CN103010466A - 双级压缩空气循环制冷*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双级压缩空气循环制冷***,用于飞行器环境控制***技术领域。该***利用电机和冷边回收功驱动两级压气机,直接压缩环境空气,并用座舱排气替代冲压空气,避免了从发动机引气和从机外引入冲压空气的不足,可提高座舱供气质量,减少***重量和代偿损失。取代二级压缩的旁路设计保证该***在地面工况也能对舱内实现环境控制,满足全高度应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用双级压缩的空气循环制冷***,属飞行器环境控制***技术领域。
背景技术
目前,在飞机上使用的空气循环制冷***有两轮简单式、两轮升压式、三轮升压式和四轮升压式。这些***的供气均需从发动机提供,在增加***代偿损失的同时也降低了座舱供气的清洁度。***的冷边需要从机外引进冲压空气,从而使飞机的阻力增加。座舱排气直接排出机外或经过电子设备舱后再排出机外,相对于机外的低压环境,这部分可用能可以回收。目前,排气的可用功回收在国内尚未见有相关专利提出。
发明内容
本发明提供一种性能好、空气洁净度高、能量利用率高的双级压缩空气循环制冷***,避免了从发动机引气和引进机外冲压空气的不足,同时回收座舱排气的可用能。
双级压缩空气循环制冷***主要包括:环境空气,阀门,一级压缩机,电机,换热器,二级压缩机,冷凝器,水分离器,冷却涡轮,座舱,风扇,动力涡轮。本***以高空巡航状态为主,兼顾地面工况的环控要求,设计了旁路***。
高空巡航状态时,环境空气(1)首先通过阀门(2)进入由电机(4)驱动的一级压缩机(3),升温升压后通过阀门(5)进入换热器(7),温度有所降低,再进入二级压缩机(8),压力和温度进一步升高,随后流经阀门(9)和换热器(10)的热边释放热量,再进入冷凝器(11)的热边进一步降温,通过水分离器(12)后在冷却涡轮(13)中膨胀降温,温度和压力均大幅降低,流经冷凝器(11)的冷边吸收热量,温度有所回升后送入座舱(14)。座舱排气通入换热器(10)的冷边,在风扇(19)的抽吸作用下压力略微升高,并进入动力涡轮(20),膨胀降温后流经换热器(7)的冷边并排出机外。
地面状态时,环境空气(1)首先通过阀门(2)进入由电机(4)驱动的一级压缩机(3),升温升压后通过阀门(6)直接进入换热器(10)的热边释放热量,再进入冷凝器(11)的热边进一步降温,通过水分离器(12)后在冷却涡轮(13)中膨胀降温,温度和压力均大幅降低,流经冷凝器(11)的冷边吸收热量,温度有所回升后送入座舱(14)。座舱排气通入换热器(10)的冷边,随后经过阀门(15),在风扇(16)的抽吸作用下排出机外。
该双级压缩空气循环制冷***的特征在于:
(1)***供气完全由机外环境空气提供,避免了从飞机发动机引气,从而不影响发动机推力,减少了代偿损失,且避免了发动机滑油挥发对空气洁净度的影响;
(2)通过调整阀门(5)、(9)、(18)和阀门(6)、(15)的先后开闭,可以实现制冷***在高空巡航状态和地面状态的环境控制,详述如下:
●关闭阀门(5)、(9)、(18),开启阀门(6)、(15),环境空气只经过一级压缩机 (3)压缩,增压比较小,通过冷却涡轮(13)膨胀后送入座舱(14),座舱排气由电机(17)驱动的风扇(16)抽吸,满足地面工况时的座舱环境控制;
●开启阀门(5)、(9)、(18),关闭阀门(6)、(15),环境空气由一级压缩机(3)和二级压缩机(8)压缩,增压比较大,通过冷却涡轮(13)膨胀后送入座舱(14),座舱排气由冷却涡轮(13)驱动的风扇(19)抽吸,经过动力涡轮(20)膨胀,满足高空巡航状态的座舱环境控制。
(3)座舱排气直接通入***冷边,替代冲压空气。从而去除了冲压空气的入射口,减少了***的代偿损失;
(4)***冷边的可用功回收。相对于高空巡航的低压外环境,冷边的座舱排气具有可用功,这部分功量可通过动力涡轮回收,以驱动二级压缩机。
附图说明
图1是一种双级压缩空气循环制冷***示意图。
图2是该双级压缩空气循环制冷***在高空巡航状态的示意图。
图3是该双级压缩空气循环制冷***在地面状态的示意图。
图中,1.环境空气,2.阀门,3.一级压缩机,4.电机,5.阀门,6.阀门,7.换热器,8.二级压缩机,9.阀门,10.换热器,11.冷凝器,12.水分离器,13.冷却涡轮,14.座舱,15.阀门,16.风扇,17.电机,18.阀门,19.风扇,20.动力涡轮。
具体实施方式
在图2中,一级压缩机(3)与电机(4)相连,将环境空气压缩后送入换热器(7)的热边,气流降温后进入二级压缩机(8),二级压缩机(8)与动力涡轮(20)同轴连接,将气流进一步压缩后送入换热器(10)的热边,气流在冷凝器(11)中进一步降温后流经水分离器(12),冷却涡轮(13)与风扇(19)同轴连接,将水分离器出来的气流膨胀降温后送入冷凝器(11)的冷边,随后送入座舱(14),座舱排气连接在换热器(10)的冷边,风扇(19)在换热器(10)的下游抽吸冷边气流,并将其送入随后的动力涡轮(20),动力涡轮(20)回收冷边可用功后将气流送入换热器(7)的冷边,随后排出机外。
