一種由高速電機驅動的空氣循環製冷系統的製作方法

2023-09-24 12:19:50

專利名稱：一種由高速電機驅動的空氣循環製冷系統的製作方法
技術領域：
本發明是涉及一種由高速電機驅動的空氣循環製冷系統，屬飛行器環境控制系統技術領域。
背景技術：
空氣循環製冷系統可調節座艙和電子設備的環境溫度，使其在合適的範圍內，以保證乘員的正常生理環境需求和電子設備的穩定運行。其製冷介質可同時輸入座艙作為增壓之用，使座艙通風、增壓和冷卻由同一系統完成。飛機製冷系統先後經歷了兩輪簡單式、兩輪升壓式、三輪升壓式和四輪升壓式空氣循環製冷系統[1]。上述空氣循環製冷系統均從發動機引氣，發動機引氣經過空氣循環制 冷系統降溫、降壓後通入座艙。採用發動機引氣會引起系統代償損失，增加燃油消耗；發動機內燃油及潤滑油揮發使引氣有油汙染，降低了供入座艙空氣的品質，座艙空氣的潔淨度
和座艙環境的舒適性。使用電動空氣循環製冷系統可以避免發動機引氣，可減少燃油比耗
O現代飛機技術正逐步向多電/全電飛機技術方向發展，並將取消發動機引氣[3]。為了適應飛機技術的發展，提高製冷系統的效率、座艙的舒適性，提出了一種電動空氣循環製冷系統。該系統取消了發動機引氣及相關的管道、閥門等附件，同時也避免了引氣對發動機熱力循環的影響，增大了發動機的推力[4]。電動空氣循環製冷系統氣源直接由外界大氣環境提供，沒有油汙染，從而不需要除油裝置，降低了系統的固定質量和代償損失。傳統空氣循環製冷系統受發動機不同型號的性能參數的影響而使得引氣參數有所不同，使得傳統的採用發動機引氣的空氣循環製冷系統通用性差。電動空氣循環製冷系統只需提供相同的電源制式，就能應用於發動機型號不同的飛機中。因此，電動空氣循環製冷系統的靈活性和適應性更強。

發明內容
本發明的目的是提供一種性能好、潔淨度高、性能代償損失小的高速電機驅動的空氣循環製冷系統。一種高速電機驅動的空氣循環製冷系統主要包括環境空氣，閥門，衝壓空氣，高速電機，動力潤輪，壓氣機，換熱器，冷卻潤輪，風扇，水分離器，噴嘴，座艙，電子設備艙。環境空氣(I)經過閥門(2)與壓氣機(3)的入口相連；壓氣機(3)壓縮後的高溫高壓氣體經過換熱器(5)的熱邊進入冷卻渦輪(6)膨脹降溫；膨脹降溫後的低溫低壓氣體會析出冷凝水，經過水分離器(7)分離除水後分為兩路，一路經過閥門(8)供入座艙(9)，另一路經過閥門(10)供入電子設備艙(11)。水分離器(7)分離出的水通過噴嘴(13)噴入系統的冷路與衝壓空氣混合，增大系統冷路的換熱能力；換熱器(5)冷邊出口的空氣經過風扇
(14)抽吸後進入動力渦輪(15)膨脹做功後排往外界大氣。高速電機驅動的空氣循環製冷系統的特徵在於
(I)取消了發動機壓氣機引氣，供入座艙的氣體不需經過發動機壓氣機壓縮，避免了發動機內燃油及潤滑油揮發對空氣品質的影響，使得系統供給座艙和電子設備艙的空氣沒有油汙染，提高了座艙空氣的潔淨度和座艙環境的舒適性。取消了相關除油設備，降低了製冷系統的固定質量和代償損失。(2)壓氣機(3)、高速電機(4)與動力渦輪(15)同軸。根據飛機不同的飛行狀態，通過變頻技術控制壓氣機(3)的轉速，從而達到控制環境空氣流量的目的。如高空飛行的時候，外界環境空氣密度很小，需提高壓氣機(3)的轉速才能保證系統環境空氣量的穩定。(3)換熱器(5)熱邊出口空氣經過冷卻渦輪(6)膨脹降溫，飽和含溼量降低，析出的水經過水分離器(7)分離後由噴嘴(13)噴入系統的冷路，與衝壓空氣(12)混合，提高了換熱器(5)的換熱效率，減小了換熱器(5)的質量，降低了衝壓空氣(12)的用量，進而降低系統代償損失。(4)冷卻渦輪(6)與風扇(14)同軸。換熱器(5)熱邊出口空氣經過冷卻渦輪(6) 膨脹輸出功率，帶動風扇轉動，抽吸冷路的衝壓空氣(12)以增大其流量，提高換熱器(5)的換熱量。(5)動力渦輪(15)回收利用冷邊排氣能量做功，與高速電機(4)共同驅動壓氣機
