CN101421024B - 用于混合新鲜空气和加热空气的设备以及该设备在飞行器通风***中的应用 - Google Patents

用于混合新鲜空气和加热空气的设备以及该设备在飞行器通风***中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于混合新鲜空气(2)和加热空气(4)的设备(30)，所述设备包括：新鲜空气进气口(32，42)；加热空气供应体(33，43)，其用于将加热空气(4)供应到所述设备(30，40)中；以及混合空气出气口(36，46)，其用于输送来自所述设备(30，40)的混合的新鲜空气和加热空气(6)，其中加热空气供应体(33，43)包括第一部分(35，45)和第二部分(37，47)，所述第一部分和第二部分构成对新鲜空气(2)的流阻，并且其中第二部分(37，47)形成为具有多个加热空气供应开口(38，48)的闭合中空体并在沿加热空气的流动方向观察时位于第一部分(35，45)下游的端部处连接于所述第一部分(35，45)。本发明的特征在于，加热空气供应体(33，43)的第一部分(35，45)为流线型形式。本发明还涉及这种类型的设备在安装于飞行器的通风***中的应用。

Description

用于混合新鲜空气和加热空气的设备以及该设备在飞行器通风***中的应用
技术领域
本发明涉及一种用于混合新鲜空气和加热空气的设备，所述设备包括：新鲜空气进气口(32，42)；加热空气供应体(33，43)，其用于将加热空气(4)供应到所述设备(30，40)中；以及混合空气出气口(36，46)，其用于输送来自所述设备(30，40)的混合的新鲜空气和加热空气(6)，其中加热空气供应体(33，43)包括第一部分(35，45)和第二部分(37，47)，所述第一部分和第二部分构成对新鲜空气(2)的流阻，并且其中第二部分(37，47)形成为具有多个加热空气供应开口(38，48)的闭合中空体并在从加热空气的流动方向观察时位于第一部分(35，45)下游的端部处连接于所述第一部分(35，45)。本发明还涉及这种类型的设备在安装于飞行器的通风***中的应用。从DE4208442A1已知具有权利要求1前序部分特征的混合设备。
背景技术
在现代民用、商用飞行器中，将飞行器机舱划分为应当/必需彼此独立地进行通风以及温度控制的多个区域。因此，例如可以根据飞行器机舱的不同区域中的乘客数量来进行温度控制。这种需求导致了对这些进行不同温度控制的区域中的每一个区域必需使得新鲜空气在供给到飞行器机舱之前与加热的气流混合，加热气流的量根据各个机舱区域中要达到的温度水平来调节。
以前的空气混合器，即用于混合新鲜空气和加热空气的设备，在混合过程中遇到的问题是飞行器机舱的空气供应管道中的压力损失明显增加。由于这些管道中的压力受到压力调节，所以混合新鲜空气和加热空气的过程作为压力调节方面的必须被最小化的扰动变量。另外，加热空气通常从钛合金管道供给到玻璃纤维增强塑料材料(GFRP复合材料)的新鲜空气管道中，并在新鲜空气管道中进行混合过程。在加热空气供给到新鲜空气管道中之前，当其温度处于大约200℃至260℃的范围时，由GFRP复合材料生产的新鲜空气管道便无法承受未混合的热气流的高温。因此，必需确保两种气流的有效混合以及与其相关的温度下降。另外，借助于安装在混合区下游的温度传感器来调节供给到机舱的空气供应管路中的加热空气质量流量。因此在位于混合区下游的空气供应管路中必需确保均匀温度分布，以便使传感器能够测量到混合气流的代表性温度。
混合过程通常在没有辅助体(图1)的情况下进行或者在具有简单形成的辅助体(图2)的情况下进行。在图1中图示出的空气混合器10的情况下，新鲜空气2通过进气开口12进入管道11并且在此处与通过供应开口14供应的加热空气4混合。混合空气6从空气混合器10的出气口16排出并供给到下游的飞行器机舱中。在这种情况下，测量混合空气6的温度的温度传感器18位于混合区的下游。图1的空气混合器10的缺点在于新鲜空气2和加热空气4混合不充分，尤其是当加热气流很小时。不充分混合会导致形成所谓“热点”，热点对于由GFRP复合材料制成的管道11来讲是不利的。