在图3中,一级压缩机(3)与电机(4)相连,将环境空气压缩后送入换热器(10)的热边,气流从换热器(10)出来后,在冷凝器(11)中进一步降温后流经水分离器(12),冷却涡轮(13)将水分离器出来的气流膨胀降温后送入冷凝器(11)的冷边,随后送入座舱(14),座舱排气连接在换热器(10)的冷边,在电机(17)驱动的风扇(16)的抽吸作用下排出机外。
***实施算例
为了说明该双级压缩空气循环制冷***的可行性,本专利对其热力性能进行了计算。计算分高空巡航和地面状态两部分,其中,地面状态取起飞阶段,大气参数按热天标准选取。两部分的***参数如表1所示。
表1双级压缩空气循环制冷***性能计算工况设置
计算工况 | 高空 | 地面 |
飞行高度,km | 10 | 0 |
马赫数 | 0.8 | 0.19 |
环境温度,℃ | -26 | 40 |
环境压力,kPa | 26.5 | 101.325 |
座舱排气,℃ | 30 | 30 |
座舱压力,kPa | 76 | 101.325 |
供气流量,kg/s | 1.0 | 1.0 |
含湿量,g/kg | 0 | 0 |
***各部件的效率和特性参数取值如表2、表3所示。其中,表2给出的是高空巡航状态时各部件特性参数的取值;表3给出的是***在地面起飞阶段的部件特性参数取值。在热力性能计算中,换热器、冷凝器、水分离器阻力以及管路的阻力取值如表4所示。
本***将座舱排气回收,因此换热器冷热边工质流量相同,流比为1,按照叉流式换热器的η-NTU图表[1],取换热器效率η为0.72(NTU约为3.5)。其他部件的特性参数取值参考文献[2]。计算结果见表5所示。
表2双级压缩空气循环制冷***高空巡航状态时各部件特性参数
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
ηC1 | 0.78 | πT1 | 1.7 |
πC1 | 2.79 | ηT2 | 0.77 |
ηC2 | 0.78 | πT2 | 2.154 |
πC2 | 1.52 | ηF | 0.25 |
ηHX | 0.72 | πF | 1.03 |
ηT1 | 0.77 | ηCON | 0.30 |
ηs | 0.96 |
表3双级压缩空气循环制冷***地面状态时各部件特性参数
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
ηC1 | 0.78 | πT1 | 2.0 |
πC1 | 2.328 | ηF | 0.25 |
ηHX | 0.72 | πF | 1.03 |
ηT1 | 0.77 | ηCON | 0.30 |
[0030] 表4双级压缩空气循环制冷***各部件的阻力
表5双级压缩空气循环制冷***实施算例
参考文献
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[2]张兴娟,李峰,杨春信.大飞机四轮升压制冷***焓参数法匹配计算.北京航空航天大学学报,2010,vol.36(9):1009-1012。
Claims (5)
1.一种双级压缩空气循环制冷***,包括:环境空气(1),阀门(2),一级压缩机(3),电机(4),阀门(5),阀门(6),换热器(7),二级压缩机(8),阀门(9),换热器(10),冷凝器(11),水分离器(12),冷却涡轮(13),座舱(14),阀门(15),风扇(16),电机(17),阀门(18),风扇(19),动力涡轮(20),其特征是:采用双级压缩实现座舱增压供气,排气替代冲压空气,冷边功量回收利用。
2.根据权利要求1所述的双级压缩空气循环制冷***,其特征在于:取消了发动机引气,***供气完全由环境空气(1)提供,不影响发动机推力,避免了发动机滑油挥发对空气洁净度的影响,同时降低了***的代偿损失。
3.根据权利要求1所述的双级压缩空气循环制冷***,其特征在于:通过调整阀门(5)、(9)、(18)和阀门(6)、(15)的先后开闭,可以实现制冷***在高空巡航状态和地面状态的环境控制,详述如下:
3.1关闭阀门(5)、(9)、(18),开启阀门(6)、(15),环境空气只经过一级压缩机(3)压缩,增压比较小,通过冷却涡轮(13)膨胀后送入座舱(14),座舱排气由电机(17)驱动的风扇(16)抽吸,满足地面工况时的座舱环境控制;
3.2开启阀门(5)、(9)、(18),关闭阀门(6)、(15),环境空气由一级压缩机(3)和二级压缩机(8)压缩,增压比较大,通过冷却涡轮(13)膨胀后送入座舱(14),座舱排气由冷却涡轮(13)驱动的风扇(19)抽吸,经过动力涡轮(20)膨胀,满足高空巡航状态的座舱环境控制。
4.根据权利要求1所述的双级压缩空气循环制冷***,其特征在于:座舱排气替代冲压空气,取消了冲压空气入射口,减小了***代偿损失。
5.根据权利要求1所述的双级压缩空气循环制冷***,其特征在于:高空巡航状态下座舱排气的可用功通过动力涡轮(20)回收,驱动二级压缩机(8),提高了***的能源利用率。
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