(3)，提高了系統的能量利用效率。(6)閥門(8)和閥門(10)分別控制座艙(9)和電子設備艙(11)的環境空氣流量。飛機的飛行狀態發生變化時，座艙(9)和電子設備艙(11)的熱載荷也會發生變化。如電子設備艙(11)在巡航狀態下的熱載荷要比起飛階段的大，應減小閥門(10)的開度，以使得供入電子設備艙(11)的空氣流量在合適的範圍內，提高系統的效率。


圖I是一種由高速電機驅動的空氣循環製冷系統示意I中標號名稱1.環境空氣，2.閥門，3.壓氣機,4.高速電機,5.換熱器,6.冷卻渦輪，7.水分離器，8.閥門，9.座艙，10.閥門，11.電子設備艙，12.衝壓空氣13.噴嘴，14.風扇，15.動力渦輪，16冷邊排氣。
具體實施例方式結合圖I說明系統的工作過程衝壓空氣經過冷風道作為系統環境空氣(I)經壓氣機增壓，氣體壓力溫度升高。經過換熱器(5)熱邊進行冷卻，冷卻後的空氣經過製冷渦輪進行膨脹做功，膨脹後的氣體溫度下降，氣體中的游離態水由水分離器(7)分離出後通過噴嘴(13)噴到換熱器冷邊入口，增大冷路衝壓空氣(12)的換熱能力，提高換熱器的換熱效率。環境空氣經過水分離器後分為兩路，一路供入座艙(9)，另一路供入電子設備艙(11)。閥門(8)根據座艙的熱載荷來調節其開度，以調節供入座艙空氣流量；閥門(10)根據電子設備艙(11)的熱載荷來調節其開度，調節供入電子設備艙的空氣流量。系統冷路的衝壓空氣(12)與噴嘴(13)噴出的液態水混合後通往換熱器(5)的冷邊，經過換熱後，衝壓空氣
(12)的溫度升高，冷卻渦輪(6)驅動的風扇(14)將其抽吸至動力渦輪(15)。衝壓空氣(12)的進入動力渦輪(15)膨脹降溫，輸出功率與高速電機(4)共同驅動壓氣機(3)。閥門(8)和閥門(10)分別控制座艙(9)和電子設備艙(11)的環境空氣流量，能夠根據不同的飛行狀態控制兩個閥門的開度。如電子設備艙(11)在起飛階段的熱載荷要比巡航階段的大，閥門
(10)的開度比起飛階段要大以使得供入電子設備艙(11)的空氣流量增大；而巡航狀態下，由於外界大氣環境溫度很低，飛機蒙皮向外界環境的散熱量較大，座艙的熱載荷很小，甚至需要加熱，故相對起飛階段應調小閥門(8)的開度，以控制座艙環境空氣流量的大小。根據文獻[5]提出的焓參數法，由表I中的數據可求得飛機在地面和高空4km飛行時渦輪的回收功及系統的性能係數。在飛行高度H=0km，Ma=O. 2時，動力渦輪(15)回收功率約佔壓氣機(3)耗功的6 %;在H=4km，Ma=O. 8時，動力渦輪迴收功約佔壓氣機(3)耗功的5. 5%，系統的能量利用效率得到明顯提升。表I附圖I系統設計計算數據
權利要求
1.一種高速電機驅動的空氣循環製冷系統，主要包括供氣(1)，閥門(2)，壓氣機(3)，高速電機(4)，換熱器(5)，動力渦輪(6)，水分離器(7)，閥門(8)，座艙(9)，閥門(10)，電子設備艙(11)，衝壓空氣(12)，噴嘴(13)，風扇(14)，動力渦輪(15)，冷邊排氣(16)。
