JP4537106B2 - 結合された熱交換器を備えるパック・ハーフ凝縮循環装置、およびこの装置用のマニホールド - Google Patents

結合された熱交換器を備えるパック・ハーフ凝縮循環装置、およびこの装置用のマニホールド Download PDF

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Description

本発明は、航空機に適した空気生成装置(air generation unit)(AGU)に関し、より詳細には、本発明は、2つの空気循環装置(air cycle machine)(ACM)であってそれぞれが好ましくは2つのタービンを有する空気循環装置を利用するパック・ハーフ(a pack and a half)空気生成装置構成に関する。
AGUは、通常、少なくとも1つのACMと、エンジンからの抽気(bleed air)などの加圧空気源からの空気を受け取る少なくとも1つの熱交換器とを含み、冷却空気を航空機の機室および操縦室へ提供する。AGUは、航空機の主翼とテールセクションの少なくとも一方の中に収容またはパッケージされることができる。従って、AGUを収容するのに除去する必要がある航空機構造の量を制限するように非常に小さな組立済ユニットまたはパッケージ(package)を有するAGUを提供するのが望ましい。さらに、AGUは、航空機の大きさに対して十分な冷却を与える必要がある。
パック・ハーフAGUは、2つのACMが共通の熱交換器を共有する第1の従来技術のシステムに使用するために開発された。パック・ハーフ構成は、それぞれがそれ自体の熱交換器を有する2つの別々のAGUより増大した冷却とより小さなパッケージとを提供する。システムは、ファンと、圧縮機と、単一タービンとを有する三ホイール空気循環装置を利用する。
従来技術のAGUは、一次熱交換器と二次熱交換器とを有する熱交換器を含む。抽気は、タービンエンジンの中間段または高圧段から取られる。抽気は、一次熱交換器内で予冷され、熱が、ラム空気に捨てられ、次に、ACMの圧縮機へと伝達される。圧縮後、空気は、二次熱交換器を通して凝縮器へ伝達される。凝縮水蒸気は、水収集器(water collector)により抽出され、除湿器空気は、タービンへと送られ、そこで、空気は、膨張されて、低温空気が生成される。低温空気は、混合器(mixer)へ、および航空機内の分配装置へ送られる。
第2の従来技術のシステムは、単一ACMと単一熱交換器とを有するAGUを使用する。システムは、ファンと、圧縮機と、第1のタービンと、第2のタービンとを含む四ホイール構成である。このAGUの作動は、第1の従来技術のシステムのAGUと同様であるが、第2のタービンが、第1のタービンから低温空気を受け取り、この冷たい空気をさらに膨張させて、氷点下の空気を生成する。第2のタービンは、より大型の航空機を冷却するのに十分な空気を生成する。
1,000人までの乗客またはそれを超える乗客を運ぶことができる非常に大型の商用航空機が開発されている。これらの大型航空機は、非常に低い温度を生成できるAGUを必要とする。しかしながら、航空機に対する設計の制限は、非常に高い信頼性を有する非常に小さなパッケージを必要とする。第1の従来技術のシステムのAGU構成によって生成される調整空気は、そのような大型航空機に対して十分には低温でない。第2の従来技術のシステムのAGU構成は、十分に低温の空気を提供するが、4つまでのAGUまたはそれを超えるAGUが、そのような大型航空機には必要となるであろうし、それによって、大きな航空機構造を除去する必要があろうし、また、重量が大幅に増加することになるであろう。
第1の従来技術のシステムのパック・ハーフ構成は、空気を凝縮器へおよび凝縮器から分配するマニホールドへのタービンからの空気の流れを制御するのに、マニホールドの外部にある電磁弁を利用する。ACMのうちの1つが、必要でないかあるいは動作不良の場合は、この不必要なACMは、停止または無負荷運転(idle)される。専用電磁弁は、非常に不十分な作動を引き起こすことになる不必要なACMのタービンからの漏れを防止するように、閉にされる。従って、従来のAGU内の各タービンは、それぞれに付随するソレノイドを有する。ホースおよびバンドクランプ(band clamp)が、各ソレノイドをAGU内のマニホールドに接続する。さらに、多くのワイヤが、各ソレノイドを制御器に接続するのに使用される。その結果、従来技術のAGUでは、AGU内のタービンの数が増加するにつれ部材の数が大幅に増加するので、費用がより高くなるとともに信頼性が低下することになる。
