha segunda turbina (18) una entrada de aire (18a) adaptada para poder conectarse fluídicamente, bajo el control de dichas válvulas de regulación, ya sea a dicho intercambiador principal de enfriamiento (MHx), ya sea a dicho puerto de evacuación (54) de aire viciado de dicha cabina (10), y una salida de aire (18b) adaptada para poder conectarse fluídicamente, bajo el control de dichas válvulas de regulación, ya sea a dicha entrada de aire (17a) de dicha primera turbina (17), ya sea a dicho inyector de aire (52) que desemboca en dicho canal de aire dinámico (12) aguas arriba de dichos intercambiadores de enfriamiento (MHx, PHx).
3. Sistema eléctrico de aire acondicionado según una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que comprende además un circuito de extracción de agua adaptado para poder conectarse fluídicamente mediante dicha red de tuberías, bajo el control de una válvula de altitud, a dicho intercambiador principal de enfriamiento (MHx) y a al menos una turbina (17, 18) de dicha turbomáquina de ciclo de aire, para poder extraer el agua presente en el aire entregado por dicho intercambiador principal de enfriamiento antes de ser entregado a esta turbina de expansión.
4. Sistema eléctrico de aire acondicionado según las reivindicaciones 2 y 3 tomadas conjuntamente, caracterizado por que dichas válvulas de regulación están controladas para permitir al menos los siguientes modos de funcionamiento:
- un modo de funcionamiento, denominado modo tierra, en el que dicho motocompresor (13) es alimentado por la fuente de aire fresco (11) para poder comprimir este aire, que luego se dirige, tras el enfriamiento mediante dicho intercambiador primario de enfriamiento (PHx), hacia el primer compresor (15) de dicha turbomáquina de ciclo de aire para experimentar en el mismo una segunda compresión, luego hacia dicho circuito de extracción de agua y dichas turbinas (17, 18) de la turbomáquina alimentadas en serie para experimentar en las mismas una doble expansión antes de alimentar dicha cabina (10) de la aeronave, y en el que dicho segundo compresor (16) de dicha turbomáquina es alimentado además por dicha fuente de aire fresco (11), que luego es dirigido, tras la compresión, hacia dicha tobera de aire (51) dispuesta aguas abajo de los intercambiadores de enfriamiento para asegurar la
circulación de aire dinámico en dicho canal de aire dinámico (12),
- un modo de funcionamiento, denominado modo vuelo, en el que dicha fuente de aire fresco (11) alimenta en paralelo dicho motocompresor (13) y dichos compresores (15, 16) de dicha turbomáquina alimentados en serie, para poder experimentar en los mismos una doble compresión antes de ser enfriado respectivamente por dicho intercambiador primario de enfriamiento (PHx) y dicho intercambiador principal de enfriamiento (MHx), y juntarse en un flujo de aire común dirigido hacia dicha cabina evitando dicho circuito de extracción, y en dichas turbinas (17, 18) de la turbomáquina de ciclo de aire se alimentan en paralelo por aire viciado evacuado de la cabina (10) para poder proporcionar potencia mecánica para el accionamiento de los compresores de la turbomáquina de ciclo de aire, alimentando dichas turbinas (17, 18) en la salida dicho inyector de aire (52) que desemboca en dicho canal de circulación de aire (12) aguas arriba de dichos intercambiadores de enfriamiento (PHx, MHx).
5. Sistema eléctrico de aire acondicionado según la reivindicación 4, caracterizado por que al menos una válvula de regulación (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28) es una válvula controlada por un módulo de control en función de las condiciones de vuelo de la aeronave.
6. Sistema eléctrico de aire acondicionado según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que dicha fuente de aire fresco (11) comprende un dispositivo de toma de aire dinámico en una toma de aire de la aeronave.
7. Aeronave que comprende una cabina (10), caracterizada por que comprende un sistema de aire acondicionado según una de las reivindicaciones 1 a 6, alimentando dicho sistema de aire acondicionado dicha cabina (10) de la aeronave con aire acondicionado.
8. Procedimiento de aire acondicionado de una cabina de una aeronave, que comprende una fuente de aire fresco (11), un canal de circulación de aire dinámico (12) tomado del exterior de la aeronave, un intercambiador de enfriamiento, denominado intercambiador primario (PHx), alojado en dicho canal de circulación de aire dinámico (12), un intercambiador de enfriamiento, denominado intercambiador principal (MHx), alojado en dicho canal de circulación de aire dinámico (12), un motocompresor (13) de accionamiento eléctrico, una turbomáquina (14) de ciclo de aire que comprende al menos un primer compresor (15) y una primera turbina (17) conectados mecánicamente entre sí, y una red de tuberías (30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47) y válvulas de regulación (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28), el procedimiento comprende las etapas siguientes:
- el aire fresco es comprimido por dicho motocompresor (13),
- el aire comprimido por dicho motocompresor (13) es conducido mediante dicha red de tuberías hacia dicho intercambiador primario de enfriamiento (PHx),
- el aire enfriado por dicho intercambiador primario de enfriamiento (PHx) es transportado mediante dicha red de tuberías, en función de las condiciones de vuelo, ya sea hacia dicho primer compresor (15) de dicha turbomáquina de ciclo de aire para experimentar en el mismo una segunda compresión, ya sea hacia dicha cabina (10), - cuando las condiciones de vuelo lo requieran, el aire conducido hacia dicho primer compresor (15) es luego enfriado por dicho intercambiador principal de enfriamiento (MHx) antes de ser expandido por al menos dicha primera turbina (17) y conducido mediante dicha red de tuberías hacia dicha cabina (10),
- dicha primera turbina (17) de dicha turbomáquina de ciclo de aire es alimentada, en función de las condiciones de vuelo, ya sea mediante aire viciado evacuado de dicha cabina (10), ya sea mediante el aire enfriado por dicho intercambiador principal de enfriamiento (MHx) para poder accionar al menos dicho primer compresor (15) en rotación,
- dicha primera turbina (17) de dicha turbomáquina de ciclo de aire alimenta, en función de las condiciones de vuelo, ya sea dicha cabina (10), ya sea un inyector de aire (52) que desemboca en dicho canal de circulación de aire dinámico aguas arriba de dichos intercambiadores de enfriamiento.
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