其中供氣(I)經過閥門(2)與壓氣機(3)的入口相連；壓氣機(3)出來後經過換熱器(5)的熱邊後進入冷卻渦輪(6);冷卻渦輪(6)出來的氣流經過水分離器(7)後分為兩路，一路經過閥門(8)供入座艙(9)，另一路經過閥門(10)供入電子設備艙(11);水分離器(7)分離出的水通過噴嘴(13)噴入系統的冷路；衝壓空氣與水分離器(7)分離出的水混合，經過換熱器(5)的冷邊後進入風扇(14);風扇(14)出口與動力渦輪(15)的入口相聯，衝壓空氣(12)經過動力渦輪(15)膨脹做功後排往外界大氣環境。
2.根據權利要求I所述的高速電機驅動的空氣循環製冷系統，其特徵在於取消了發 動機壓氣機引氣，系統供氣(I)完全來自大氣環境，不經過發動機壓氣機的壓縮，避免了發動機內燃油揮發對空氣品質的影響，使得系統供給座艙和電子設備艙的空氣沒有油汙染，提高了座艙空氣的潔淨度和座艙環境的舒適性。取消了相關除油設備，降低了製冷系統的固定質量和代償損失。
3.根據權利要求I所述的高速電機驅動的空氣循環製冷系統，其特徵在於由於供氣(I)經過冷卻渦輪(6)膨脹降溫，飽和含溼量降低，淅出的游離態的水經過水分離器(7)分離後由噴嘴(13)噴入系統的冷路，與衝壓空氣(12)混合，提高了換熱器(5)的換熱效率，減小了換熱器(5)的體積和質量和衝壓空氣(12)的用量，進而降低代償損失。
4.根據權利要求I所述的高速電機驅動的空氣循環製冷系統，其特徵在於動力渦輪(15)回收利用冷邊排氣能量做功，與高速電機(4)共同驅動壓氣機(3)，提高了系統的能量利用效率。
5.根據權利要求I所述的高速電機驅動的空氣循環製冷系統，其特徵在於壓氣機(3)，高速電機(4)與動力渦輪(15)同軸。根據飛機不同的飛行狀態，通過變頻技術控制壓氣機(3)的轉速，從而達到控制供氣流量的目的。如高空飛行的時候，外界環境空氣密度很小，需提高壓氣機(3)的轉速才能保證系統供氣量的穩定。
6.根據權利要求I所述的高速電機驅動的空氣循環製冷系統，其特徵在於冷卻渦輪(6)與風扇(14)同軸。供氣經過冷卻渦輪(6)膨脹輸出功率，帶動風扇轉動，以抽吸冷路的衝壓空氣(12)，以提高換熱器(5)的換熱量。
7.根據權利要求I所述的高速電機驅動的空氣循環製冷系統，其特徵在於閥門(8)和閥門(10)分別控制座艙(9)和電子設備艙(11)的供氣流量。飛機的飛行狀態發生變化時，座艙(9)和電子設備艙(11)的熱載荷也會發生變化。如電子設備艙(11)在巡航狀態下的熱載荷要比起飛階段的大，應減小閥門(10)的開度，以使供入電子設備艙(11)的空氣流量在合適的範圍內，提高系統的效率。
全文摘要
本發明公開了一種用高速電機驅動的空氣循環製冷系統，屬飛機環境控制技術領域。主要包括供氣(1)，閥門(2)，壓氣機(3)，高速電機(4)，換熱器(5)，動力渦輪(6)，水分離器(7)，閥門(8)，座艙(9)，閥門(10)，電子設備艙(11)，衝壓空氣(12)，噴嘴(13)，風扇(14)，動力渦輪(15)，冷邊排氣(16)。系統供氣(1)直接來自外界環境空氣，不經過發動機壓氣機壓縮，沒有油汙染，提高了座艙(9)和電子設備艙(11)的空氣潔淨度。衝壓空氣(12)經過動力渦輪(15)膨脹輸出功，提高了系統能量的利用率。與現有的環境控制系統相比，具有潔淨度高，調節靈活，製冷係數高等突出優點。
文檔編號B64D13/08GK102874410SQ20121034192
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月14日 優先權日2012年9月14日
發明者楊春信, 張興娟, 蔣家慶, 柯鵬, 劉貴林 申請人:北京航空航天大學