従って、小さなパッケージと、向上した信頼性と、大型航空機の必要に対して十分に低温の空気とを有する改良されたAGUが必要とされている。
本発明は、各空気循環装置が第1のタービンおよび第2のタービンを有する第1の空気循環装置(ACM)および第2の空気循環装置を含む空気生成装置を提供する。マニホールドが、第1のACMと第2のACMの間に配置され、第1のACMおよび第2のACMの第1のタービンおよび第2のタービンのそれぞれと流体連通する。凝縮器が、2つのACMの間に配置され、マニホールドと流体連通する。第1の弁および第2の弁が、マニホールド内に配置され、タービンと凝縮器の間の空気の流れを制御する。アクチュエータアッセンブリが、これらの弁に接続され、複数の位置の間で弁を移動させる。これらの弁は、ACMのうちの一方が必要でないかまたは動作不良の場合は、この一方のACMのタービンからの空気の流れを閉鎖または妨げる。
従って、上述した本発明は、小さなパッケージと、向上した信頼性と、大型航空機の必要に対して十分に低温の空気とを有する改良されたAGUを提供する。
本発明の他の利点は、添付の図面と関連して考慮されるとき、以下の詳細な説明を参照することによって理解できる。
空気生成装置(AGU)10が、図1〜図3に示される。AGU10は、抽気弁14を通してエンジン12の中間圧段または高圧段から加圧空気を受け取る。加圧空気は、AGU10により調整されて、調整空気が航空機に提供される。
本発明のAGU10は、第1の空気循環装置(ACM)16と第2の空気循環装置18を含む。本発明のACM16および18は、ファン20と、圧縮機22と、第1のタービン24と、第2のタービン26とを含む四ホイール構成である。ACM16および18は、航空機フレームに取り付けられる共有または共通の熱交換器28に機械的に取り付けられる。ラム空気入口ヘッダ30が、ラム空気を熱交換器28に提供し、ラム空気は、熱交換器28からラム空気出口ヘッダ32とラム出口34を通って流出する。ファン20が、ヘッダ30および32を通して空気を吸引するのを助ける。
図1に最もよく示されるように、ラム空気は、経路Iに沿ってヘッダ30に流入する。ラム空気は、入口ヘッダ30により画成される経路Iに対して横向きに位置を占めるラム空気流れ経路R内で熱交換器28を通って流れる。図2をここで参照すると、熱交換器28は、一次熱交換器36と二次熱交換器38とを含む。一次熱交換器36は、空気対空気熱交換器であり、圧縮機22により圧縮する前にエンジン12からの抽気を冷却する。二次熱交換器38は、タービン24および26に送って膨張させさらに冷却する前に圧縮機22からの圧縮空気を冷却する。熱交換器28は、流れのない方向において第1の熱交換器部分40と第2の熱交換器部分42とに分割されて、AGU10の構造上の中枢である熱交換器28上の熱応力が低減される。特に、流れ方向は、ラム空気入口ヘッダ30を通る経路Iにより示される。経路Iの方向に沿って熱交換器28を分割することによって、数学的モデルに基づいて熱交換器28上の熱応力が低減される。しかしながら、ラム空気流れRが熱交換器28を通って流れるようなラム空気流れRの方向に熱交換器28を分割することは、熱交換器の熱応力に対して有する効果が、より有利でなくなる。分割熱交換器28により達成された低減された熱応力によって、熱交換器28およびAGU10の寿命が延びる。
凝縮器44が、第1の熱交換器部分40と第2の熱交換器部分42の間に配置され、それによって、凝集器44は、ACM16と18によって共有され得る。凝縮器44は、水収集器46により収集され得る水蒸気を生成して、二次熱交換器38から受け取った空気を除湿する。水収集器46は、凝縮器44の下に配置されて、重力を利用することによって水蒸気をより効率的に収集する。凝縮器44および収集器46は、ACM16と18の間に中央に配置される。マニホールド48が、凝縮器44と水収集器46の間に取り付けることができて、ACM16および18と、AGUの他の部材の間の効率的な集中関係が得られる。その結果、多くのホースおよび連結が、マニホールド48および他の中央に配置された部材の構造に一体化できて、信頼性が向上する。
