CN102874410B - 一种由高速电机驱动的空气循环制冷*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用高速电机驱动的空气循环制冷***,属飞机环境控制技术领域。主要包括:供气(1),引气阀门(2),压气机(3),高速电机(4),换热器(5),动力涡轮(6),水分离器(7),座舱供气阀门(8),座舱(9),设备舱供气阀门(10),电子设备舱(11),冲压空气(12),喷嘴(13),风扇(14),动力涡轮(15),冷边排气(16)。***供气(1)直接来自外界环境空气,不经过发动机压气机压缩,没有油污染,提高了座舱(9)和电子设备舱(11)的空气洁净度。冲压空气(12)经过动力涡轮(15)膨胀输出功,提高了***能量的利用率。与现有的环境控制***相比,具有洁净度高,调节灵活,制冷系数高等突出优点。

Description

一种由高速电机驱动的空气循环制冷***
技术领域
本发明是涉及一种由高速电机驱动的空气循环制冷***,属飞行器环境控制***技术领域。 
背景技术
空气循环制冷***可调节座舱和电子设备的环境温度,使其在合适的范围内,以保证乘员的正常生理环境需求和电子设备的稳定运行。其制冷介质可同时输入座舱作为增压之用,使座舱通风、增压和冷却由同一***完成。 
飞机制冷***先后经历了两轮简单式、两轮升压式、三轮升压式和四轮升压式空气循环制冷***[1]。上述空气循环制冷***均从发动机引气,发动机引气经过空气循环制冷***降温、降压后通入座舱。采用发动机引气会引起***代偿损失,增加燃油消耗;发动机内燃油及润滑油挥发使引气有油污染,降低了供入座舱空气的品质,座舱空气的洁净度和座舱环境的舒适性。使用电动空气循环制冷***可以避免发动机引气,可减少燃油比耗[2]。 
现代飞机技术正逐步向多电/全电飞机技术方向发展,并将取消发动机引气[3]。为了适应飞机技术的发展,提高制冷***的效率、座舱的舒适性,提出了一种电动空气循环制冷***。该***取消了发动机引气及相关的管道、阀门等附件,同时也避免了引气对发动机热力循环的影响,增大了发动机的推力[4]。电动空气循环制冷***气源直接由外界大气环境提供,没有油污染,从而不需要除油装置,降低了***的固定质量和代偿损失。传统空气循环制冷***受发动机不同型号的性能参数的影响而使得引气参数有所不同,使得传统的采用发动机引气的空气循环制冷***通用性差。电动空气循环制冷***只需提供相同的电源制式,就能应用于发动机型号不同的飞机中。因此,电动空气循环制冷***的灵活性和适应性更强。 
发明内容:
本发明的目的是提供一种性能好、洁净度高、性能代偿损失小的高速电机驱动的空气循环制冷***。 
一种高速电机驱动的空气循环制冷***主要包括:环境空气,阀门,冲压空气,高速电机,动力涡轮,压气机,换热器,冷却涡轮,风扇,水分离器,喷嘴,座舱,电子设备舱。 
环境空气(1)经过引气阀门(2)与压气机(3)的入口相连;压气机(3)压缩后的高温高压气体经过换热器(5)的热边进入冷却涡轮(6)膨胀降温;膨胀降温后的低温低压气体会析出冷凝水,经过水分离器(7)分离除水后分为两路,一路经过阀门(8)供入座舱(9),另一路经过阀门(10)供入电子设备舱(11)。水分离器(7)分离出的水通过喷嘴(13)喷入***的冷路与冲压空气混合,增大***冷路的换热能力;换热器(5)冷边出口的空气经过风扇(14)抽吸后进入动力涡轮(15)膨胀做功后排往外界大气。 
高速电机驱动的空气循环制冷***的特征在于: 
(1)取消了发动机压气机引气,供入座舱的气体不需经过发动机压气机压缩,避免了发动机内燃油及润滑油挥发对空气品质的影响,使得***供给座舱和电子设备舱的空气没有油污染,提高了座舱空气的洁净度和座舱环境的舒适性。取消了相关除油设备,降低了制冷***的固定质量和代偿损失。 
(2)压气机(3)、高速电机(4)与动力涡轮(15)同轴。根据飞机不同的飞行状态,通过变频技术控制压气机(3)的转速,从而达到控制环境空气流量的目的。如高空飞行的时候,外界环境空气密度很小,需提高压气机(3)的转速才能保证***环境空气量的稳定。 
(3)换热器(5)热边出口空气经过冷却涡轮(6)膨胀降温,饱和含湿量降低,析出的水经过水分离器(7)分离后由喷嘴(13)喷入***的冷路,与冲压空气(12)混合,提高了换热器(5)的换热效率,减小了换热器(5)的质量,降低了冲压空气(12)的用量,进而降低***代偿损失。 
(4)冷却涡轮(6)与风扇(14)同轴。换热器(5)热边出口空气经过冷却涡轮(6)膨胀输出功率, 带动风扇转动,抽吸冷路的冲压空气(12)以增大其流量,提高换热器(5)的换热量。 
(5)动力涡轮(15)回收利用冷边排气能量做功,与高速电机(4)共同驱动压气机(3),提高了***的能量利用效率。 
(6)座舱供气阀门(8)和设备舱供气阀门(10)分别控制座舱(9)和电子设备舱(11)的环境空气流量。飞机的飞行状态发生变化时,座舱(9)和电子设备舱(11)的热载荷也会发生变化。如电子设备舱(11)在巡航状态下的热载荷要比起飞阶段的大,应减小设备舱供气阀门(10)的开度,以使得供入电子设备舱(11)的空气流量在合适的范围内,提高***的效率。 
附图说明
图1是一种由高速电机驱动的空气循环制冷***示意图 
图1中标号名称:1.环境空气,2.引气阀门,3.压气机,4.高速电机,5.换热器,6.冷却涡轮,7.水分离器,8.座舱供气阀门,9.座舱,10.设备舱供气阀门,11.电子设备舱,12.冲压空气13.喷嘴,14.风扇,15.动力涡轮,16冷边排气。 
具体实施方式
结合图1说明***的工作过程:冲压空气经过冷风道作为***环境空气(1)经压气机增压,气体压力温度升高。经过换热器(5)热边进行冷却,冷却后的空气经过制冷涡轮进行膨胀做功,膨胀后的气体温度下降,气体中的游离态水由水分离器(7)分离出后通过喷嘴(13)喷到换热器冷边入口,增大冷路冲压空气(12)的换热能力,提高换热器的换热效率。环境空气经过水分离器后分为两路,一路供入座舱(9),另一路供入电子设备舱(11)。座舱供气阀门(8)根据座舱的热载荷来调节其开度,以调节供入座舱空气流量;设备舱供气阀门(10)根据电子设备舱(11)的热载荷来调节其开度,调节供入电子设备舱的空气流量。***冷路的冲压空气(12)与喷嘴(13)喷出的液态水混合后通往换热器(5)的冷边,经过换热后,冲压空气(12)的温度升高,冷却涡轮(6)驱动的风扇(14)将其抽吸至动力涡轮(15)。冲压空气(12)的进入动力涡轮(15)膨胀降温,输出功率与高速电机(4)共同驱动压气机(3)。座舱供气阀门(8)和设备舱供气阀门(10)分别控制座舱(9)和电子设备舱(11)的环境空气流量,能够根据不同的飞行状态控制两个阀门的开度。如电子设备舱(11)在起飞阶段的热载荷要比巡航阶段的大,设备舱供气阀门(10)的开度比起飞阶段要大以使得供入电子设备舱(11)的空气流量增大;而巡航状态下,由于外界大气环境温度很低,飞机蒙皮向外界环境的散热量较大,座舱的热载荷很小,甚至需要加热,故相对起飞阶段应调小座舱供气阀门(8)的开度,以控制座舱环境空气流量的大小。 
根据文献[5]提出的焓参数法,由表1中的数据可求得飞机在地面和高空4km飞行时涡轮的回收功及***的性能系数。在飞行高度H=0km,Ma=0.2时,动力涡轮(15)回收功率约占压气机(3)耗功的6%;在H=4km,Ma=0.8时,动力涡轮回收功约占压气机(3)耗功的5.5%,***的能量利用效率得到明显提升。 
表1附图1***设计计算数据 
电动空气循环制冷***消除了引气参数对***性能的影响,飞机电源***的标准化使得电动空气循环制冷***的灵活性和适应性更强。与现有的环境控制***相比,该***具有性能好,洁净度高,调节灵活,能量利用率高等优点。 
参考文献 
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[5]张兴娟,李峰,杨春信.三轮升压式高压除水***焓参数法性能计算[J].航空动力学报,2010,25(9):1938-1941 

