高速電機驅動的逆升壓式空氣循環製冷系統的製作方法
2023-09-24 12:16:55 3
專利名稱：高速電機驅動的逆升壓式空氣循環製冷系統的製作方法
技術領域：
本實用新型的高速電機驅動的逆升壓式空氣循環製冷系統，屬於製冷技術領域。
背景技術：
目前，我國飛機吊艙環境控制系統主要著眼於逆升壓式空氣循環製冷方案。
傳統的逆升壓式空氣循環製冷系統由衝壓空氣驅動，衝壓空氣經渦輪膨脹降溫後與待冷設備進行熱交換，換熱後的氣體經壓氣機壓縮後排出系統。對於傳統逆升壓式空氣循環製冷系統，由於衝壓空氣壓力低，空氣循環機(Air Cycle Machine，ACM)驅動力小，渦輪基本工作在小膨脹比和小焓降狀態，系統製冷量有限。為提高環控系統製冷量，研究人員又提出了一種逆升壓回冷式空氣循環製冷方案，由於冷卻設備後的空氣溫度仍低於衝壓空氣溫度，可在渦輪入口增設一個回冷器，用系統排氣冷卻衝壓空氣，降低渦輪入口空氣溫度，進而增大系統製冷量。該方案雖然比傳統方案多回收了一部分製冷量，但是效果不明顯，而且增加了系統的體積和連接管道布置的難度，並非理想的方案。隨著環境控制系統技術的不斷進步，國外研究人員又提出了動力渦輪驅動的逆升壓式空氣循環製冷方案，系統由冷卻渦輪、動力渦輪、換熱器及壓氣機組成，當系統驅動力不足時，衝壓空氣在動力渦輪中膨脹並輸出機械功以提高轉速，增大冷卻渦輪溫降和系統製冷量。上述幾種方案工作均依賴於飛行狀態，地面停機時無驅動力，系統不具備地面通風冷卻能力。無法解決現代飛機吊艙地面及低馬赫數飛行狀態下電子設備冷卻問題。
此外，對於直升機來說，其大多處於低空低速飛行狀態，採用常規空氣循環製冷系統具有以下兩點不足1)引氣對發動機性能影響極為明顯；2)換熱器冷邊氣流速度低、壓頭小，使得換熱器尺寸和重量大。而採用機載蒸發製冷循環結構複雜、可靠性差且技術不成熟，通過高速電機驅動的逆升壓式空氣循環製冷系統可解決這個問題。
發明內容
本實用新型提供了一種新型的高速電機驅動的逆升壓式空氣循環製冷系統，以解決吊艙環控系統地面及低馬赫數飛行狀態下電子設備冷卻問題。
一種高速電機驅動的逆升壓式空氣循環製冷系統，由冷卻渦輪、換熱器、壓氣機及相關管路組成，其特徵在於還包括一個與冷卻渦輪、壓氣機同軸連接的高速電機。
本系統還可以增加一個高速電機變頻控制器，通過控制高速電機轉速，調節系統製冷量，提高系統性能係數和溫度控制精度。
本實用新型的有益效果是，較傳統方案該系統工作穩定，受飛行狀態影響小，效率高，調速性好、控制精度高，製冷量顯著提高，且具備地面通風冷卻能力，系統性能係數與蒸發循環具有可比性，可有效解決飛機吊艙空調系統在地面及低馬赫數飛行狀態下製冷能力不足的問題。
該方案也可應用於直升機環境控制系統。高速電機驅動的逆升壓式空氣循環製冷系統無需從發動機引氣，由電機輔助驅動直接從外界環境引氣，通過渦輪膨脹降溫獲得低溫氣流為直升機環控系統提供冷源，減少了系統的代償損失，增大製冷量，提高製冷效果。
且隨著人們對CFC製冷劑引起的溫室效應以及對大氣層破壞的關注，CFC工質正被逐漸禁用，高速電機驅動的逆升壓式空氣循環製冷方案採用空氣作為製冷劑，對環境無任何汙染，且結構簡單、體積小、重量輕，在高速列車及其它地面設備中也具有廣闊的應用前景。
圖1是本實用新型系統原理圖。
圖2是冷卻渦輪結構圖。
圖3是換熱器結構圖。
圖4是離心壓氣機結構圖。
圖1中標號名稱1.冷卻渦輪，2.換熱器，3.壓氣機，4.高速電機，5.軸承。
圖2中標號名稱6.整流窗，7.渦輪蝸殼，8.渦輪葉片。
圖3中標號名稱9.封條，10.翅片，11.隔板。
圖4中標號名稱12.壓氣機蝸殼，13.壓氣機葉輪，14.壓氣機擴壓器，15.旋轉軸。
具體實施方式
根據圖1所示，本實用新型的一種高速電機驅動的逆升壓式空氣循環製冷系統，主要由冷卻渦輪1、換熱器2、壓氣機3、高速電機4以及相關管路組成。高速電機4與冷卻渦輪1、壓氣機3同軸工作。高速電機4兩端軸伸，通過卡爪與冷卻渦輪1、壓氣機3的轉軸連接，構成電動渦輪壓氣機組件。冷卻渦輪1與高速電機4之間，壓氣機3與高速電機4之間裝配一對角接觸軸承5。電動渦輪壓氣機組件通過連接管路與換熱器2冷邊連接。本系統還可以增加一個高速電機變頻控制器，通過控制高速電機轉速，調節系統製冷量，提高系統性能係數和溫度控制精度。