図4は、ACM16および18と熱交換器28の間のマウントを図示しており、このマウントは、熱交換器28上の応力をさらに低減するとともに、ACM16および18により生成される振動を絶縁して、振動が熱交換器28を通して航空機へと伝達されるのを防止する。マウント50は、ACM16および18のそれぞれと熱交換器28との間において三角形パターンに配置され得る。特に、マウント50は、各ACMとそのそれぞれの熱交換器部分40および42の間において配置され得る。マウント50は、熱交換器28に接続されたブラケット52を含むことができ、このブラケット52は、ACM16および18上に取り付けられた可撓性の防振装置(isolator)54にUリンク56を介して相互に接続される。他のマウント50に対しては、ブラケット52およびUリンク56が、必要でなくなり得る。熱交換器28は、図5に最もよく示されるフレームマウント57によって機体に取り付けられ得る。
図5を続けて参照すると、エンジンからの加圧空気は、抽気入口59を通って流入する。高温抽気は、一次熱交換器36を通って流れ、この空気は、アルミニウム部材と共に使用するのに適した温度に冷却される。一次熱交換器36からの冷却空気は、圧縮機入口62に流入し、そこで、圧縮機22によって圧縮されて、圧縮空気が提供される。圧縮空気の温度は、圧縮機22によって上昇されており、それによって、圧縮空気は、二次熱交換器38を通して流される必要がある。圧縮空気は、圧縮機出口64を通って圧縮機22から流出し、二次熱交換器38内へ流れる。二次熱交換器38からの冷却空気は、凝縮器44へ伝達されて、水収集器46により収集されるのに十分な特性の水蒸気を形成する。除湿空気は、水収集器出口68から流出し、第1のタービン入口69に流入する。除湿空気は、第1のタービン24によって膨張されて、約34°Fと同じほど低くなり得る第1の温度を有する第1の調整空気を生成する。
マニホールド48は、互いに固定された上部マニホールド部分58と下部マニホールド部分60とを含むことができる。マニホールド48は、ACM間に中央に配置されており、従来技術ではACMと他のAGU部材の間に固定された複数のホースによって一般に画成されていた多数の通路を一体化する。第1のタービン出口70からの調整空気は、下部マニホールド60を通して伝達され、凝縮器低温入口72を通して凝縮器44へ送られる。凝縮器44と水収集器46は、第1のタービン24からの調整空気から余分な水分(moisture)を除去する。さらに除湿された空気は、マニホールド48を通して、凝縮器低温出口74を通して、第2のタービン入口76内へと伝達され、そこで、空気は、第2のタービン26によりさらに膨張される。第2のタービン26により生成される調整空気の温度は、第1のタービン24により生成された調整空気の温度より低い。第2のタービン26により生成された調整空気は、氷点下の温度となり得るものであり、これによって、AGU10は大型航空機の冷却がより十分に可能となる。
第2のタービン調整空気出口からの空気は、航空機を冷却するための混合器・分配装置84へ送られる。第2のタービン調整空気出口78は、混合器・分配装置84へ送る空気の湿度と温度を調節するように、第1のタービン空気調整空気出口と、これに連通する他の空気源とを有することができる。
ACM16および18は、ファン20と、圧縮機22と、第1のタービン24と、第2のタービン26とを支持するシャフト82を有する四ホイール機械である。ファン20は、ラム空気流れ内に配置される。ファン20は、航空機が移動していない場合は、空気を熱交換器28を通して吸引する。AGU10の点検および組み立てを容易にするために、ラム空気出口ヘッダ32は、シール88により互いに中央に固定されたラム空気出口ヘッダ部分86を備えることができる。