在图2中示出了具有辅助体24的空气混合器20。在该空气混合器20中，带孔的管道端件24侧向***到管道21中。带孔的管道端件24包括多个加热空气供应开口25，加热空气4穿过加热空气供应开口25进入管道21中并在此处与通过进气口22进入的新鲜空气2混合。混合空气6通过出气口26从管道21排出。再次，借助于温度传感器28来测量混合空气6的温度。这种空气混合的缺点在于在混合区中经常发生较高的压力损失，这一方面是由于在带孔的管道端件24的区域中管道21过流断面减小所致，另一方面是由于进入该区域中的加热空气4的额外质量流量所致。因为在减小的过流断面的区域中流速高于具有较大过流断面的其它区域中的流速，所以在这种类型的区域中会使压力下降。另外，额外的加热空气质量流量4致使在带孔的管道端件24的区域中管道21内的压力下降。这种压力下降对于飞行器机舱的新鲜空气供应管路中的压力调节来讲是不利的。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种设备，利用这种设备使得能够在压力损失低以及混合质量高的情况下执行新鲜空气和加热空气的混合过程，尤其是当大量的加热空气质量流与新鲜气流混合时。
该目的通过如下的设备来实现，该设备包括：新鲜空气进气口(32，42)；加热空气供应体(33，43)，其用于将加热空气(4)供应到所述设备(30，40)中；以及混合空气出气口(36，46)，其用于输送来自所述设备(30，40)的混合的新鲜空气和加热空气(6)，其中加热空气供应体(33，43)包括第一部分(35，45)和第二部分(37，47)，所述第一部分和第二部分构成对新鲜空气(2)的流阻，并且其中第二部分(37，47)形成为具有多个加热空气供应开口(38，48)的闭合中空体并在沿加热空气流动方向观察时处于第一部分(35，45)下游的端部处连接于所述第一部分(35，45)。根据本发明，为了实现上述的目的，所述设备的特征在于加热空气供应体(33，43)的第一部分(35，45)为流线型形式。
关于这一点，流线型形式应当理解为，相对于绕其流动的介质——在这种情况下为空气——具有低流阻的任何形式的主体。因为加热空气供应体至少部分为流线型构造，所以由于加热空气供应体而减小的新鲜空气管道过流截面的比例可维持在最小值，从而能够在该区域中使与之相关的压力下降维持在较低水平。另外，在借助于新鲜空气管路的加热空气供应体来供应大量加热气流的情况下，还可以使新鲜空气管路中的压力损失最小化。
根据本发明的优选实施方式，包括多个加热空气供应开口的加热空气供应体的第二部分为流线型形式。以这种方式形成的加热空气供应体还称作隙透体，加热空气被引入到该加热空气供应体的内部并且通过加热空气供应开口移送到空气混合器的内部。
包括加热空气供应开口的加热空气供应体的第二部分还可以优选为球形或椭球形构造。因为在空气混合器的内部可将流阻以及与其相关的压力下降维持在较低水平，所以第二部分的球形或椭球形构造仍是有利的。
根据本发明的另一优选实施方式，第一部分在新鲜空气的流动方向上的横截面面积可以小于第二部分的横截面面积。一方面，这使得第一部分相对于第二部分流阻减小。另一方面，设置在加热空气供应体的第一部分上的加热空气供应开口能够分布在较大的区域上，由于新鲜空气能够更加容易地接触到加热空气，由此改善了加热空气和新鲜空气的混合质量。
多个加热空气供应开口优选地均匀分布在第二部分上。加热空气供应开口的这种均匀分布确保了加热空气能够均匀地排放到空气混合器中，并且于是防止了在第二部分附近产生显著的温度梯度，其会导致混合区下游的不均匀温度分布。