Claims (3)

1.一种高速电机驱动的空气循环制冷***,主要包括:供气(1),引气阀门(2),压气机(3),高速电机(4),换热器(5),冷却涡轮(6),水分离器(7),座舱供气阀门(8),座舱(9),设备舱阀门(10),电子设备舱(11),冲压空气(12),喷嘴(13),风扇(14),动力涡轮(15),冷边排气(16), 
其中供气(1)经过引气阀门(2)与压气机(3)的入口相连;压气机(3)出来后经过换热器(5)的热边后进入冷却涡轮(6);冷却涡轮(6)出来的气流经过水分离器(7)后分为两路,一路经过座舱供气阀门(8)供入座舱(9),另一路经过设备舱阀门(10)供入电子设备舱(11);水分离器(7)分离出的水通过喷嘴(13)喷入***的冷路;冲压空气与水分离器(7)分离出的水混合,经过换热器(5)的冷边后进入风扇(14);风扇(14)出口与动力涡轮(15)的入口相联,冲压空气(12)经过动力涡轮(15)膨胀做功后排往外界大气环境。 
2.根据权利要求1所述的高速电机驱动的空气循环制冷***,其特征在于:动力涡轮(15)回收利用冷边排气能量做功,与高速电机(4)共同驱动压气机(3),提高了***的能量利用效率。 
3.根据权利要求1所述的高速电机驱动的空气循环制冷***,其特征在于:压气机(3),高速电机(4)与动力涡轮(15)同轴,根据飞机不同的飞行状态,通过变频技术控制压气机(3)的转速,从而达到控制供气流量的目的,在高空飞行的时候,外界环境空气密度很小,提高压气机(3)的转速保证***供气量的稳定。 
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