結合圖2所示，本系統採用帶有半開式向心葉輪的單級徑-軸流反作用式的向心渦輪作為製冷設備。它具有單級膨脹比高(焓降大)、工藝性好、允許轉速高、結構簡單、熱效率較高等優點。在小流量、小功率製冷設備中得到了廣泛的應用。
結合圖3所示，本系統的熱交換器選用板肋片式熱交換器，平板肋片式熱交換器作為一種單位體積內傳熱表面積大、重量輕、體積小、效率高的緊湊熱交換器，目前已在航空工業上得到廣泛使用。
結合圖4所示，本系統中利用離心壓氣機的增壓作用將經過熱交換器換熱後的氣體排出系統，完成系統循環，同時，由於壓氣機的抽吸作用可增大渦輪膨脹比，提高系統製冷效果。其中葉輪型式為後彎式葉輪。
結合圖1說明本實用新型的工作原理系統工作時，由進氣道引入的衝壓空氣首先經冷卻渦輪1膨脹降溫，然後進入換熱器2與高溫氣體換熱，吸收熱量後的氣體再經由壓氣機3增壓後排出機外。當飛機處於地面及低馬赫數飛行狀態時，冷卻渦輪1、壓氣機3保持同轉速、同流量和近似同壓比的工作關係，此時冷卻渦輪1輸出功遠小於壓氣機3耗功，系統需要輔助動力輸入才能完成循環，本系統加入高速電機4提供輔助動力，高速電機4、冷卻渦輪1共同驅動壓氣機工作，高速電機4直接利用機載電源作為動力，增大系統轉速，提高系統製冷量，使得該系統在地面及低馬赫數狀態下仍具備通風冷卻能力，彌補了傳統空氣循環製冷系統在此飛行狀態下製冷能力不足的缺陷。當飛機飛行馬赫數較高，空氣循環機驅動力充足時，可關閉電機，系統按傳統方案工作。
本使用新型的工作過程是首先開啟高速電機4，壓氣機3在電機驅動下抽吸空氣，冷卻渦輪1出口出現負壓，冷卻渦輪1進出口在壓差作用下膨脹做功，出口溫度隨之下降，當系統達到功率平衡，轉速穩定在某一轉速下，系統穩定工作；通過調節高速電機4轉速控制系統製冷量，工作結束時關閉高速電機4。若高速電機4工作電流顯示較小，說明空氣循環機驅動力充足，此時可關閉高速電機4，系統按傳統模式工作。
發明人進行了該系統的性能試驗，試驗由地面設備壓縮機供氣，通過調節供氣閥門開度模擬系統冷、熱邊進氣壓力和流量，通過控制電爐功率模擬冷、熱邊進氣溫度，通過調節變頻器控制電機轉速，在渦輪、換熱器和壓氣機的進出口安裝精密壓力表和溫度傳感器測量各點的氣流壓力和溫度，在冷、熱邊安裝孔板流量計測量冷、熱邊的供氣流量。通過性能試驗，得出了不同狀態下該系統的性能參數，試驗數據顯示地面及低馬赫數狀態下，該系統仍具備製冷能力，且製冷量隨轉速增加而增加。
權利要求1.一種高速電機驅動的逆升壓式空氣循環製冷系統，由冷卻渦輪(1)、換熱器(2)、壓氣機(3)及相關管路組成，其特徵在於還包括一個與冷卻渦輪(1)、壓氣機(3)同軸連接的高速電機(4)。
2.根據權利要求1所述的高速電機驅動的逆升壓式空氣循環製冷系統，其特徵在於還包括一個高速電機變頻控制器。
專利摘要本實用新型涉及一種高速電機驅動的逆升壓式空氣循環製冷系統，屬於製冷技術領域。該系統主要由冷卻渦輪(1)、換熱器(2)、壓氣機(3)及相關管路組成，其特徵在於還包括一個與冷卻渦輪(1)、壓氣機(3)同軸連接的高速電機(4)。本系統由於加入高速電機(4)提供輔助動力，使高速電機(4)與冷卻渦輪(1)共同驅動壓氣機(3)工作。使得該系統在地面及低馬赫數狀態下仍具備通風冷卻能力，彌補了傳統空氣循環製冷系統在此飛行狀態下製冷能力不足的缺陷。本系統較傳統方案具有工作穩定，受飛行狀態影響小，效率高，調速性好、控制精度高，製冷量顯著提高等優點。
文檔編號F25B31/02GK2886450SQ20062007267
公開日2007年4月4日 申請日期2006年4月24日 優先權日2006年4月24日
發明者蔣福根, 孫英, 徐興智, 孫衛平, 馬少波, 寧獻文 申請人:南京航空航天大學