図7〜図9Bを参照すると、マニホールド48の一部が概略図示される。マニホールド48は、対向する第1の通路90を含み、この第1の通路90のそれぞれは、第1のACM16および第2のACM18のそれぞれの第1のタービン24と流体連通する第1のタービン出口70を画成する。また、マニホールド48は、対向する第2の通路92を含み、この第2の通路92のそれぞれは、第1のACM16および第2のACM18のそれぞれの第2のタービン26と流体連通する第2のタービン入口76を画成する。マニホールド48は、第1の交差部(intersection)95において第1の通路90に流体的に接続された凝縮器入口通路94を含む。凝縮器出口通路96が、第2の交差部97において第2の通路92に流体的に接続される。通路94および96は、凝縮器44と流体連通する。
図7を参照すると、第1のゲート弁102および第2のゲート弁104が、第1の交差部95および第2の交差部97においてそれぞれ配置される。弁102、104は、アクチュエータアッセンブリ108によって複数の角度位置の間で回転される共通軸100により支持される。弁102、104は、ACM16、18から凝縮器44への空気の流れを選択的に制御して、AGU10の効率的な作動を可能とする。例えば、ACMの一方だけが、寒い日の引き上げ(pull−up)作動中には必要とされ得るし、あるいは、ACMの一方が動作不良となり得る。その結果、不必要なACMと凝縮器44の間の流れを遮断するのが好ましいであろうし、これによって、AGU10の効率に悪影響を及ぼすことになる空気漏れが防止されるであろう。
第1の位置P1においては、弁102、104は、ACM16、18の両方と凝縮器44の間に空気の流れを可能とする位置に配置される。第2の位置P2においては、第2のACM18と凝縮器44の間の空気の流れが維持されながら、第1のACM16と凝縮器44の間の流れが遮断される。第3の位置P3においては、第1のACM16と凝縮器44の間の空気の流れが維持されながら、第2のACM18と凝縮器44の間の流れが遮断される。弁102、104は、第1の位置P1と、第2の位置P2および第3の位置P3の間で45度回転されるのが必要なだけである。パイ(pie)形または他のどのような適切な構成とすることもできる。
アクチュエータアッセンブリ108は、歯車列112を通して軸100に結合された電気ステッピングモータ110を含み、歯車列112は、必要とされるモータの大きさを低減するようにモータ100により提供されるトルクを増加する。回転可変変位変換器(rotationally variable displacement transducer)(RVDT)114が、軸100の回転位置をモニタできる。モータ110とRVDT114は、弁102、104の位置をモニタしかつ制御してそれらの機能をAGU10全体の作動に統合するように、制御器(図示せず)に電気的に接続され得る。例えば、ACM速度およびシステム温度が、弁102、104の正しい作動をモニタするのに使用できる。軸100の端部101は、弁102、104の回転位置の手動での調節が可能となるように、アクチュエータアッセンブリ108またはいくつかの他の適切な位置から延びることができる。図形位置表示器が、保守技術者に弁102、104の位置を示すように端部101に隣接して配置され得る。
図8〜図9Bをここで参照すると、マニホールド48の垂直断面が示される。マニホールド48は、アルミニウム、または他の任意の適切な材料を用いて、砂型鋳造、インベストメント鋳造、または他のどのような適切な方法によっても形成され得るハウジングを画成する。隔壁98が、第1の通路90および交差部95を第2の通路92および交差部97から隔離して、第1のタービン24および第2のタービン26と凝縮器44の間の流れを分離する。端部ふた(end cap)105が、複数の留め具を用いてマニホールド48の本体の両端に固定される。端部ふた105は、マニホールド48の組み立ておよび点検を容易にする。