根据本发明的另一优选实施方式，第二部分的下游区域中的加热空气供应开口的数目可以大于第二部分的上游区域中的加热空气供应开口的数目。因为在第二部分的上游区域中，加热空气的出射方向与新鲜空气的流动方向相反，所以在加热空气从第二部分排出时必须抵抗气流进行“做功”。该做功将必须以能量的方式供应至***。与此相反，在第二部分的下游区域中加热空气的出射方向与新鲜空气的流动方向平行。为此，第二部分的下游区域中的加热空气供应开口的数目大于上游区域中的加热空气供应开口的数目。
第二部分上的加热空气供应开口的表面密度优选地能够在新鲜空气的流动方向上增加。由于上述原因，所以进一步使得混合过程中发生的压力损失最小化。
根据本发明的另一优选实施方式，加热空气在加热空气供应体的第一部分中的流动方向可以垂直于新鲜空气的流动方向。由于加热空气供应体的第一部分的垂直布置，当将加热空气引入于是形成隙透体的第二部分中时，加热空气已经具有垂直于新鲜空气流动方向的运动分量，这使得加热空气从隙透体排出更加容易，尤其是在加热气流较小的情况下。在加热空气已经从隙透体排出之后，加热空气在新鲜空气的流动方向上被推动并且同时加热空气改变了其运动方向，因此加热空气能够与新鲜空气混合，从而进一步改善了混合质量。
根据本发明的另一优选实施方式，空气混合器的第一体能够包括新鲜空气进气口和混合空气出气口，在这种情况下，加热空气供应体可以紧固至第一体。由于该构造，包括新鲜空气进气口和混合空气出气口的第一体可以由不同的、轻型材料制造，在飞行器构造中这尤其有利。
根据本发明的另一优选实施方式，关于空气混合器的节省重量的构造，第一体可以由钛合金制造而加热空气供应体可以由玻璃纤维增强塑料材料制造。钛合金保证了对于加热空气的高温的良好热稳定性，而玻璃纤维增强塑料材料尤其有利于整个空气混合器的节省重量的构造。
温度传感器优选地在加热空气供应体下游设置在第一体上，这尤其有利于供应到飞行器机舱的混合空气的特定温度调节。在这种情况下，温度传感器应当设置在距离混合区足够远的距离处，从而使得传感器能够测量混合空气的代表性温度水平。
本发明还提供了根据本发明的这种类型的设备在安装于飞行器的通风***中的应用。
附图说明
通过下面的示例并基于所附的示意图来说明本发明，其中：
图1表示了根据现有技术的不具有辅助体的空气混合器的横截面图；
图2表示了根据现有技术的具有辅助体的空气混合器的横截面图；
图3A、3B、3C表示了根据本发明第一实施方式的空气混合器的不同视图；
图4A、4B、4C表示了根据本发明第二实施方式的空气混合器的不同视图。
具体实施方式
在图3A、3B、3C以及4A、4B、4C中所使用的附图标记部分对应于图1和图2中的附图标记。此外，在图3A、3B、3C以及图4A、4B、4C中，根据本发明第一实施方式和第二实施方式的空气混合器的彼此相对应的部件通过仅第一个数字不同的附图标记指出。
图3A表示了根据本发明第一实施方式的空气混合器30的侧视图，图3B表示了根据本发明第一实施方式的空气混合器30的俯视图，而图3C表示了根据本发明第一实施方式的空气混合器30的垂直于新鲜空气流动方向的横截面图。在本实施方式中，新鲜空气2通过进气开口32进入圆筒形的管道31。尽管在图3A中，进气开口32表示为通过管道31的截面，并且尽管进气开口32还可以位于管道31的纵向上的另一处，但是该截面应当理解成本发明的意义内的进气口32。
将要与新鲜空气2混合的加热空气4通过进气口34进入加热空气供应体33。图3A、3B和3C中所示的加热空气供应体33主要包括两个部分。第一部分35为流线型形式并且用作对第二部分37的供应管路。第二部分37是中空的并且在本发明的意义内被称作隙透体。隙透体37具有多个加热空气供应开口38，加热空气4能够通过加热空气供应开口38排放到管道31内部。在这种情况下，加热空气4在垂直于隙透体37表面的方向上排出(参见图3C)，并且在从隙透体37排出后，加热空气4被新鲜空气2在新鲜空气2的流动方向上推动并且与新鲜空气2混合。与新鲜空气2混合的加热空气4作为混合空气6通过混合空气排气口36从管道31排出。