軸100は、端部ふた105および隔壁98内の孔により支持されており、これは、図8に最もよく示される。孔は、摩擦と空気漏れを低減するのに所望とされるようなブシュおよびシールを含み得る。軸受冷却構造が、特定の高温用途に必要とされるように使用され得る。弁102、104は、マニホールド48内への軸100、および弁102、104の取り付けが可能となるように、ピン106によって軸100に固定される。弁102、104とマニホールドハウジングの間のシールは、特定の用途での漏れに対する許容可能なしきい値に依存して、必要ではなくなり得る。
本発明は、例示的な方法で説明されており、理解されるように、使用された用語は、限定というより説明のための言葉という性質を帯びることが意図されている。明らかに、本発明の多くの変形物および変更物が、上述した教示に照らして可能である。従って、理解されるように、添付の特許請求の範囲内において、本発明は、具体的に述べた以外にも実施され得る。
本発明のAGUの正面斜視図である。 図1に示されるAGUの側立面図である。 図2に示されるAGUの反対側の底面斜視図である。 熱交換器とACMの間のマウントを図示する拡大斜視図である。 本発明のAGUの側面分解斜視図である。 本発明のAGUの概略図である。 本発明のマニホールドの概略図である。 本発明のマニホールドの断面図である。 ハウジングの一部に切欠きのある本発明のマニホールドの側面の斜視図である。 ハウジングの一部に切欠きのある図9Aに示すマニホールドの他方の側面の斜視図である。
符号の説明
10…空気生成装置(AGU)
14…抽気弁
16…第1の空気循環装置(ACM)
18…第2の空気循環装置(ACM)
20…ファン
22…圧縮機
24…第1のタービン
26…第2のタービン
28…熱交換器
36…一次熱交換器
38…二次熱交換器
40…第1の熱交換器部分
42…第2の熱交換器部分
44…凝縮器
46…水収集器
48…マニホールド
50…マウント
54…防振装置
70…第1のタービン出口
76…第2のタービン入口
90…第1の通路
92…第2の通路
94…凝縮器入口通路
96…凝縮器出口通路
100…軸
102…第1の弁
104…第2の弁
108…アクチュエータアッセンブリ
110…電気ステッピングモータ
112…歯車列
114…回転可変変位変換器

Claims (15)

  1. それぞれ第1のタービンおよび第2のタービンの2つのタービンを有する、第1の空気循環装置および第2の空気循環装置と、
    第1の空気循環装置および第2の空気循環装置の各々の第1のタービンおよび第2のタービンと流体連通するマニホールドと、
    マニホールドと流体連通する凝縮器と、
    マニホールド内に配置され、タービンと凝縮器の間の空気の流れを制御する、第1の弁および第2の弁と、
    これらの弁に接続され、複数の位置の間で弁を移動させる、アクチュエータアッセンブリと、
    を備えることを特徴とする航空機の空気生成装置。
  2. 前記マニホールドは、第1の交差部において流体的に接続される一対の対向する第1の通路であって、各通路が第1のタービンの1つに流体的に接続される、一対の対向する第1の通路を含み、さらに、マニホールドは、第2の交差部において流体的に接続される一対の対向する第2の通路であって、各通路が第2のタービンの1つに流体的に接続される、一対の対向する第2の通路を含み、第1の弁および第2の弁は、第1の交差部および第2の交差部においてそれぞれ配置されることを特徴とする請求項1記載の装置。
  3. 前記マニホールドは、第1の交差部と流体連通する凝縮器入口通路を含み、さらに、マニホールドは、第2の交差部と流体連通する凝縮器出口通路を含み、第1の通路は、第1のタービンの出口に流体的に接続され、第2の通路は、第2のタービンの入口に流体的に接続されることを特徴とする請求項2記載の装置。
  4. 前記複数の位置は、第1の空気循環装置および第2の空気循環装置のタービンを凝縮器に流体的に接続する第1の位置と、第1の空気循環装置のタービンを凝縮器に流体的に接続しかつ第2の空気循環装置のタービンを凝縮器から遮断する第2の位置と、第2の空気循環装置のタービンを凝縮器に流体的に接続しかつ第1の空気循環装置のタービンを凝縮器から遮断する第3の位置とを含むことを特徴とする請求項1記載の装置。