图3B表示了空气混合器30的俯视图。如图3B所示，加热空气供应体33的第一部分35以及隙透体37相对于新鲜空气2的流动方向为流线型形式。由于第一部分35和隙透体37的流线型形式，所以加热空气供应体33关于新鲜空气流动方向的流阻减小，从而使得新鲜空气2和加热空气4在空气混合器30中混合时的压力损失最小化。第一部分35以及隙透体37的流线型形式额外地确保了在加热空气供应体33的下游端部处不会发生流动分离。
第一部分35在流动方向上的横截面面积——即在图3B的绘图平面中部分35的面积——小于隙透体37的横截面面积。因此，加热空气供应体33的流阻进一步减小并且与之相关的压力下降进一步最小化。同时，即使从隙透体37的加热空气供应开口38排出到空气混合器30中的加热气流较小时，也可以获得良好的混合。
在图3A、3B和3C所示的实施方式中，隙透体37上的加热空气供应开口38的分布选择如下：即除了上游区域之外，加热空气供应开口38基本上均匀地分布在隙透体37的表面上。由于在隙透体37上游端区域中加热空气的出射方向与新鲜空气的流动方向相反，所以在隙透体37的上游端区域中不设置加热空气供应开口。否则，加热空气必须抵抗新鲜空气进行做功，对新鲜空气做功必须以能量的形式供应到***。相反，在下游区域中，从加热空气供应开口38排出的加热空气4的出射方向与新鲜空气2的流动方向平行，因此在该下游区域中显著地减少了混合时造成的压力下降。从加热空气供应开口38排出的垂直于新鲜空气2流动方向的加热空气4——即在隙透体37的中纬线附近排出的加热空气4——确保了不会相对于隙透体37产生旁路流。而且，新鲜空气2还与加热空气4在管道31靠近其边缘的区域中混合。这样使得在管道31整个横截面上具有基本均匀的温度分布。该均匀的温度分布允许温度传感器(在图3A、3B和3C中未示出)进行代表性温度的测量，因此确保了能够可靠调节或控制从空气混合器30排出并供应到飞行器机舱的混合空气6的温度水平。
图4A表示根据本发明第二实施方式的空气混合器40的侧视图，图4B表示根据本发明第二实施方式的空气混合器40的俯视图，而图4C表示根据本发明第二实施方式的空气混合器40的垂直于新鲜空气2的流动方向的横截面图。关于这一点，将仅讨论相对于图3A、3B和3C中表示的第一实施方式的不同之处。
在空气混合器40的该实施方式中，隙透体47为球形形式。在本实施方式中，加热空气供应开口48均匀地分布在隙透体47的表面上。相应地，加热空气4在所有方向上从隙透体47均匀排出。尽管隙透体47在实际意义上不具有流线型形式，但是与图2中带孔的管道端件24相比还是可以减小隙透体47的流阻。从图4B中看到，类似于图3A、3B和3C中所示的第一实施方式，供应管路45为相同形式的流线型形式。因此，在图4A、4B和4C中所示的实施方式中仍然能够将发生在空气混合器40中的任何压力损失保持在较低的水平。
在此处示出的两个实施方式中，加热空气供应体33、43设置成垂直于新鲜空气2的流动方向。换句话说，加热空气4在加热空气供应体33、43中的流动方向垂直于管道31、41中的新鲜空气2的流动方向。为了能够承受加热空气4的相对高温(在200℃至260℃的范围)，加热空气供应体33、43有利地由钛合金制造。至于空气混合器30、40的节省重量的构造，这在飞行器构造中特别重要，管道31、41可由玻璃纤维增强塑料材料(GFRP复合材料)制造。然而，本领域中的技术人员应当知道，对于管道31、41以及加热空气供应体33、43可以使用其它合适的材料。
加热空气供应体33、43***到管道31、41的侧向开口中并且以气密的方式连接于后者。例如，具有内螺纹的金属管座可***到GFRP管道31、41的侧向开口中。然后，可将由钛合金制造并包括外螺纹(未示出)的加热空气供应体33、43旋入管座中。
有利地，将隙透体37、47焊接至流线型形状的供应管路35、45。
在此处示出的两个实施方式的情况下，还可以考虑以与图3A、3B、3C和4A、4B、4C所示不同的方式在隙透体37、47上分布加热空气供应开口38、48。已经确定在隙透体37的上游区域中不设置加热空气供应开口，尤其是在图3A、3B和3C所示的实施方式中。这代表了一种折衷，这是因为，尽管由于该区域中的高流线密度在理论上可以实现混合的改善，但是在该区域中加热空气4的出射方向与新鲜空气2的流动方向相反，并且加热空气2因此必须抵抗新鲜空气2执行做功。该做功将必须以能量的方式从外部供应至***。