  5. 対向する一対の第1の通路および対向する一対の第2の通路を有するマニホールドであって、対向する一対の第1の通路と流体連通しこれらの第1の通路との第1の交差部を形成する凝縮器入口通路と、対向する一対の第2の通路と流体連通しこれらの第2の通路との第2の交差部を形成する凝縮器出口通路とを含む、マニホールドと、
    マニホールド内に配置され、第1の交差部および第2の交差部内にそれぞれ配置された第1の弁および第2の弁と、
    これらの弁に接続され、複数の位置の間で弁を移動させ、通路の間の空気の流れを制御する、アクチュエータアッセンブリと、
    を備えることを特徴とする航空機の空気生成装置用のマニホールド。
  6. 前記第1の弁および第2の弁は、共通軸により支持され、アクチュエータアッセンブリは、この軸に結合されることを特徴とする請求項5記載のマニホールド。
  7. 前記アクチュエータアッセンブリは、軸を駆動する電気ステッピングモータを含むことを特徴とする請求項6記載のマニホールド。
  8. 歯車列が、歯車列と軸の間に相互に接続されて増加されたトルクを軸に供給することを特徴とする請求項7記載のマニホールド。
  9. 回転可変変位変換器が、軸に接続され、この軸の角度位置を検出することを特徴とする請求項6記載のマニホールド。
  10. 前記軸の端部は、ハウジングから延びており、前記複数の位置の間で弁の手動調節が可能となることを特徴とする請求項6記載のマニホールド。
  11. 前記対向する第1の通路は、対向する第1のタービン出口を含み、対向する第2の通路は、対向する第2のタービン入口を含み、マニホールドは、第1のタービン出口の一方と第2のタービン入口の一方を含む第1の側部と、第1のタービン出口の他方と第2のタービン入口の他方を含む第2の側部とを有することを特徴とする請求項5記載のマニホールド。
  12. 前記複数の位置は、前記第1の側部および前記第2の側部を凝縮器に流体的に接続する第1の位置と、前記第1の側部を凝縮器に流体的に接続しかつ前記第2の側部を凝縮器から遮断する第2の位置と、前記第2の側部を凝縮器に流体的に接続しかつ前記第1の側部を凝縮器から遮断する第3の位置とを含むことを特徴とする請求項11記載のマニホールド。
  13. 前記第1の位置および第2の位置は、互いに約45度で角度的に離れており、前記第1の位置および第3の位置は、互いに約45度で角度的に離れていることを特徴とする請求項12記載のマニホールド。
  14. それぞれ第1のタービンおよび第2のタービンの2つのタービンを有する、第1の空気循環装置および第2の空気循環装置と、
    第1の空気循環装置および第2の空気循環装置の各々の第1のタービン出口と、第1の空気循環装置および第2の空気循環装置の各々の第2のタービン入口と流体連通する単一のマニホールドと、
    入口および出口を有し、その両方が前記マニホールドと流体連通する凝縮器と、
    タービンと凝縮器との間の空気の流れを制御するように、前記マニホールド内の前記一対の第1のタービン出口と前記凝縮器入口との間に配置された第1の弁と、前記マニホールド内の前記一対の第2のタービン入口と前記凝縮器出口との間に配置された第2の弁と、
    これらの弁に接続され、複数の位置の間で弁を移動させる、アクチュエータアッセンブリと、
    を備えることを特徴とする航空機の空気生成装置。
  15. 一対の空気循環装置の各々の第1のタービン出口と流体連通する対向する一対の第1の通路と、各空気循環装置の第2のタービン入口と流体連通する対向する一対の第2の通路と、を有するマニホールドであって、対向する一対の第1の通路と流体連通しこれらの第1の通路との第1の交差部を形成する凝縮器入口通路と、対向する一対の第2の通路と流体連通しこれらの第2の通路との第2の交差部を形成する凝縮器出口通路とを含む、マニホールドと、
    マニホールド内に配置され、第1の交差部および第2の交差部内にそれぞれ配置された第1の弁および第2の弁と、
    これらの弁に接続され、複数の位置の間で弁を移動させ、通路の間の空気の流れを制御する、アクチュエータアッセンブリと、
    を備えることを特徴とする航空機の空気生成装置用のマニホールド。
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