此外，在两个实施方式中，当在新鲜空气流动方向上观察时隙透体37、47的宽度可以选择为使其对应于加热空气供应体33、43的宽度。
此处结合图3A、3B、3C和4A、4B、4C描述的空气混合器30、40尤其适用于装配在安装于商用飞行器的通风***中。还可以想到在其它地方——例如火车、卡车、公共汽车的通风***中——使用该空气混合器30、40，即，需要使不同温度的气流尽量有效地彼此混合并且压力损失尽可能低的任何地方，从而例如能够对客舱或货舱的不同区域进行通风、调节及控制温度水平。

Claims (13)

1.一种用于混合新鲜空气(2)和加热空气(4)的设备(30，40)在安装于飞行器的通风***中的应用，所述设备(30，40)包括：新鲜空气进气口(32，42)；加热空气供应体(33，43)，其用于将加热空气(4)供应到所述设备(30，40)中；以及混合空气出气口(36，46)，其用于输送来自所述设备(30，40)的混合的新鲜空气和加热空气(6)，其中所述加热空气供应体(33，43)包括第一部分(35，45)和第二部分(37，47)，所述第一部分和第二部分构成对新鲜空气(2)的流阻，并且其中所述第二部分(37，47)形成为具有多个加热空气供应开口(38，48)的闭合中空体，并在沿加热空气流动方向观察时处于所述第一部分(35，45)下游的端部处连接于所述第一部分(35，45)，
其中，所述加热空气供应体(33，43)的第一部分(35，45)为流线型形式。
2.如权利要求1所述的应用，所述设备的特征在于所述第二部分(37)为流线型形式。
3.如权利要求1所述的应用，所述设备的特征在于所述第二部分(47)为球形形式或者椭球形形式。
4.如权利要求2所述的应用，所述设备的特征在于所述第一部分(35，45)在新鲜空气(2)流动方向上的横截面面积小于所述第二部分(37，47)的横截面面积。
5.如权利要求3所述的应用，所述设备的特征在于所述第一部分(35，45)在新鲜空气(2)流动方向上的横截面面积小于所述第二部分(37，47)的横截面面积。
6.如权利要求2至5中任一项所述的应用，所述设备的特征在于多个加热空气供应开口(48)均匀地分布在所述第二部分(47)上。
7.如权利要求2至5中任一项所述的应用，所述设备的特征在于所述第二部分(37)的下游区域中的加热空气供应开口(38)的数目大于所述第二部分(37)的上游区域中的加热空气供应开口(38)的数目。
8.如权利要求7所述的应用，所述设备的特征在于所述第二部分上的所述加热空气供应开口的表面密度沿新鲜空气的流动方向增加。
9.如权利要求2至5中任一项所述的应用，所述设备的特征在于所述加热空气供应体(33，43)的第一部分(35，45)中的加热空气(4)的流动方向垂直于新鲜空气(2)的流动方向。
10.如权利要求1-5中任一项所述的应用，所述设备的特征在于所述设备包括第一体(31，41)，所述第一体(31，41)包括所述新鲜空气进气口(32，42)和所述混合空气出气口(36，46)，并且所述加热空气供应体(33，43)紧固至所述第一体(31，41)。
11.如权利要求10所述的应用，所述设备的特征在于所述第一体(31，41)由玻璃纤维增强塑料材料制造，而所述加热空气供应体(33，43)由钛合金制造。
12.如权利要求10所述的应用，所述设备的特征在于温度传感器在所述加热空气供应体(33，43)的下游设置在所述第一体(31，41)上。
13.如权利要求11所述的应用，所述设备的特征在于温度传感器在所述加热空气供应体(33，43)的下游设置在所述第一体(31，41)上。
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